余方林 于潤(rùn)橋 廖連文 汪路路

南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘 要： 針對(duì)埋地油氣管道因腐蝕泄漏引發(fā)安全事故，提出了一種可實(shí)際應(yīng)用于工程的檢測(cè)方法——埋地管道非開(kāi)挖弱磁檢測(cè)。通過(guò)對(duì)弱磁檢測(cè)原理和缺陷定位算法的簡(jiǎn)敘，驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)方法的可行性。利用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的弱磁檢測(cè)儀對(duì)預(yù)置人工缺陷的管道進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)管體信號(hào)進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，該方法對(duì)埋地管道的腐蝕缺陷識(shí)別有很好的檢測(cè)效果，并實(shí)現(xiàn)了管體缺陷的二維成像。

關(guān)鍵詞： 腐蝕泄漏；埋地管道；非開(kāi)挖；弱磁檢測(cè)；定量分析

長(zhǎng)期埋于地下的油氣管道，發(fā)生腐蝕穿孔和應(yīng)力集中的概率與日俱增，容易發(fā)生穿孔泄漏等事故，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸事故和環(huán)境污染，使周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。為確保地下管網(wǎng)安全運(yùn)行，急需尋找一種應(yīng)用于埋地管道的有效檢測(cè)手段。本文針對(duì)埋地管道非開(kāi)挖弱磁檢測(cè)方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 弱磁檢測(cè)原理

埋地管道非開(kāi)挖弱磁檢測(cè)技術(shù)建立在天然地磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)磁信號(hào)采集儀在檢測(cè)管道正上方進(jìn)行掃查，采集不同方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化從而判斷檢測(cè)管道中是否存在缺陷，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理判斷檢測(cè)試樣中存在缺陷的位置及大小，是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

假設(shè)被檢工件本身的磁導(dǎo)率為μ，工件內(nèi)部不連續(xù)區(qū)的磁導(dǎo)率為μ`，若是不連續(xù)區(qū)為高磁導(dǎo)率物質(zhì)，即μ`>μ，那么在測(cè)磁傳感器通過(guò)該區(qū)域時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)下凹現(xiàn)象;若是不連續(xù)區(qū)域?yàn)榈痛艑?dǎo)率物質(zhì)，即μ`<μ，那么在測(cè)磁傳感器通過(guò)該區(qū)域時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線會(huì)出現(xiàn)上凸現(xiàn)象(圖1)。

圖 1  弱磁檢測(cè)原理

為了更好地提高金屬管道中存在的缺陷磁場(chǎng)變化分辨率，提出了磁力梯度張量的測(cè)量系統(tǒng)，磁梯度張量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)象是磁場(chǎng)矢量分量的梯度，第一它不受總場(chǎng)測(cè)量的約束，所測(cè)量的結(jié)果反映的是目標(biāo)體的矢量磁矩信息；第二張量元素受地磁場(chǎng)的傾角、偏角影響小，以下是磁梯度張量的理論研究。

地磁場(chǎng)有方向和大小矢量場(chǎng)，磁梯度張量就是磁場(chǎng)強(qiáng)度在三維空間中的三個(gè)分量Bx、 By、 Bz在空間兩兩垂直的三個(gè)方向（x,y,z）上的變化率，它構(gòu)成一個(gè)三階矩陣，共9個(gè)元素，記為G，表示如下：

由式(2) 、(3) 、(4)可知，在磁梯度張量的9個(gè)元素中只有5個(gè)分量是相互獨(dú)立的。所以只要知道5個(gè)獨(dú)立分量，就可以求得磁梯度張量的值。地磁場(chǎng)的梯度值比磁異常的梯度值小很多，一般為20 nT/km。在這個(gè)原理的基礎(chǔ)上，采用十字形磁梯度張量結(jié)構(gòu)（圖 2），該結(jié)構(gòu)因計(jì)算簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在磁梯度測(cè)量中。

圖2 傳感器十字型測(cè)量結(jié)構(gòu)

如圖 2所示， B0、 B1、 B2、 B3為三軸式磁通門(mén)傳感器，每個(gè)三軸磁通門(mén)傳感器均由3個(gè)單軸三端式磁通門(mén)傳感器組合而成。根據(jù)公式（1）、（3）差分近似可得以下結(jié)果：

2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高精度埋地管道弱磁檢測(cè)儀（圖 3），主要包括測(cè)磁傳感器和數(shù)據(jù)分析上位機(jī)。為了更好的接近實(shí)際工程，由某熱力集團(tuán)提供試驗(yàn)場(chǎng)地，將預(yù)置人工缺陷的管道埋入地下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為保證傳感器的穩(wěn)定性，搭建軌道使傳感器從管道上方平穩(wěn)通過(guò)。

1.數(shù)據(jù)分析上位機(jī)； 2.測(cè)磁傳感器。

圖 3  埋地管道弱磁檢測(cè)儀

當(dāng)被檢管道本身不存在腐蝕及其他類(lèi)型缺陷時(shí)，檢測(cè)曲線變化較為均勻。當(dāng)存在腐蝕缺陷時(shí)，該區(qū)域磁場(chǎng)發(fā)生異常變化，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件處理后實(shí)現(xiàn)二維成像，可對(duì)腐蝕減薄的位置及深度進(jìn)行定量研究。

3 試驗(yàn)研究

某熱力公司管道長(zhǎng)3 000 mm、外徑610 mm、壁厚8.8 mm,在其管道上方加工了5個(gè)人工缺陷。圖 4為試驗(yàn)管道的俯視圖，各位置缺陷類(lèi)型和腐蝕深度見(jiàn)表1。

