金属埋地管道被动式弱磁检测技术研究

饶晓龙，孟永乐，宋日生，胡　博，于润桥，*

（1.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌330063；2.西安热工研究院有限公司，西安710032；3.中国石油川庆钻探工程公司安全环保质量检测研究院，四川广汉618300）

金属埋地管道被动式弱磁检测技术研究

饶晓龙1，孟永乐2，宋日生3，胡博1，于润桥1，*

（1.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌330063；2.西安热工研究院有限公司，西安710032；3.中国石油川庆钻探工程公司安全环保质量检测研究院，四川广汉618300）

在埋地金属管道检测领域中，常规检测手段多采取接触式的，检测前需要先对管道进行开挖或是停运，难以满足工业检测要求。而被动式弱磁检测技术可以实现对埋地管道的非开挖检测。本研究在介绍被动式弱磁检测技术原理的基础上，通过改变测磁传感器与管道垂直方向之间的距离来模拟管道的实际埋深，通过试验数据的分析可以得出磁场强度、管道埋深和腐蚀深度之间存在指数关系。在此基础上，结合磁场梯度变化和概率统计的原理可以得出缺陷判断的依据，即当磁场梯度在（μ-2σ，μ+2σ）区间外变化时可判定为缺陷。与常规检测手段相比，被动式弱磁检测技术无需人为对管道进行磁化。在管道非开挖条件下，可以对埋地金属管道腐蚀状况进行科学评估，并实现二维成像。

金属管道；被动式弱磁检测；地磁场强度；腐蚀；二维成像

0　引言

随着我国经济的快速发展，国家对能源的需求日益高涨，致使金属埋地管道在石油石化、城市供暖等行业的使用越来越广泛。由于土壤具有腐蚀性，长期埋藏于其中的输油、输气和供暖等金属管道在长期的运行中不可避免的发生腐蚀，运营时间长的甚至可能导致传输介质的泄漏［1-2］。那么，在漫长的埋地管道中如何经济、简便地找出埋设管道中的腐蚀区及泄漏点，并对其腐蚀严重性进行科学评估就显得尤为重要。在国内，金属埋地管道检测的方法主要是根据经验来选择易产生应力集中和腐蚀的区段进行开挖，再配合常规的无损检测方法来检测，或是使用超声导波检测、涡流检测和瞬变电磁检测［3-5］等方法，这些方法难以对管道实现全检。尽管现今国内检测机构引进了不少国外的检测设备，但依旧难以满足检测的需要。在国外，对于金属埋地管道检测的方法主要有远场涡流、低频导波和管道猪等方法［6-8］，但这些方法都存在较大的局限性，对于金属埋地管道规格和管道是否在役等都有严格的要求，以至于在实际运用中都受到很大的限制。因此，对于现代工业中普遍使用的金属埋地管道，如何更加经济、简便、安全、科学地检测就成为当今管道检测业界的重要课题。因此，本研究对可以实现非开挖检测的埋地管道被动式弱磁检测技术进行了探索。

1　被动式弱磁检测原理

被动式弱磁检测技术是一种不需要外界对检测工件进行磁化，利用地球磁场穿过缺陷后产生的磁场变化进行无损检测的新技术。在国外，俄罗斯一直领跑该领域［9］，国内对这一领域研究较少，军械工程学院［10-11］、后勤工程学院［12］和浙江理工大学［13-14］等高校对此有所研究。被动式弱磁检测通过高精度的测磁传感器采集地球磁场穿透被检工件后的磁场强度，通过分析磁场强度的变化来判断被检工件内部和表面是否存在缺陷，它是一种完全被动式的检测技术，无需人为地对被检工件施加磁场［15-17］。

假设被检工件本身的磁导率为μ，工件内部不连续区的磁导率为μ'（图1），若是不连续区为高磁导率物质，即μ'＞μ，那么在测磁传感器通过该区域时，磁感应强度曲线会出现下凹现象；若是不连续区域为低磁导率物质，即μ'＜μ，那么在测磁传感器通过该区域时，磁感应强度曲线会出现上凸现象。

金属埋地管道中出现的绝大部分缺陷类型是腐蚀减薄，当管道某位置发生腐蚀减薄时，即相当于该处介质被低磁导率的空气和土壤等物质所替代，这必然影响穿透该区域的地球磁场，被动式弱磁检测就是基于此对埋地管道腐蚀等缺陷来进行检测的。

