铁磁管道非接触式应力磁检测方法及应用

2021-02-24牛化昶孙奇北廖柯熹李博阳赵建华庞洪晨孙彩云

全面腐蚀控制 2021年1期

牛化昶孙奇北廖柯熹李博阳赵建华庞洪晨孙彩云

（1. 山东省天然气管道有限责任公司，山东济南 250101；2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500）

0 引言

埋地管道在石油和天然气的运输中起着重要的作用。由于地质变化，介质和土壤腐蚀，机械损伤和其他意外载荷对管道材料的影响，钢材容易出现诸如腐蚀穿孔和破裂等缺陷。因此，对地下管道的安全测试是管道运行和能源供应的重要保证。

弱磁管道非接触检测技术是用于检测铁磁材料微观应力集中早期非破测试的有效方法。戴光等对爆破试验后破裂的管件进行弱磁检测试验，准确地出了缺陷位置，验证了弱磁检测方法的有效性[1]。因此，对小口径管道进行弱磁检测不仅可以在非开挖状态下检出管道的腐蚀缺陷，还可以对管道失效进行早期诊断和剩余寿命预测，预防事故的发生。

笔者利用高精度磁力计检测埋地管道，获得管道轴线上方的地面自漏磁场的三分量磁通密度。通过“信号法向分量改变符号且过零点，而切向分量出现最大值”的原则确定了管道应力集中位置[2]。基于测得的管道自漏磁场大小，参考GB/T 35090-2018《无损检测-管道弱磁检测方法》[3]，使用缺陷损伤等级划分原则，计算应力集中点磁异常系数[4]。在非开挖的情况下得到管道应力集中位置，针对不同磁异常系数的管段采取相应措施，为后续管道本体修复开挖定点提供技术支持[5]。

1 非接触式管道检测原理

1.1 非接触检测设备

在地磁场中，在内部介质和外部载荷的作用下，铁磁性油气管道的内部磁畴将不可逆地重新定向，从而使管道磁化，在管道上方产生漏磁场（SMFL）。当管道本体存在一个宏观缺陷或微观结构缺陷时，大多管道出现局部应力集中，而应力集中将引起局部漏磁场的突变，根据铁磁管道自漏磁场来判断局部应力主要集中主要有以下两种不同的方法，一是可以通过一个磁场法向分量过零点来分析判断；二是检测人员利用磁场法向分量的梯度值来判断，即利用磁场法向分量在应力集中处会出现变化很大的梯度值这一特点。图1表示磁场的法向分量和磁场的法向分量的梯度曲线[6]。

图1 应力集中区磁场法向分量分布图和法向分量梯度值分布图

因此，上述特征可以用来检测铁磁性构件的应力集中区和变形区，从而达到铁磁性构件缺陷检测的目的。

非接触式管道磁检测方法是针对具有一定埋深的、受地磁场磁化的铁磁性管道开展的。管道处于弱地磁环境中，管道局部应力状态的变化导致其磁化率的变化，从而导致管道外一定范围内磁场的变化。

非接触式磁检测技术方法所测量的是管道中心正上方设置一定垂直距离处磁场的水平梯度，也即测点处磁场三分量Bx、By、Bz于在方向的梯度特征分量。在现场测量时，仪器水平放置，仪器的轴向与管道方向垂直，如图2所示。其中Y轴正向为埋地管道走向，1号探头、2号探头的三个不同轴向分布进行彼此之间是相同的，且均符合右手定则。图3为非接触式磁异常三维高精度磁应力测试系统。

图2 仪器放置方式示意图

管道属于铁磁材料的金属构件，损伤的主要来源是各种微观和宏观的机械应力集中，通常管道内的压力不是恒定的，而是随时间变化的，即管道中的应力集中受到一种交变应力。当材料所承受的交变应力远小于静载下的强度极限时，就可能导致发生一些金属结构损伤。因此对于铁磁管道来说，在运行过程中局部组织失稳引起的应力集中是管道损伤的早期表现。

1.2 非接触检测原理

图3 非接触式磁异常三维高精度磁应力测试系统

应力影响磁化率的根本原因是应力影响铁磁性材料内部的磁畴结构以及磁畴磁矩的分布。铁磁材料的磁性能和磁化率，主要由其磁畴结构变化引起的在宏观上影响铁磁性材料的磁化率。应力通过影响磁畴壁的位移过程和转动过程来影响起始磁化率。应力引起的起始磁化率的变化量为：

根据铁磁性材料的基本性质，起始磁化率变化量Δχ随φ角以及应力σ变化的图形如图4所示。

图4 Δχ随φ角及应力σ变化示意图

埋地铁磁管道在受土壤载荷和介质内压状态下，局部区域存在应力集中。应力集中区发生磁畴重新分布，形成与应力相关的磁矢量，因此可以将应力集中区域看作一个磁偶极子，如图5所示。建立铁磁-空气间磁偶极子作用模型，计算铁磁管道进行应力集中区表面的磁场主要分布基本情况。

