外径1 422 mm、X80高钢级输气管道的消磁技术

刘少柱 徐葱葱 李景昌 齐健龙 张洪雷 于 雷 王 强 陈久龙

1.中国石油管道公司 2.中国石油管道公司大庆输油气分公司 3.中国石油管道公司呼和浩特输油气分公司

0 引言

油气长输管道属于铁磁性材料，在运输、建设、运行维护等过程中，受外部因素影响会导致管道存在剩磁现象，当剩磁较大时，容易使得管口组对焊接时发生磁偏吹，有可能影响焊接施工进度和焊接质量[1-2]。管道用钢管出厂前，制造厂家会对钢管剩磁进行检测和处理，以满足管道建设要求，如《管线钢管规范：API Spec 5L》[3]及国家标准《石油天然气工业 管线输送系统用钢管：GB/T 9711ü2017》[4]均规定了管线钢出厂的剩磁要求，钢管端部采用高斯计沿周向均匀测量4点读数，4点读数的平均值应不高于3 mT，并且任一读数不应超过3.5 mT[5]。俄罗斯管道焊接时，将管道剩磁分为弱、中和高3个级别，弱剩磁的磁感应强度不大于2 mT，焊接时不需要采取消磁措施；中剩磁的磁感应强度为2～10 mT，焊接时需要消磁；高剩磁的磁感应强度大于10 mT，焊接时也需要消磁。以上标准给出了焊接中不同的消磁要求，为保证焊接质量，应尽量降低管道的剩磁强度以满足焊接要求[6]。同时，为了更实际地掌握剩磁对外径1 422 mm、X80管道焊接的影响，以及了解磁感应强度空间分布规律和磁感应强度的经验判断方法，迫切需要开展相关研究，以期更好地指导管道消磁焊接作业。

另外，在管道维抢修作业过程中，由于管道服役期间清管、内检测等因素影响，管端剩磁较大，部分剩磁强度可达数百mT，难以满足管口组对焊接要求，需要采取有效措施消减管道剩磁。2017年，国内某外径1 219 mm管线发生突发泄漏事件需要紧急换管抢修，在管口组对焊接过程中，由于管体带磁量高达近300 mT，导致抢修队伍携带的两台以及紧急调用的两台消磁设备均因功率不足而烧毁，严重影响了现场抢修进度。结合多年来管线动火和应急抢修实践经验，在均进行过内检测等同等条件下，输气管线一般随口径、壁厚的增大和钢级增高，带磁量也会增大。中俄东线天然气管道工程作为国内首条外径1 422 mm、X80钢级管道，其在后期维抢修过程中，管道消磁将带来较大挑战，尤其是目前面临着国内市面上大部分消磁设备性能不佳、无法消除管道强磁等问题。因此，深入探讨并掌握消磁方法选择、消磁设备选型、现场消磁技术应用等显得尤为重要。

1 管道剩磁产生原因

管体受到外部磁场影响时，会存在一条磁化曲线和磁滞回线（图1）。管壁在外部磁场作用下，磁化曲线为图1中的OS段。当外部磁场强度大于Hs，管壁的磁感应强度达到了饱和磁化状态Bs。当外部磁场去除后，此时管壁的磁感应强度随SBr减弱，使得管壁中存有剩磁[7-8]。

图1 管道磁化和磁滞曲线示意图

管道外部磁场可分为环境磁场和工艺磁场两种类别，环境磁场主要是在管道生产、加工、运输等过程中，受外部环境因素形成的磁场；工艺磁场主要是管道在检测、装配、生产等过程中，使管道感应上一定磁性。管道外加磁场产生的主要原因如表1所示[9-10]。在实际工程中，管道剩磁产生因素较为复杂，通常是由多种因素共同导致，管道口径越大、管线越长，管道端口处积累的磁感应强度越强，对消磁设备的能力要求越高。

表1 管道外加磁场产生因素表

2 管道消磁技术现状

根据消磁原理的不同，常用的消磁方法包括导通磁感线法、打乱磁畴分布法以及抵消磁感线法（表2）。其中导通磁感线法是通过连接两个管口，使管口本身的磁力线沿着连接处导通，从而减小焊口处的磁场强度，该方法仅适用于磁感应强度较低的情况[11-12]。打乱磁畴分布法有加热法和交流消磁法等，通过将管口加热至居里点，或通过由强至弱不断衰减的交变磁场，从而使剩磁减小，但该方法难以完全消除管道内部的剩磁[13-15]。抵消磁感线法通过在管壁上增加与管道剩磁磁场方向相反、大小相近的外部磁场，从而抵消管道端口的磁感应强度，实现管口消磁[16-18]。

