磁應力技術在埋地管道焊縫檢測中的實踐

郝 毅

（中國腐蝕控制技術協會，北京 100101）

0 引言

近年來，管道失效事故時有發生，不僅威脅了人民群眾的生命財產和社會的穩定運行，還給自然環境帶來了嚴重污染。管道焊接應力是焊件產生變形和開裂等缺陷的主要原因之一[1]，同時在產生可檢測到的裂紋或缺陷之前，就可能因為外部因素產生應力集中，這些區域通常就是材料后期失效的萌生點[2]。部分管道在鋪設時對各條焊縫的無損檢測數據及位置坐標進行了收集，不過由于GPS的精度問題，以及在采集過程中存在的漏采問題，導致管道運營方無法完全掌握每個焊縫的運行狀態，而對于未進行焊縫位置GPS坐標采集的管道，焊縫定位工作更是難上加難。如何通過非開挖手段在地面上快速定位到管道焊縫的位置，是業內亟待解決的問題。

磁應力檢測也稱金屬磁記憶技術，是一種基于逆磁致伸縮效應的無損檢測方法。20世紀末由俄羅斯學者杜波夫首先提出，目前已發展成為無損檢測領域的一門新興學科。該技術通過檢測和分析產生在工件應力集中區的漏磁場分布，來發現早期應力集中和宏觀缺陷，在石油化工、電力、鐵路、航空等方面都得到了廣泛的應用[3]。隨著磁應力檢測設備在油氣輸送領域的應用開發，實現了在非開挖條件下對埋地鋼質管道缺陷焊縫的定位檢測，并且能夠對焊縫的缺陷進行分級評價。

1 技術原理簡介

1.1 缺陷焊縫定位的原理

地球是一個巨大的磁體，地球表面到處都分布著可以探測和計量的磁力場。由于鐵磁性材料特有的磁致伸縮特性，使得處在地磁場中的鐵磁性材料制成的管道在磁彈性機理作用下形成磁疇有序分布。當鐵磁材料受到機械力的作用時，在它的內部產生應變，從而產生應力，導致磁導率發生變化[4]。鐵磁材料被磁化時，如果受到限制而不能伸縮，內部會產生應力，同樣，在外部施加一定的壓力，鐵磁材料也會產生應力。當鐵磁材料因磁化而引起伸縮（不管何種原因）產生應力時，其內部必然存在磁彈性能量。如果存在拉應力，將使磁化方向轉化為拉應力方向，加強拉應力方向的磁化，從而使拉應力方向的磁導率增大，壓應力將使磁化方向垂直于應力的方向，削弱壓應力方向的磁化，從而使壓應力方向的磁導率減小。管道上焊縫存在缺陷會引起該區域內管體的應力情況發生變化，并且焊縫缺陷所造成的應力變化會比常規管體缺陷更加明顯，由于應力發生變化導致管體的磁場分布也發生變化，特別是焊縫周邊區域的磁場畸變的特征比較分明，經過測量分析，檢測設備可以甄別出由管道焊縫缺陷引起的磁場變化，進而判斷焊縫位置。

如圖1所示，管體焊縫缺陷位置為應力集中區，導致此處磁場畸變，其作用結果是改變磁場強度分布和磁力線方向，在應力峰值點的上方，磁場的切線（與管道軸向垂直）方向的磁感應強度分量（Bx）為最大，而在管道徑向方向上磁感應強度分量（By）為零。由于焊接不合格導致焊縫中含有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、凹坑、咬邊、焊瘤等情況導致的應力，都能夠由此追溯到這樣的磁力改變區域。

圖1 管道焊縫缺陷位置磁場曲線

1.2 缺陷焊縫的分級評價原理

金屬磁記憶檢測技術主要利用了磁感應強度B與鐵磁材料內部應力集中之間的關系，焊縫異常等級分析的主要工作就是找到焊縫位置的磁感應輕強度與該位置的應力情況的對應關系。在地磁環境中，管道上某點的磁感應強度在測量時會受周圍位置影響，無法與該位置的應力情況一一對應，但是在數學領域通過積分可以將二者建立關系。

關于焊縫的金屬磁記憶檢測，如果某位置存在焊接裂紋，裂紋尖端的應力集中會導致自由漏磁場的產生，在該位置設備檢測到的磁記憶信號就為裂紋尖端的應力集中與其他缺口效應部位應力集中導致的自由漏磁場的疊加。基于其與應力中的位置的積分關系，在數據分析過程中就可以通過微分確定焊縫裂紋的位置和量化參數。對焊縫裂紋金屬磁記憶信號進行定量識別的關鍵在于信號特征量的提取。對檢測信號進行一階微分以后在局部空間軸上的信號異常可定義為一接微分金屬磁記憶信號的波峰-波谷之間的距離DL，以及一階微分金屬磁記憶信號的波峰-波谷之間的差值DH。

