非接触式磁力检测技术在原油管道检测中的应用

索杏兰

中国石化西北油田分公司油气运销部，新疆库尔勒 841000

为了避免管道发生腐蚀泄漏失效，采用科学、有效的检测技术对管道防腐层的完整性、管体腐蚀现状及环境腐蚀性等进行系统、全面的检测与评价，排查出管道高风险段及高后果段应力集中状况，为管道的完整性管理提供可靠依据[1]。许多在役长输油气管道由于其结构特点或者敷设条件的限制而无法实施内检测，对管道的安全运行造成了潜在的威胁，长输油气管道使用现状的诊断已经成为一个迫切的问题，非接触式状态下如何检测管道缺陷也是一个亟需解决的问题。

非接触式磁力检测技术是在俄罗斯学者杜波夫提出的金属磁记忆概念基础上发展起来的埋地管道检测新技术[2]，可全面有效地检验检测与评估高风险区域管段的应力集中、腐蚀、缺陷等现状，从而实现在役管道安全、可靠地稳定运行。

1 非接触式磁力检测技术介绍

1.1 检测原理

磁应力检测工作的原理基于维拉里效应（VILLARI EFFECT，磁弹性效应），维拉里效应是指由于受到材料变形和内部应力的影响，铁磁材料磁化强度发生变化的物理现象[3]。运用磁力计对磁场异常进行识别，磁力计组件建立在薄膜磁阻传感器的基础上，测量空间四个点上的磁感应强度矢量，通过获取因管体缺陷导致的管道漏磁场变化信号，检测相应的金属应力变化和几何形变，结合纵向坐标（相对于检测零点）和角坐标（相对于管道圆周），确定管道缺陷（群）和位置，达到以非接触的方式来诊断油气管道的目的[4-5]。其检测原理示意见图1。

图1 检测原理示意

引起管道磁场变化的状况有局部损伤、裂纹、伴随金属损失的腐蚀缺陷、管道工艺缺陷、金属剥离、折痕、变形引起的几何形变、连续性的损失、焊接接头缺陷等。在检测过程中，检测系统会按照所采集到的数据制作成相应的磁场强度记录图，通过解读该记录图中各项参数的变化来对管道进行诊断[6]。

1.2 检测工具

本次检测使用的检测工具为KMD-01M非接触磁力检测仪，该设备是由POLYINFORM专家创建的一种创新设备，KMD-01M非接触式磁力诊断系统适用于诊断带压干线、油田油气和输水钢质管道，不适用于管内诊断。KMD-01M系统的作业是基于记录和测量由局部损伤和应力应变状态改变引起管道磁场振动的参数，主要有以下优势：

（1）使用基于各向异性磁阻效应的高灵敏度变换器。

（2）磁阻纳米级变换器具有低噪音的特点，保障高选择性和抗干扰稳定性，可以在电力线路、电力地下电缆、电力电气设备附近工作。

（3）能够在计算机屏幕上实时诊断过程中观察到的地磁记录图。

（4）结合磁场图形矢量结构，应用梯度测量方法，以补偿地球背景磁场的影响，并测量更多与缺陷相关的磁场波动参数。

（5）在管道上高精度定位，精度高达0.5 m。

（6）采集和处理信息的独家软件保障系统的移动工作模式，还可以使用现有数据库处理所得信息。

1.3 检测条件与检测遵循的标准

（1）检测条件。第一，管道埋深≤10倍管径；第二，管径≥100 mm；第三，管内输送介质压力≥1 MPa。

（2）检测遵循的标准。检测缺陷危险评估根据磁异常综合指数F确定，根据综合指标F，评价检测到的缺陷危险性。该指标是使用POLYINFORM股份公司的专利软件，考虑到振幅、磁场矢量分布形状、异常长度、操作和设计压力、管道检查日期及投产时间，通过特定公式计算得出的。依据是俄罗斯联邦矿工业委员会批准制订的РД102-008-2002《非接触式磁力扫描方法进行管道技术状况诊断指南》，根据磁异常综合指数F确定了3个危险等级[7]，并给出了针对3类危险等级应当采取的维护策略。磁异常综合指数F分级标准和等级见表1。

表1 磁异常综合指数F分级标准和等级

Ⅰ级缺陷：是金属缺陷和机械应力的结合，相当于超过相应管道技术标准较大。这种管道属于紧急情况，需要优先修复。

Ⅱ级缺陷：是金属缺陷和机械应力的结合，相当于超过一定的管道技术标准，但不会很快发生事故，这种管道的特点在于可靠性降低，需要列入计划修复。

Ⅲ级缺陷：相当于良好的管道技术状况（无关紧要的缺陷或者应力集中区）。这种管道可以在监控缺陷发展和应力集中增长的情况下，无需修复继续运行。

2 检测技术的应用

2.1 管道概况

某油田原油外输管道于2003年10月建成投产，全长20.8 km，管道规格D 323.9 mm×7.1 mm，设计压力4.0 MPa，管道本体材质L360，防腐层采用环氧富锌底漆加厚浆型环氧煤沥青面漆，防护层采用聚乙烯夹克层。管道沿线途径井站8处，穿越季节性河流1条，穿越沟渠4处，穿越沥青路4条，穿越砂石路23处。

