山地小口径管道的非接触式磁力检测

张少春,庞洪晨,廖柯熹,朱洪东,何腾蛟,乔 实,李云飞

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

随着经济的不断发展，国家对石油及天然气等能源产品的需求在不断增加，油气管道的建设也备受重视。我国地形的复杂性以及对能源需求的多样性，使得山地小口径管道成为了油气资源输送的重要载体。在传输介质、土壤、机械损伤、温差等因素的影响下，管道容易产生腐蚀、疲劳、开裂等缺陷[1]，因此，山地小口径管道的安全检测对保证管道正常运行和能源供应至关重要。

对管道进行有效检测是避免管道发生事故及对管道完整性管理的重要手段[2]。传统的无损检测方法包括超声检测、涡流检测、漏磁检测、磁粉检测等[3]，这些方法虽然能有效检测出管道表面的宏观缺陷，但无法识别出微观缺陷。DUBOV[4]提出了基于金属磁记忆检测理论的管道诊断方法，该方法可以检测出管道的微观缺陷，但由于该方法自身的局限性，无法对埋地管道进行有效检测。

目前，研究人员应用传统无损检测技术对油气管道进行了内外检测，并取得了良好效果[5-9]；众多学者把金属磁记忆检测技术运用到实际工程中，获得了管道缺陷处的磁异常信号[10-13]；国外学者利用非接触式磁力检测技术对埋地管道进行了检测，有效识别出了缺陷位置[14-15]，但是关于山地小口径管道非接触式磁力检测技术的应用研究较少。山地小口径管道埋深变化大，地表上方磁信号较弱，非接触式磁力检测技术是否有效不得而知。文章采用非接触式磁力检测技术对某山地小口径管道进行检测，检测出损伤管段并确定其相应的损伤等级；采用金属磁记忆检测和超声检测法验证了该技术的检测结果，证实了该技术可应用于山地小口径管道的检测。

1 非接触式磁力检测

1.1 检测原理和特点

埋地管道在地磁场和应力载荷的共同作用下，管道内部磁畴的取向会发生改变，致使管道的磁化率发生改变，进而在管外周围形成一个漏磁场[15]，管道应力状态的变化会使应力集中位置处的漏磁场发生畸变(见图1)，即该磁场能够反映管道的应力状态。非接触式磁力检测技术通过对漏磁场磁特征信号的检测和分析来确定管道的应力集中区域，同时根据漏磁场的变化程度来分析管道应力的危险程度。

图1 管道缺陷处产生的漏磁场畸变示意

与传统管道检测技术相比，非接触式磁力检测技术具有以下特点。

(1) 不需要额外的磁化设备。非接触式磁力检测技术利用地磁场和应力作用实现管道的磁化。

(2) 可实现管道缺陷的早期诊断。研究表明，应力集中是大多数缺陷产生的原因，基于对应力集中的非接触式磁力检测技术可预防事故的发生。

(3) 不需要提前处理。管道表面的防腐层和保温层对磁信号无影响，无需对检测表面进行处理。

(4) 操作简单，检测速度快。非接触式磁力检测仪的操作非常简单，检测速度可达到0.5 m·s-1，可实现大规模检测。

(5) 不受管道形状和尺寸的限制。非接触式磁力检测技术是一种外检测技术，不受管道内径和形状的影响，可实现管道设备的100%检测，为管道的完整性管理提供数据支撑。

1.2 检测方法

操作人员使用非接触式磁力检测仪在管道上方沿着管道轴向进行检测，获取管道上方的磁场矢量数据(见图2，图中D为管外径)。当管道出现应力集中时，管道磁场将发生明显变化，即出现磁异常信号。在检测过程中，对每条管段的检测起终点、标示桩、金属干扰物、磁异常位置进行记录。完成现场的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并形成检测结果，对检测数据进行计算和分析，得到管道损伤等级指标F(无量纳),用以评估管道应力状态和风险等级。

图2 非接触式磁力检测技术实施示意

非接触式磁力检测仪记录的数据为管道上方磁感应强度的3个分量Bx，By，Bz沿水平方向的梯度∂Bx，∂By，∂Bz。通过式(1)计算得到梯度模量GM。

(1)