2　试验仪器

采用的试验仪器为实验室自主研发的被动式弱磁检测仪（图2）。该检测仪主要部分有测磁传感器、数据采集器和上位机。为真实模拟埋地管道现场检测条件，在实验室测试中将测磁传感器置于非铁磁性材料制做的伸缩梯上，通过调整伸缩梯的高度来模拟管道的埋深变化。在现场检测时，为保证测磁传感器的稳定性，将测磁传感器置于非铁磁性材料制做的轨道上，轨道置于待测金属埋地管道的正上方，测磁传感器沿着轨道滑行。

检测时，当被检管道本身不存在腐蚀及其他类型缺陷时，检测曲线变化应较为均匀。当被检管道存在腐蚀缺陷时，该区域磁场变化将发生异常，该磁场异常区域经数据分析软件处理后可以实现二维成像，并对腐蚀减薄的位置及深度进行定量研究。

图1　弱磁检测原理图Fig.1　Micro magnetic detection principle

图2　被动式弱磁检测仪Fig.2　Passive micro magnetic detector

3　试验研究

试验采用一根长1490 mm，外径59.2 mm，壁厚4.5 mm的输油管道，其上有人为加工的5个减薄类缺陷以及1个管体本身的自然缺陷。试验管剖面示意图如图3所示，各位置缺陷类型和腐蚀深度见表1。

图3　试验管尺寸图Fig.3　Size of test tube

表1　试验管的缺陷类型和腐蚀深度Table 1　The defect type of test tube and corrosion depth

为模拟埋地管道现场检测条件，将非铁磁性材料制作的伸缩梯升高到1 800 mm，将测磁传感器置于其上，试验管置于伸缩梯两肢之间，通过推动伸缩梯前进来采集穿透试验管的地球磁场数据，经数据采集器将数据传输至上位机。上位机内安装有专门为埋地金属管道检测开发的数据处理软件。考虑到埋地管道检测的现场因素，测磁传感器在检测初始和结束两位置会由于其突然的启动与停止，致使所采集的磁场信号发生严重的畸变，因此在分析软件的开发中将检测的初始和结束两处的信号进行一定距离的信号屏蔽，以避免其对整体检测结果的干扰。整体采集的数据经软件处理后显示原始信号和检测结果，如图4所示。

图4　提离高度为1 800 mm的检测Fig.4　Detection of lift-off 1 800 mm

被动式弱磁检测过程中所获得的磁信号处理常用的方法是对信号进行梯度处理，这一方法有利于缺陷信号的识别。空间磁场梯度表示磁场强度沿着空间某方位的变化率，用表示。磁场梯度为矢量，其方向为磁场强度变化最大的那个方向。在均匀磁场中，在非均匀磁场中0。埋地金属管道被动式弱磁检测仪所采集的磁信号为被检管道正上方空间磁场信号。本研究通过磁场梯度与概率统计相结合的方法来分析所采集到的磁场信号。空间磁场强度的磁场梯度在（μ-2σ，μ+2σ）区间上的概率为0.9545，这一原理可以用来识别缺陷信号。当磁场梯度超过所设定缺陷判断阈值限时则设定其为缺陷。根据概率统计的原理，若原始磁信号为H，原始磁信号均值为，信号方差为σ，缺陷判定依据为:

由原始信号可发现，在A、B、C、D、E和F六个位置处发现明显的磁异常现象（图4a），通过数据处理软件分析得出检测结果（图4b）。对该试验管分3个不同提离高度分别进行3次检测，结果如表2所示。

表2　试验管多次测试数据汇总Table 2 Detection data summary of test tube

埋地金属管道被动式弱磁检测仪中设置有多个测磁传感器，分别记录管道上方各位置的空间磁场强度。检测的数据通过MATLAB软件拟合后可以得到管道腐蚀深度d、管道埋深h和磁场强度H之间满足指数关系。

若埋地金属管道被动式弱磁传感器组中单个测磁传感器数为n，那么，第i号测磁传感器所得的腐蚀深度为:

则最终得出的腐蚀深度为:

通过多次的试验可以得出，埋地金属管道被动式弱磁检测技术最小可检测占壁厚1/8的腐蚀，检测裂纹缺陷时，最小可检测1 mm深的裂纹类缺陷。

通过表2的数据统计，结合试验管实际缺陷参数可以得出，该检测技术对管道的腐蚀减薄缺陷的检出率较高，缺陷定位及缺陷深度定量还存在误差，这主要是由于人工推动伸缩梯的过程中难以保证全过程速率不变。从检测的检出率及重复性的角度来说，该检测技术还是可信的。