表2 管道常用消磁方法统计表

3 外径1 422管道消磁试验

目前，国内部分外径1 219 mm、X80钢级在役输气管道最大剩磁已超300 mT，中俄东线采用外径1 422 mm、X80钢级、大壁厚钢管，受各种因素影响，其管口剩磁量将会更大，需要选用适宜的消磁方法和消磁能力强的消磁设备。鉴于以上各消磁方法对比，将重点研究直流消磁方法和设备对于大口径、高钢级管道的适用性。试验采用两段中俄东线建设用外径1 422 mm、X80、壁厚21.4 mm的钢管，管道端口组对并缠绕消磁线圈（图2），模拟实际消磁作业现场，开展不同直流消磁设备的消磁试验。另外，为进一步验证剩磁对外径1 422 mm、X80管道焊接的影响，明确能够满足焊接要求的最小剩磁强度，以及给出磁感应强度的经验判断方法和空间分布规律，开展了系列试验。

图2 线圈缠绕示意图

3.1 直流消磁机加磁试验

直流消磁机通过调整缠绕线圈中电流方向，形成与管道剩磁方向相反的外部磁场，并通过调节消磁机功率即线圈电流大小，从而减小管端磁场强度，因而直流消磁机产生磁场强度的能力同样反映了其消磁能力[19]。本次试验采用了目前国内外较典型的4种不同型号的直流消磁设备进行对比，4种设备的性能和安装参数如表3所示。

表3 消磁试验设备性能及安装参数表

试验中分别将各消磁机的线圈缠绕在一侧管口，测量管口初始磁感应强度，将各消磁机功率调至最大，分别沿管口圆周均布的四点位置测量运行2 min、5 min、15 min和25 min后的磁感应强度，并取4点平均值衡量各消磁设备的最大加磁能力，具体试验数据如表4所示。根据H=nI（n表示单位长度上的圈数；I表示电流大小，A），I和n越大，则产生的磁感应强度越大。通过比较可看出直流消磁机产生的磁感应强度最大约为490 mT，即可满足管道剩磁小于490 mT的消磁需求；当管道剩磁较大时，可采用多个消磁机直流线圈叠加的方式进行消磁，基本可满足大口径管道消磁要求[20]。线圈工作温度是消磁机的一个重要参数，电流增大，线圈温度随着增加，若线圈直径过小、电流过大易烧坏电缆，宜选用工作状态下线圈温度较低的设备。另外，电缆温度越高，电阻越大，在电压一定条件下，电流会变小，使得产生的磁感应强度大小产生波动，一定程度上导致设备功率效能下降。设备D和设备B虽额定功率一致，但设备D电缆传导性能较B差，使得实际作业时，设备D电缆温度较高，影响了其实际消磁性能。由表4可以看出，设备A在加磁过程中加磁量最大，能够达到490 mT，且呈现良好的稳定性；4台消磁机随着时间的延长，最大负荷状态下产生的磁场强度逐渐减小，而A和B具有电压自动补偿功能，从而尽量避免波动，具有更好地消磁稳定性。因此，管道企业针对外径1 422 mm、X80管道选用消磁设备时要充分考虑设备的消磁能力及稳定性等因素。

表4 直流消磁机试验数据表

3.2 直流焊机消磁试验

采用的直流焊机额定输出电流/电压为400 A/36 V，在管道管端缠绕焊机焊把线（50 mm2多股铜芯线），并采取Ø3.2 mm、J507焊条实现焊机连续焊接，分别通过调整焊机电流和焊把线缠绕圈数，分析电焊机焊把线管口消磁的影响因素。

试验采用高斯计沿管口周向均匀测量4点磁场强度，并取平均值，得到如表5所示的试验数据。在焊机焊把线缠绕圈数一定时，随着焊把线内电流变大，其形成的磁感应强度也增强；在焊把线内电流一定时，随着线圈缠绕圈数越多，其形成的磁感应强度也随之增大。但相比专用的直流消磁设备，直流焊机消磁能力较弱，且消磁前需要对管口剩磁磁场方向进行检测，通过调整线圈缠绕方向、匝数和焊接电流大小，方可实现消磁；另外，为保证直流焊机持续进行消磁，需要焊把线线圈内一直通过电流，即焊机需持续焊接作业，特别是管口剩磁较大时，焊把线内焊接电流较大，消耗大量焊材。因此，直流焊机消磁法可在无专用消磁机且剩磁强度较弱的情况下，作为一种备选的消磁方法。