1.3 管道损伤等级划分标准

对于含有损伤的管段，依据损伤等级指标F确定其损伤等级。F由式(2)计算得到。

F=exp(-AGM)

(2)

式中：A为修正系数；GM为梯度模量。

根据F可将管道损伤程度划分为3个等级：Ⅰ级为高风险；Ⅱ级为中风险；Ⅲ级为低风险。管道损伤等级划分及处理建议如表1所示。

表1 管道损伤等级划分及处理建议

1.4 检测工具

现场检测使用管道应力非接触三维磁场梯度检测(PMDT)仪，型号为Grad-03-500，其结构如图3所示。该装置主要由3部分组成，第一部分为磁传感器探头，设置在探测器的两端，两传感器之间的距离为0.5 m；第二部分为显示与控制部分，其中显示仪显示探头测得的2点数据的差值，包括3个方向的磁感应强度分量以及沿x轴方向的梯度模量的差值;第三部分为电源，为设备提供可靠稳定的输出电流。

图3 PMDT仪结构示意

1.5 检测条件

非接触式磁力检测技术的检测条件如表2所示。

表2 非接触式磁力检测技术的检测条件

PMDT检测技术虽然可高效率、低成本地实现管道缺陷的准确定位，及早发现管道隐患，但也具有一定的局限性，其主要适用范围有：① 被检测管道必须具有铁磁性；② 不存在并行(同沟敷设)、交叉的单条管道；③ 待检测管道埋深应不大于20倍管径；④ 沿线无高压线、电气化铁路、铁质构件等；⑤ 管道在过去两年内进行过漏磁检测，会对该技术的检测准确性有影响；⑥ 环境中不存在其他磁信号干扰；⑦ 对于已穿孔管道无法识别。

2 现场应用

2.1 管道概况

对某山地小口径埋地长输管道进行非接触式磁力检测，确定管道的应力集中位置并评估管道的应力状态，检测管道长为930 m。该管道投产运行时间为13 a，管材类型为L325螺旋缝埋弧焊钢管，焊缝种类包括环焊缝和螺旋焊缝，规格为φ355.6 mm×5.6 mm(外径×壁厚)，管道运行压力为3.9 MPa，输送介质为天然气，设计输送量为5.03×108m3·a-1，管道采用3层PE(聚乙烯)外防腐层+强制电流保护和牺牲阳极保护的联合保护方式进行防腐。管道敷设环境大部分位于山区，沿线山地起伏大，管道口径小，管道上方磁信号较弱。

2.2 检测流程

非接触式磁力检测技术在现场的应用分为4个阶段：现场踏勘；路由检测；非接触式磁力检测；开挖验证。首先进行基础资料收集与管道踏勘，收集被检管道的基础资料，包括管道运行参数、设计资料、竣工资料以及防腐资料等，对管道的基本情况进行分析，制定适用于现场的检测方法，勘察被检管道沿线的环境情况，结合情况制定出相应的检测方案;其次进行管道路由确定，利用PCM(埋地管道防腐层状况检测系统)检测目标管道的走向和埋深，对管道路由进行定位；然后进行非接触式磁力检测与分析，检测人员沿着目标管道的路由采用非接触式磁记忆检测仪对管道正上方空间磁场数据进行采集，根据国标GB/T 35090-2018，计算管道沿线F的分布，判断管道安全状态并识别出管道应力集中位置;最后进行开挖验证，根据非接触式磁力检测结果，对应力集中严重管段进行开挖，并采取其他的无损检测方法(金属磁记忆检测、超声测厚等)进一步检测，验证非接触式磁力检测的结果。

2.3 非接触式磁力检测结果分析

检测里程共计930 m，分3段进行检测。得到检测管道上方空间磁感应强度梯度的分布(见图4)。该地区的大地磁感应强度为0.63 mT，最大磁感应强度梯度为15.635 mT·m-1。共发现6处管段信号有明显波动，在这6处管段的磁感应强度梯度x方向出现波峰、z方向出现波谷，且其绝对值均高于5 mT·m-1，存在明显应力集中，尤其是2#和6#磁异常信号处的磁感应强度梯度大于10 mT·m-1，可以初步判断为应力集中较为严重的管段。