圖 4  試驗(yàn)管道尺寸及缺陷點(diǎn)

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，用逐漸埋土的方式，分別進(jìn)行了埋深1 200 mm、 1 500 mm、 1 800 mm試驗(yàn)。首先將預(yù)置好缺陷的管道放入已挖好的土坑內(nèi)，然后在管道正上方鋪設(shè)非鐵磁性材料軌道，通過(guò)自制小車(chē)在軌道上帶動(dòng)弱磁傳感器在管道上方勻速移動(dòng)，將傳感器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)內(nèi)安裝有弱磁檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件。考慮到試驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)楣艿蓝祟^效應(yīng)，造成信號(hào)啟停處的突變，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將端頭效應(yīng)的信號(hào)屏蔽，防止影響整體信號(hào)造成對(duì)檢測(cè)結(jié)果的誤判。圖 5是試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，左側(cè)是試驗(yàn)前在管道上方預(yù)置的5個(gè)缺陷。圖 6是埋深1 800 mm檢測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖 5  試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

（a）原始曲線圖

（b）梯度信號(hào)圖

（c）二維成像圖

圖 6  埋深1 800 mm檢測(cè)結(jié)果

由圖6（b）梯度信號(hào)圖可知，檢測(cè)初期經(jīng)過(guò)處理的梯度信號(hào)相對(duì)比較平穩(wěn)，磁梯度范圍在﹣100～+100nT內(nèi)，沒(méi)有超過(guò)判斷閾值。此后，經(jīng)過(guò)處理的磁梯度信號(hào)在550～770mm、1050～1250mm、1550～1700mm、1870～1 920 mm、 2 300～2 400 mm處相對(duì)于其他區(qū)域存在明顯的峰值，這與人工缺陷管道上的缺陷位置相符。由于檢測(cè)過(guò)程中由人工推動(dòng)磁傳感器在管道上方移動(dòng)，不能保證是完美的勻速運(yùn)動(dòng)，故最后的檢測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)前預(yù)置的管道缺陷位置會(huì)存在誤差。從檢出效果和檢出率看，該檢測(cè)技術(shù)具有工程實(shí)用性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2015年采用非開(kāi)挖弱磁檢測(cè)方法在河南濮陽(yáng)某段已停運(yùn)管道進(jìn)行試驗(yàn)。

檢測(cè)管道分兩排共6段，兩排長(zhǎng)度都是3 800 mm，壁厚3.0～4.5 mm，管道埋深1 500～1 700 mm。其中： 1#、 3#管道表面有防腐層，直觀無(wú)法看見(jiàn)管道缺陷位置； 2#鋪設(shè)年份較久，表面腐蝕非常嚴(yán)重； 4#表面無(wú)明顯缺陷 ，5#有三處鋸槽（10×0.4×0.3 mm）， 6#有5處穿孔缺陷，其中2處同時(shí)含有兩個(gè)直徑6～7 mm孔洞（圖 7）。

圖7 檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和開(kāi)挖驗(yàn)證如圖 8所示。

（a）檢測(cè)結(jié)果

（b）開(kāi)挖管道

圖 8  現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和開(kāi)挖驗(yàn)證

在檢測(cè)段293 mm、 1 026 mm、 2 198 mm、2 481 mm、 2 931 mm、 3 495 mm處顯示異常信號(hào)。由圖 8可以看出， 3處區(qū)域的磁場(chǎng)梯度值變化明顯，信號(hào)趨勢(shì)突出。經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，腐蝕缺陷位置誤差小于5 cm，對(duì)于長(zhǎng)輸埋地管道可以接受。

2017年，用非開(kāi)挖弱磁檢測(cè)儀對(duì)內(nèi)蒙古某在役輸油管道進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)段距離3 600 mm，管道埋深1 600 mm，管徑89 mm，壁厚6 mm。利用減震平衡器輔助傳感器在管道上方采集磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果找出腐蝕嚴(yán)重的點(diǎn)，隨后開(kāi)挖驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖 9。

（a）檢測(cè)結(jié)果

（b）開(kāi)挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)

圖 9  檢測(cè)結(jié)果和開(kāi)挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)

可以明顯看出，在檢測(cè)段1 000 mm和2 300 mm處梯度信號(hào)突變。磁梯度變化值分別達(dá)到了500 nT 、700 nT。但是管道表面依然光滑，剖開(kāi)管道后發(fā)現(xiàn)管道為內(nèi)腐蝕，腐蝕深度占原始壁厚的74%。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)弱磁檢測(cè)和磁梯度張量檢測(cè)原理分析，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，得出缺陷判斷依據(jù)，磁梯度值超過(guò)閾值則判斷為缺陷。并對(duì)腐蝕類(lèi)缺陷進(jìn)行二維成像處理，將檢測(cè)結(jié)果更加直觀的顯示出來(lái)。

自主研發(fā)高精度埋地管道弱磁檢測(cè)儀，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和開(kāi)挖驗(yàn)證，表明對(duì)管道腐蝕有較高的檢出率，可用于在役管道腐蝕檢測(cè)和停運(yùn)管道隱患排查。

作者：余方林，男，碩士研究生，就讀于南昌航空大學(xué)教育部重點(diǎn)無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，主修儀器儀表工程專業(yè)。研究方向： 埋地管道非開(kāi)挖弱磁研究。