表5 直流焊机加磁试验数据表

3.3 磁感应强度对焊接影响试验

在试验管道管口选择9点钟位置作为试验位置，使用高斯计测量并调整消磁机参数使管口处磁感应强度满足试验需求，采用一名焊工在该点使用焊条电弧焊在不同磁感应强度下进行焊接作业并记录对焊接的影响，结果如表6所示。多次试验数据表明，在管口磁感应强度低于5 mT时，才能够进行施焊，否则焊接质量将无法保证，易造成焊接缺陷。因此，油气管道焊接前磁场强度应当低于5 mT，才能满足焊接要求。而对于更严格的焊接要求，必须达到国家和国际标准要求的3 mT以下才允许施焊。

3.4 磁感应强度吸附焊材试验

在管口选择6点钟位置作为试验位置，使用高斯计测量并调整消磁机参数使管口处磁感应强度满足试验要求，此次试验针对不同磁感应强度下使用不同重量焊材开展吸附试验，找出磁感应强度与可吸附焊条长度的规律。在以往现场焊接消磁作业时，焊工会经验性的通过将焊条吸附到带磁管口处，然后调节消磁机直至焊条自由掉落，从而证实管口实现消磁。这种方法在无专用磁感应强度测量工具时，比较切实可用。为进一步将焊条吸附能力和剩磁强度结合起来，更科学的给出剩磁的人工经验判断方法，开展了相关试验，具体数据如表7所示。通过表7的试验数据可看出，管口磁感应强度在低于5 mT时，对焊材几乎无吸附现象，随着磁感应强度增大，也给出了可吸附的焊条长度，为判断管口磁力大小提供依据。

表6 不同磁感应强度对焊接的影响表

表7 焊条吸附能力表

图3 磁感应强度随空间位置变化规律图

3.5 磁感应强度分布规律

在管口选择6点钟位置作为试验位置，使用高斯计测量并调整消磁机参数使管口处6点钟位置磁感应强度达到10 mT，在试验点位置使用高斯计沿管口轴向和周向方向不同距离测量磁感应强度变化并记录，找出不同空间位置磁感应强度的变化规律（图3）。通过试验数据发现，当沿管口轴向方向移动至1.2 m时，测得磁感应强度为0.8 mT；当沿管口周向方向，测得3、9和12点钟磁感应强度值各不相同。因此，轴线方向管口处磁感应强度最大，随着距管口距离增加，磁感应强度近似线性减弱，故测量管口磁感应强度时应尽量靠近管口端部，提高测量准确率；周向方向受管口组对间隙大小不均匀影响，各位置磁感应强度存在差异，组对间隙越小，磁感应强度越大，故在焊接过程中，需要局部微调消磁机功率，从而满足不同位置消磁要求。以上数据可为消磁人员明确磁感应强度对作业区域的影响提供参考。

4 结束语

随着近年来长输油气管道的快速发展以及内检测技术的广泛应用，在动火连头及抢修换管作业过程中，如何有效消除大口径、高钢级管道剩磁，避免管口剩磁对于焊接的影响，是亟待解决的工程实际问题。管道剩磁产生原因复杂多样，消磁技术及原理也不尽相同，在分析各种消磁技术基础上，针对大口径、高钢级管道归纳总结了不同消磁方法的优缺点，开展了系列直流消磁试验，明确了直流消磁设备的适用性，并开展磁感应强度经验判断方法、对焊接影响和空间分布规律试验，得到以下结论：

1）现有直流消磁设备消磁能力差异较大，试验所选用的A型号直流消磁设备针对外径1 422 mm、X80管道最大消磁能力可达490 mT，且具有电压补偿功能，消磁能力和稳定性较高，其余设备消磁能力相对较弱，面对外径1 422 mm、X80管道强磁力情况，难以满足现场消磁需求。

2）直流焊机以及永磁铁等消磁方法，消磁能力弱，可以作为在施工现场没有专用消磁设备时的一种备选消磁法，适用于磁感应强度较低、局部开展消磁的情况。

3）为确保焊接质量，实际作业过程中，当管口剩磁小于5 mT时方可进行焊接作业，此时剩磁对焊接影响可忽略，同时给出了磁感应强度大小的经验判断方法。

4）剩磁在管端轴向和周向上分布不均匀，现场消磁时需局部调整消磁能力，给出了磁感应强度空间分布规律，以便于更好的指导现场消磁作业的开展。