金属磁记忆技术在埋地金属管道应力集中区检测中的应用

杨 勇，尹春峰，姬 杰

（中石化股份胜利油田分公司技术检测中心，山东东营 257000）

金属磁记忆技术在埋地金属管道应力集中区检测中的应用

杨 勇，尹春峰，姬 杰

（中石化股份胜利油田分公司技术检测中心，山东东营 257000）

在埋地金属管道检测中，非开挖状态下如何检测应力集中区是一个亟需解决的问题。金属磁记忆技术可以检测地磁场作用下的埋地金属管道应力集中区，通过分析检测到的管道表面磁场法向分量及其梯度值可确定应力集中区位置。利用TSC-4M金属磁记忆检测仪分别对位于小区占压、林地和穿跨越区域的埋地管道进行了应力检测，管道应力集中区检测结果与开挖验证结果相符。检测结果表明，金属磁记忆检测技术可以在非开挖状态下进行埋地金属管道应力集中区检测，能够对管道进行早期诊断，检测结果准确可靠。

埋地管道；应力集中区；金属磁记忆；无损检测

0 引言

输油气管道在实际工程应用中不可避免地会受到疲劳失效的威胁[1]。由于疲劳裂纹大多数位于管道表面或者近表面的应力集中区域，且管道中存在的腐蚀等微观缺陷也会导致应力集中，因此实施应力检测不仅可以检出腐蚀等缺陷，还可以对管道缺陷进行早期预警。

20世纪90年代，俄罗斯学者杜波夫首先提出利用金属磁记忆效应进行金属材料应力检测[2-3]。金属磁记忆检测技术是一种全新的无损检测手段，该技术主要利用铁磁性金属管道在地磁场中所产生的磁记忆效应，通过对管道表面磁场法向分量进行检测，以确定被检管道的缺陷和应力集中区。

本文利用金属磁记忆技术检测某输油处所辖管道，结果证明，该技术是一种行之有效的管道应力状况检测手段，利用该技术可以分析判断管道的疲劳损伤状态。

1 管道应力集中区金属磁记忆检测原理

铁磁性金属材料在应力作用下，其内部会产生位错形成滑移，在材料内部产生应力集中。金属材料中的应力集中区在地磁场作用下，将发生磁畴的自发转动，形成磁极，以磁性能的形式来抵消掉部分应力集中带来的弹性能量。即对于铁磁性金属来说，磁机械效应和磁弹性效应的产生是为了降低体系本身的自由能，其结果必然会在金属管道表面形成特定的漏磁场，从而产生磁记忆效应[4-7]。漏磁场强度的计算公式为：

式中Hp——漏磁场强度/（A/m）；

λH——磁弹性效应的不可逆分量；

μ0——真空磁导率/（N/A2）；

Δσ——周期性外加载荷/MPa。

该漏磁场在应力集中区域，其切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）会改变符号，并具有零值点。因此，利用金属磁记忆仪器通过测定铁制工件表面Hp（y）的变化，便可以准确地推断出铁磁性构件内部残余应力的大小和区域，如图1所示。通过测量金属表面漏磁场的分布特征，就可以得到金属构件应力集中区域的分布以及大小，达到检测应力集中区及缺陷位置的目的。

图1 金属构件应力集中区磁记忆效应Hp检测原理示意

另外，在金属构件缺陷区域的应力集中区，漏磁场的法向分量Hp（y）变化剧烈，因此还可以用磁场梯度值K来判断该金属构件的缺陷或应力状况。

式中K——磁场梯度值；

ΔHp（y）——相邻两检测点之间漏磁场的变化值/（A/m）；

Δlk——传感器的采样长度/m。

由式 （2）可知，在其他条件相同的情况下，梯度值越大的区域存在的缺陷或应力就越大。

2 检测结果及分析

利用金属磁记忆检测仪分别对位于小区占压管道区段、林地以及穿跨越区域的埋地管道进行了应力检测，检测示意见图2。检测设备选用俄罗斯动力诊断公司研制的TSC-4M-16金属磁记忆检测仪以及非接触检测探头，探头由4个3通道传感器组成；现场检测对象为某输油处所辖长输管道的一段，该段管道为16Mn螺旋焊缝钢管，壁厚为8 mm。

图2 埋地金属管道检测示意

图3 占压管道区段金属磁记忆检测结果

占压管道区段位于某小区院内，被测管道从小区五层住宅楼下穿越 （分别占压管道18 m），检测管段为住宅楼两侧，检测结果见图3。从检测结果来看，被占压管段检测到的磁场信号变化较为平稳，未见明显的异常。12道磁场接收数据都未发现过零点的现象，仅在距检测起始点约2.0 m处发现干扰信号，如图3中红色方框标出位置。经现场分析，发现该处磁场异常信号是由于管体侧上方存在铁制下水道井盖所致。