该管道输送的原油属于高含硫化氢重质原油，随着服役时间的延长，在运行过程中该管道的内外腐蚀情况较为严重，管道腐蚀穿孔的频率逐年增加，急需进行一次彻底系统的检测，根据检测结果进行维护、维修。

2.2 检测过程

检测人员首先使用管道定位仪对管道进行探测定位，同时基于最近基准点利用GPS进行管道路由及距离测量。然后使用KMD-01M检测仪沿着管道的路由进行现场数据采集，同时标记磁异常点位置。在诊断作业过程中，KMD-01M系统高精度自动绑定检测到的异常GPS坐标，在每个测量周期结束时生成记录到的异常坐标的电子地图。在完成现场磁力层析数据的采集后，将检测数据输入检测软件进行分析处理，形成检测结果，确定管道沿线磁异常强度和综合指数分布，准确确定管道金属缺陷与机械应力综合作用下的应力集中敏感区域、缺陷状况与等级，根据分析的结果在现场实施开挖验证工作[8]。

2.3 检测数据分析及结果

采用KMD-01M检测仪对20.8 km管道进行检测，该区段的地球磁场强度背景值54500 nT（纳特斯拉），检测到的磁场异常幅度为2000～23000 nT。根据管道上方的磁场变化情况，并且结合现场实际情况，最终形成管道磁异常位置GPS坐标、等级维修建议、预测及检测到的缺陷状态值等结果[9]，部分磁异常检测结果如表2所示。检测发现103处磁场异常，其中评价立即修复的有3处，评价为监控降压使用的有7处，评价为继续使用的有93处。

2.4 开挖验证

对管道检测结果异常等级不同的位置进行开挖验证，目的是一方面判断磁应力技术在检测时对异常点的定位是否准确，另一方面判断检测评价的等级与仪器直接检测的结果是否吻合[10]。

表2 部分磁异常点明细

（1）开挖验证的方式。第一，开挖坑长度应为以异常点为中心前后各2.0 m，深度应至少在管道底部0.5 m以下，并在管道两旁各留出1.0 m宽度。第二，使用接触式磁力检测仪对管道上的应力情况进行检测，划分应力集中区域。第三，去除管道防腐层，通过目测观察缺陷点周围状况，查找缺陷点位置，观察缺陷点腐蚀产物及状况等，使用焊缝尺对腐蚀坑深度进行检测。第四，使用超声波测厚仪对管体3、6、9、12点钟位置（顺着油流方向）进行壁厚测量，根据测量结果判断管道金属损失量。

以下将评定等级为Ⅰ级的磁场异常点8号、31号进行开挖验证说明。

（2）8号异常点探坑开挖及测量情况。开挖坑中发现焊缝区密集腐蚀坑和管内底部点蚀，密集腐蚀坑恰好位于根据非接触式诊断数据所标记的位置上。在焊缝区，尺寸为200 mm×300 mm，最大深度达5 mm，位于3～6点钟位置，最大壁厚损失达45%；在管内底部发现了壁厚急剧变化区，根据超声波测厚仪数据发现管内底部点蚀，剩余厚度为3.9～5.5 mm。超声波检测值如表3所示，现场检测图片如图2、3所示。

表3 8号异常点超声波检测值/mm

图2 管体6点钟区域密集腐蚀坑

图3 缺陷区段的磁强度记录

（3）31号异常点探坑开挖及测量情况。开挖坑中发现焊缝区密集腐蚀坑和焊缝机械损伤。密集腐蚀坑和机械损伤恰好位于根据非接触式诊断数据所标记的位置上。根据超声波测厚仪数据发现该坑中全部管体存在轻微腐蚀，最小剩余壁厚为6.8 mm。密集腐蚀坑区位于焊缝区，尺寸为300 mm×200 mm，位于12～3点钟位置，最大壁厚损失不超过10%，但腐蚀面积达到75%。超声波检测值如表4所示，现场检测图片如图4、5、6所示。

表4 31号异常点超声波检测值/mm

图4 管体3点钟区域密集腐蚀坑

（4）开挖验证结论。非接触式磁力检测技术在操作风险低、不影响管道本质安全的情况下，对缺陷定位准确，间接检测缺陷定级与开挖检测找到的缺陷类型和危险程度基本吻合，磁异常缺陷段检出率达到90%以上，磁异常缺陷定位准确度达到85%以上（定位误差在2.0 m范围以内）。

图5 管体12点钟区域焊缝机械损伤

图6 缺陷区段的磁强度记录

3 结束语

非接触式磁力检测技术，可以简便易行地对管道本体的现状实施检测，避免采取在内检测以及其他检测方式前，需采取管道开挖、管道清管、安装收发球装置等大量准备工作。该技术也存在容易受外部铁磁性材料信号干扰、需要在开挖条件下配合其他无损检测技术才能准确定位缺陷点位置等的局限性[11]。总之，非接触式磁力检测技术是一种有效的管道本体直接检测技术，可对高风险段、高后果段提出维修建议及措施，也可作为管道内检测的验证性、补充性检测手段，共同实现管道完整性检测。