图5 应力集中区共面磁偶极子模型

将管道应力集中区当作磁偶极子时，产生自漏磁场Br在管道上方坐标为（x，z）处产生的法向磁感应强度Bn：

管道外场点处磁场的切向分量为：

管道外场点处磁场的法向分量和切向分量的变化曲线，具体如图6与图7所示。

图6 Bn随θ以及x的变化

图7 Bx随θ以及x的变化

应力的大小并不会影响应力集中区外磁场曲线的形态，而主要影响的是应力集中区外磁场峰值的大小。应力集中区磁场法向分量Bn、切向分量Bx随变量φ、σ、θ以及x变化的函数为：

对于铁磁性构件，应力与磁化率变化量之间的关系可以表示为：

磁感应强度的三个分量沿X方向的变化量△Bx、△By、△Bz，经推导得到梯度模量，磁力梯度模量与管道外测点处附加磁场的水平梯度之间的关系为：

根据上式可得到应力集中区的应力变化与测点处磁力梯度模量变化的关系[7]。

2 管道缺陷等级划分

利用三维磁场高精度检测仪，获得损伤位置的磁信号后，利用公式（9）对损伤部位的损伤程度进行评价。G＞0，G越大，损伤程度越高。

式中：G为损伤程度大小的度量值；

i、j为x，y，z方向；

ΔHij为i方向排列的传感器之间磁矢量j分量的差值；

Δli为i方向排列的传感器之间的距离。

结合管道系统信息、现场安全检测记录等，利用技术检测结果分析软件对检出数据可以进行研究分析，确定被检管道各部位的损伤等级评价指标和异常等级，损伤等级指标F可由式（10）计算。

式中：A为修正系数；

G为损伤程度的度量值。

非接触式磁性检测方法确定由在应力水平的变化的直接定量评价损伤的管道相对风险，根据GB/T 35090-2018《无损检测管道弱磁检测方法》，确定的管道应力集中部位损伤等级指标F分级标准如表1所示。

表1 缺陷损伤等级指标F分级标准

Ⅰ级：高风险。这条管道属于紧急情况，优先维修；

Ⅱ级：中风险。存在一定的风险但不会很快发生事故，这种管道的特点就是在于可靠性降低，需要企业列入计划进行修复；

Ⅲ级：低风险。可能存在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的情况下，无需修复继续运行。

3 非接触检测方法现场应用

3.1 管道基本信息

淄莱线天然气管道起始于山东省淄博市，止于山东省莱芜市，全长约70km。管道类型为螺旋缝埋弧焊钢管。管线具体参数如表2所示。本次检测对该管线某段进行非接触式磁应力检测，检测管线长度约为8.1km。沿线地形起伏大，管道敷设环境大部分位于山区，沿线有地质灾害风险区和高后果区，部分管段穿越道路和河流。

表2 淄莱线管道参数

3.2 非接触式磁应力检测结果

基于检测管段的基本参数以及现场勘察记录，应用数据处理系统生成管道磁强度曲线。通过“信号法向分量改变符号且过零点，而切向分量出现最大值”确定管道应力集中位置。在检测过程中标明磁信号的干扰物的具体里程，在磁场强度曲线中标注。相应的非接触磁检测分析结果为：在已检测的8.1km管道中，共发现8个磁异常管段，如图8（a）～图8（f）所示。

图8 （a）第一段管道检测数据

图8 （b）第二段管道检测数据

图8 （c）第三段管道检测数据

图8 （d）第四段管道检测数据

图8 （e）第五段管道检测数据

图8 （f）第六段管道检测数据

在数据处理生成系统中，查找磁异常管段里程和磁场梯度大小，根据磁异常等级划分准则，计算磁异常综合指数，确定磁异常等级。结合现场检测记录，加以备注。异常管段磁异常等级如表3所示。

3.3 磁异常管段分析

3.3.1 “Ⅱ”级磁异常管段

（1）磁异常管道信息

本次检测中，共发现2处“Ⅱ级磁异常管段，第1处位于大峪口河道内上弯弯头处，第2处位于白杨河-测40桩公路旁河道弯头处，两处管段的现场检测图片以及相对位置如图9～图12所示；

图9 测40桩公路旁河道弯头处

表3 山东检测管道磁异常管段位置

图10 滑坡灾害指示牌后白杨河道内弯头

图11 3#“Ⅱ”级磁异常管段

图12 7#“Ⅱ”级磁异常管段

（2）磁应力检测结果

根据检测结果可以发现，两处磁异常管段磁场梯度都超过了10000nT/m，显著应力集中，已计算出，两处管段的F值分别为0.28和0.26，应力集中程度分别为管道材质屈服强度的58%和60%，根据磁应力检测信号特征可以初步判断，应力相对严重处主要集中在两处弯头的环焊缝位置。局部磁异常管段磁场梯度变化如图13、图14所示。