图4 检测管段上方磁感应强度梯度分布

根据国标GB/T 35090-2018，基于非接触式磁力检测结果和管道的设计运行参数，计算得到磁异常管段的损伤等级指标F(见图5)，评估管段应力状态并确定管段应力风险等级。经计算分析，在6处磁异常管段中，4处为Ⅲ级风险，2处为Ⅱ级风险，根据磁信号特征可以初步判断，这2处应力集中发生在管道环焊缝位置。确定的6处磁异常管段的各特征参数见表3。

图5 各磁异常管段损伤等级指标

表3 磁异常管段的各特征参数

2.4 开挖验证

为验证非接触式磁力检测结果的准确性，对应力风险最大的6#处管段开挖进行金属磁记忆检测和超声测厚检测。开挖后发现，该管段存在环焊缝，采用TSC-2M-8型金属磁记忆检测仪对其进行各个时钟方向的轴向检测，确定应力集中位置；通过超声波测厚仪测量应力集中位置的剩余壁厚，完成进一步验证。

2.4.1 金属磁记忆检测

金属磁记忆检测的工作原理在于管体的应力分布发生改变会影响表面磁场的分布，通过测量管道表面磁场HP的分布，实现管道的应力状况检测。管道应力集中区磁记忆信号分布如图6所示，应力集中区的法向磁场强度分量HP(y)出现过零点现象，且切向磁场强度分量HP(x)达到极大值。HP计算公式为

(3)

式中：λH为磁弹性效应的不可逆分量；μ0为真空磁导率；Δσ为周期性外加载荷。

图6 管道应力集中区磁记忆信号分布

利用磁记忆检测仪对6#管段环焊缝进行不同时钟方向的轴向检测，根据检测结果，在其环焊缝12点钟方向的磁信号变化最为明显，故选择12点钟方向的检测信号(见图7)进行分析。该管段磁信号具有以下特征：磁场强度法向分量过零点，磁场强度梯度存在最大值；在距检测起点300 mm和1 100 mm位置，磁信号出现小幅度波动，是由环焊缝热影响区分布不均匀引起的局部应力集中造成的；HP-2和HP-4通道的磁信号均在距检测起点700 mm左右的位置(环焊缝附近)处出现峰值3 128 A·mm-1，在该位置对应的磁场梯度信号dH/dx为230 A·mm-1·m-1，远远大于应力正常水平下的梯度值，说明此处应力集中较为严重。根据目前已有的磁信号特征识别方法[16]，可以初步定性判断该段管道焊缝周围存在局部腐蚀缺陷，腐蚀程度需进一步检测。

图7 6#管段金属磁记忆检测12点钟方向的磁信号

2.4.2 超声测厚

采用超声波测厚仪测量6#管段焊缝附近管道的剩余壁厚，沿管道环向一周12个方向进行测量，共测量4个圆周，焊缝左右各2个，圆周测量间隔为1 cm，共测量48次，测量结果如图8所示。最小剩余壁厚为3.6 mm，位于焊缝左端1 cm圆周上6点钟方向处，壁厚损失率达35.7%，管道磁异常评价为Ⅱ级，符合磁异常评价的金属损失比例[17]，表明非接触式磁力检测结果具有可靠性。

图8 管道圆周壁厚测量结果

3 结语

利用非接触式磁力检测技术对山地小口径管道进行应力集中检测，识别出了6个磁异常管段，对高风险管段(6#)进行开挖，利用金属磁记忆检测技术和超声测厚技术对非接触式磁力检测结果进行了验证。金属磁记忆检测仪和超声波测厚仪的检测结果与非接触式磁力检测仪的检测结果一致，验证了非接触式磁力检测方法的可行性。山地小口径管道的磁信号较弱，开展非接触式磁力检测仍可有效检测出管道应力集中位置和应力集中程度，说明非接触式磁力检测技术是一种科学有效的检测方法。