4　现场试验

2015年1月，在东北某地使用该系统对在役埋地输油管道进行现场试验，管道埋地深度为1500 mm，管壁厚度为7 mm，管外径为323 mm，单次扫查长度为6000 mm。使用探管仪找到管道埋设走向后，通过在管道上方架设非铁磁性材料制作轨道，让测磁传感器在轨道上驶过管道上方，连续测试多次，测试结果都是大致相同的。在约3100 mm位置发现磁场异常信号，现场检测结果及开挖验证如图5所示。在降低检测灵敏度后发现该处检测信号依旧存在，因此判断该处异常是由对接焊缝造成。开挖验证证实了这一判断。

2015年3月，在华北某地区利用该系统对埋地输油管道进行现场试验，管道埋深800 mm，管壁厚度为4.5mm，管外径为68mm，其中一段检测区域长度为3.8 m。使用探管仪找到管道埋设走向后，通过在管道上方架设非铁磁性材料制作轨道，让测磁传感器在轨道上驶过管道上方，连续测试多次，测试结果大致相同，现场检测结果及开挖验证如图6所示。在293、1 026、2 198、2 481、2931、3495 mm位置处显示出有腐蚀减薄异常。开挖验证发现，在307、1 014 mm两处有穿孔类缺陷，在2204～3 512 mm范围内存在面积型腐蚀，在这一范围内不同位置腐蚀深度存在差异，除几处腐蚀较深外，大部分区域腐蚀深度低于检测系统的最小检测深度。开挖结果与检测结果大致对应，腐蚀位置存在误差，产生这一误差的原因主要是由于测磁传感器在轨道滑行过程中速度不一致导致的。在现场管道检测中，这一误差对于漫长的埋地管道来说是可以接受的。

图5　东北某地现场检测Fig.5　Scene test of somewhere in the northeast

图6　华北某地现场检测Fig.6　Scene test of somewhere in the north China

5　结论

1）通过被动式弱磁检测原理以及测试信号的特点，结合磁场梯度变化和概率统计的原理可以得出缺陷判断的依据，即当磁场梯度在（μ-2σ，μ+2σ）区间外变化时可判定为缺陷。此外，被动式弱磁检测采集的管道空间磁场强度、管道埋深和管道腐蚀深度之间满足指数关系。

2）通过实验室试验和现场验证表明，被动式弱磁检测仪对金属埋地管道常见腐蚀减薄及管体缺陷有很好的检出率，对于检测现场条件也有很好的适应性，无须开挖，检测效率高，相比于其他检测手段可操作性较好。

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Buried Metal Pipeline Detection Based on Passive Micro Magnetic Technology

RAO Xiao-long1，MENG Yong-le2，SONG Ri-sheng3，HU Bo1，YU Run-qiao1，*
1.Key Laboratory of Nondestructive Testing（Ministry of Education），Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an 710032，China；3.Safety Environmental Quality Supervision Detection Institute of Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Sichuan Guanghan 618300，China）

In the field of the buried metal pipeline detection，most of the conventional detection is a contact.It is necessary to excavate and stop running before detection.So it is difficult to meet the requirements of industrial detection.Passive micro magnetic detection technology can realize the buried pipeline trenchless detection.In the basis of the principle of the detecting technology，the distance between the magnetic sensor measurement and pipes is to simulate the actual depth of the pipe.It is found that the relationship between change of the magnetic intensity，the depth of pipeline，and corrosion depth which through the pipe after a lot of date of experiment are analyzed.On the basis of this，combination of gradient magnetic field and the principle of probability and statistics can draw defect judgment basis，that is when the magnetic field gradient in the interval（μ-2σ，μ+2σ）to change the defects can be judged.The conclusion shows，compared with conventional detection methods，the passive micro magnetic technique doesn't have to artificial magnetize the pipe in advance，which guarantees of buried metal pipeline corrosion condition of scientific assessment and realize the detection of 2D imaging in the condition of non-excavation.

metal pipeline；passive micro magnetic；magnetic intensity；corrosion；detection of 2D imaging

TM154

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.002

1673-6214（2016）02-0072-05

2016年1月16日

2016年3月27日

国家自然科学基金（51565043）；江西省青年科学基金（20151BAB216016）

于润桥（1963年-），男，教授，主要从事电磁检测等方面的研究。