利用金属磁记忆检测仪TSC-4M-16检测林地区段的管道应力结果如图4所示。检测结果表明，距检测起始位置4.6 m附近的第10通道磁场信号存在过零点现象，并且该通道磁场梯度值较大，超过规定极限值。开挖验证结果如图5所示，开挖结果表明该处管段存在一条螺旋焊缝。经分析判断，管道在该处的应力集中是由于焊缝处存在缺陷所致。在检测管段的其他位置未发现应力集中区域。

图4 林地中管道金属磁记忆检测结果

图5 林地中管道开挖验证结果

管道穿跨越区段开挖验证结果及金属磁记忆检测结果如图6、7所示。由检测结果可知，该处检测到的多道磁场信号都存在过零点现象 （如第1、2等通道信号），但是对其信号梯度进行分析均未发现超过规定极限值。对第10道磁场信号距起点位置约2 000 mm处进行梯度求解发现，该处磁场梯度超过规定极限值，判断该处可能存在应力集中区。开挖验证结果表明该处存在一条螺旋焊缝。由此可知，该处应力集中是由于焊缝处存在的缺陷所引起的。另外，根据图6所示检测结果可知，仅仅依据Hp（y）信号过零点即判定该处构件存在应力集中会导致误判，判定存在应力集中还应以多道信号梯度值超过规定极限值作为参考依据。

图6 管道穿跨越区段开挖验证结果

3 结束语

埋地金属管道应力集中部位信号的基本表征为Hp（y）的突变区和 Hp（y） 梯度突变区。 由于管道应力集中区可能存在多种金属磁记忆效应的叠加，因此Hp（y）曲线在该处不一定过零点，所以不能单纯依靠Hp（y）曲线过零点来判断该处是否为应力集中区，应结合Hp（y）梯度值进行判定。

图7 管道穿跨越区段金属磁记忆检测结果

在非开挖状态下，金属磁记忆检测技术无需进行专门磁化即可对埋地金属管道表面应力集中部位进行检测，且检测结果与开挖验证结果相符。

[1]王毓民.天然气管道事故初步统计与分析[J].管道运输，1996,1（3）：10-12.

[2]Dubov A A.Diagnostics of mental items and equipment by means of mentalmagneticmemory[A].ProceedingoftheChSNST7thConference on NDT and International Research Symposium[C].Shantou,China：ChSNST，1999.181-187.

[3]冷建成，徐敏强，邢海燕.铁磁性构件磁记忆检测技术的研究进展[J].材料工程，2010，（11）：88-93.

[4]梁志芳，李午申，王迎娜，等.金属磁记忆信号的零点特征[J].天津大学学报， 2006，39（7）：847-850.

[5]任吉林，陈晨，刘昌奎，等.磁记忆检测力—磁效应微观机理的试验研究[J].航空材料学报,2008，28（5）：41-44.

[6]王丹，董世运，徐滨士，等.静载拉伸45#钢材料的金属磁记忆信号分析[J].材料工程,2008，（8）：77-80.

[7]张为民，董韶平，杨煜等.磁记忆检测方法及其应用研究[J].北京理工大学学报，2003，23（3）：277-280.

Application of Metal Magnetic Memory Technique in Detecting Stress Concentration Zone of Buried Metal Pipeline

YANG Yong（SINOPEC Shengli Oilfield Technology Inspection Center,Dongying 257000,China），YIN Chun-feng，JI Jie

∶How to detect the stress concentration zone in a buried metal pipeline is a problem to be solved urgently.The metal magnetic memory （MMM）technique can detect the stress concentration zone in a buried pipeline under the action of earth magnetic field.The stress detections using TSC-4M metal magnetic memory detector for the buried pipeline sections passing through pressed pipeline area,woods and pipeline crossing area were carried out respectively.The excavation verifications for stress concentration zones were compliant with the detected results.The results show that the MMM technique can detect the stress concentration zone in buried metal pipeline under non-excavation condition and is able to conduct early diagnosis for metal pipeline with accurate and reliable results.

buried pipeline;stress concentration zone;metal magnetic memory;nondestructive testing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.015

杨 勇 （1978-），男，山东夏津人，2009年毕业于中国石油大学 （北京）地质资源与地质工程专业，现从事管道腐蚀检测评价工作。

2011-08-15