圖2 焊縫位置磁感應信號特征

DL與焊接缺陷的長度基本成正比關系，隨著焊接缺陷長度的增加，DL也就越大，而DH與焊接缺陷的長度基本無關，隨著焊縫缺陷長度的增加，DH無明顯變化。焊縫缺陷的深度對DH的影響較大，隨著缺陷深度的增加DH逐漸減小。

基于管道的漏磁場計算得出的應力分布，將獲取應力值以管道參數等條件建立評價模型。根據鐵磁學原理，評價模型將應力數值進行歸一處理，并引入管道結構參數，輸出結果為環焊縫缺陷指數 。它是管道埋深、運行壓力、管道材質及壁厚，以及檢測信號特征數值DL和DH的函數。在缺陷等級劃分上，采取未焊透最大深度作為參考依據分為四級，方便與無損檢測進行比對。具體的分級指標如表1所示。

表1 異常焊縫分級評價指數

1.3 PWD設備介紹

管道焊縫缺陷檢測儀（PWD）基于經典鐵磁學理論，可為確定異常焊縫和內檢測缺陷的地面位置提供非開挖檢測手段。設備屏幕實時顯示磁場曲線，采用峰值響應方式準確定位出管道的環焊縫，同時根據焊縫位置上的應力集中程度對缺陷進行分級。道焊縫缺陷檢測儀采用無源探測方式，檢測人員背負設備沿管線路由平穩行進即可完成檢測。設備屏幕可實時顯示管道的磁場曲線，以峰值響應方式準確定位焊縫位置；檢測系統配備亞米級GPS天線，配合檢測人員行進速度，每秒鐘采集一組GPS坐標，有效保證定位精度，檢測人員可根據對應位置坐標實時進行回找；系統根據管道焊縫位置的應力分布情況，將應力分析結果對應無損檢測數據庫，對焊縫的應力異常等級進行分級，其分析結果可在一定程度上保證與開挖無損檢測方法的分級結果一致。檢測人員應用PWD檢測系統可在現場高效準確的定位出焊縫位置，并可對焊縫的異常等級進行初步分析，為后續的開挖修復工作提供有效的數據基礎。

2 應用案例

2.1 被檢測管道概況

某企業對其下屬的若干段埋地管線焊縫缺陷以抽檢形式進行檢測，，即在每段管道上選取道路平坦，場景較為開闊，鐵磁性干擾較少的40～200m不等的管段。被檢管道情況如下：管道材質為螺旋焊縫鋼管，焊縫為環焊縫，管道規格為φ406×8mm，設計壓力為0.4MPa，埋深范圍為0.9～1.8 m。該管網投產至今未進行過漏磁內檢測。

2.2 檢測過程

首先使用管線儀對目標管線進行精準定位，并沿線標記路由；然后將PWD檢測儀的一個傳感器放置于管道正上方，另一個放置于管道一側，沿標定的路由的一側勻速地采集數據；采集完成后在現場直接使用PWD檢測儀對檢測數據進行分析，根據現場情況以及曲線的峰值間距和高度，確定出環焊縫的位置和缺陷等級，根據缺陷嚴重情況，確定開挖點（如圖4所示）。

圖4 檢測過程與焊縫缺陷分級

2.3 檢測結果

在本次排查過程中，11段埋地管道使用PWD檢測儀累計實施焊縫檢測1560m，一共檢測到環焊縫69處，其中IV級點60處；III級點5處；II級點3處；I級點1處（如表2所示）。磁應力檢測焊縫異常分級評價的處理建議如表3所示，其中IV級點需要立即開挖，進行無損檢測修復。

表2 環焊縫檢測結果統計表

表3 開挖驗證結果表

2.4 開挖驗證

根據PWD檢測結果，選擇焊縫磁信號變化強烈的管段進行開挖驗證。首先判斷焊縫處是否存在缺陷，然后判斷PWD檢測結果是否與開挖驗證的X射線探傷評級相一致。本次針對69處環焊縫檢出位置中7處IV級嚴重點進行開挖。經開挖驗證焊縫定位偏差均小于0.5m；6處焊縫X射線探傷檢測結果等級為IV級，一處為III級；焊縫存在未焊透、咬邊、焊瘤等問題，如圖4所示。

圖4 開挖驗證管線IV級焊縫

3 結語

采用磁應力技術對埋地管道進行檢測，無需開挖即可實現對管道焊縫缺陷準確定位和缺陷評級，缺陷評級準確率83%，是一種可靠的非開挖管道焊縫缺陷檢測技術，具有廣泛的應用前景。

目前，磁應力技術已經在多個現工程現場解決了管道焊縫定位的難題，同時在管道完整性管理方面也發揮出了越來越積極的作用。未來，磁應力技術作為一種更加高效且準確的技術手段將在埋地管道基礎數據收集和缺陷焊縫分級評價環節得到更廣泛的應用。