非接触磁应力检测技术在提离高度检测中的应用

2022-02-03廖柯熹廖德琛何国玺赵建华王亮王磊超

科学技术与工程 2022年33期

廖柯熹，廖德琛，何国玺，赵建华，王亮，王磊超

(1. 西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500； 2. 国家管网集团西南管道公司，成都 610500)

管道是输送石油和天然气的最有效手段，因此确保其安全可靠的运行至关重要。许多埋地油气管道由于管尺寸结构或铺设环境的限制，使得检测效率低、成本高[1-2]。非接触磁检测技术的出现解决了这一难题，该技术可以在地面上对埋地金属管道应力集中处进行检测，无需对管道进行开挖，检测效率高，成本低[3]。

非接触磁检测技术起源于1997年Dubov提出的金属磁记忆技术[4]，通过检测铁磁材料缺陷导致的管道上方磁场变化，从而识别管道缺陷位置及等级[5-6]。近年来，非接触磁检测技术已经应用于各类管道的检测当中。曹航等[7]在某长输油气管道应用非接触磁检测技术排查管道应力集中区域，并对应力严重管段进行开挖验证，取得了良好的效果；曾维国等[8]对某天然气管道应用非接触式磁检测，结果表明磁异常综合指数F值与管道腐蚀程度之间存在显著相关性，该技术可用于天然气管线检测；李春雨等[9]在青海油田集输管道上应用非接触磁检测技术，结果表明当管道本体缺陷损伤较小时，检测结果准确率可达90%以上。工程实际表明，非接触磁检测技术可用于各类管道检测。

非接触磁检测技术在现场应用时通常是检测人员手持仪器并保持仪器与地面高度固定，沿目标管道进行磁检测，检测完毕后对仪器采集到的管道磁信号进行统一处理[10-12]。但由于地形起伏，埋地管道与地面之间的距离会产生变化，如果对不同检测高度的数据进行统一处理会导致最终结果产生误差，从而有可能导致管道缺陷的漏检或者误检。现采用现场测量和数据拟合方法，推导出非接触检测技术在X80管道的适用范围以及磁感应强度与检测高度的定量关系，以期为后续X80管道非接触磁检测技术的应用提供指导。

1 非接触磁应力检测技术

1.1 非接触磁应力检测原理

处于地磁场中的铁磁性管道在外部载荷和内部介质的作用下，铁磁性管道内部磁畴将发生不可逆转的重组，表现为管道会在上方产生自漏磁场(self leakage magnetic field，SMFL)[13]。管道上的缺陷位置会出现应力集中，而应力集中部位会出现局部漏磁场的突变，如图1所示。非接触磁应力检测通过检测局部漏磁场突变，可识别出管道应力集中位置，从而确定管道开挖点。

图1 非接触磁应力检测原理图Fig.1 Schematic diagram of non-contact magnetic stress detection

利用三维磁场检测设备检测出铁磁管道的三维磁场强度后，依据式(1)评价其损伤程度G，G越大代表损伤程度越高。

(1)

对于缺陷管道需结合现场检测记录以及管道信息等，依据损伤等级指标F确定管道的损伤等级。F由式(2)计算得出。

F=e-AG

(2)

式(2)中：A为修正系数。

损伤等级可分为3个等级：Ⅰ级为高风险，Ⅱ级为中等风险，Ⅲ级为低风险，管道损伤等级及处理措施建议见表1。

表1 管道损伤等级及处理措施建议表Table 1 Suggested table of pipeline damage grade and treatment measures

1.2 非接触磁应力检测的过程

现场非接触磁应力检测步骤示意图如图2所示，具体检测步骤如下。

图2 非接触磁检测示意图Fig.2 Schematic diagram of non-contact magnetic detection

(1)详细收集目标管道基本信息，包括但不限于管道属性信息，输送介质信息等。

(2)现场勘察管道周围环境，确保管道沿线附近无磁干扰物。

(3)检测人员规划并清理现场检测路线，保证检测路线平整，无较大起伏。

观察组护理满意度（96.00%）明显高于对照组（84.00%），差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

(4)检测人员采用非接触磁应力检测仪器对管道全线进行检测。

(5)数据处理人员对检测数据进行分析，将磁梯度模量转化为磁异常指数F。

(6)根据计算出的F，确定全线应力严重管段对其进行开挖检测。

2 现场检测

2.1 现场开挖管段

进行开挖检测的埋地管道为中缅天然气管道，4处开挖管段详细信息见表2，4处开挖管段现场见图3。

表2 开挖管段信息表Table 2 Information table of excavated pipe section

图3 现场开挖管段Fig.3 Excavation of pipe section on site

2.2 管道磁梯度模量检测

如图4所示，对开挖管道进行3种方式的磁梯度模量检测。

图4 3种非接触磁检测方式Fig.4 Three non-contact magnetic detection methods

方式(1)：不同检测高度的开挖管段磁梯度模量数据检测，采集0.8 m和1.0 m共2个检测高度的开挖段管道磁梯度模量数据。

方式(2)：管道本体磁梯度模量随检测高度的变化数据检测，采集检测高度从0.2 m以0.05 m/s速度缓慢提升至1.7 m时的管道本体处磁梯度模量数据。

方式(3)：管道焊缝磁梯度模量随检测高度的变化数据，采集检测高度从0.2 m以0.05 m/s速度缓慢提升至1.5～1.7 m时的管道环焊缝处磁梯度模量数据。

2.3 检测设备不确定度

不确定度是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度。采用非接触式三维高精度磁应力检测仪，利用检测方式1中环焊缝处的磁梯度模量对检测设备的不确定度进行标定。选取现场带环焊缝管段，采用检测方式1测量10次环焊缝处的磁梯度模量。假设10次测量结果的平均值为M，则不确定度计算公式为

μ={|M-Mi|,i=1,2,…,10}

(3)

式(3)中：M为10次测量结果的平均值；Mi为第i次测量的磁梯度模量。

10次测量的环焊缝处磁梯度模量结果见表3，10次测量结果的平均值为15 036.1 nT，计算出的设备不确定度为168.47 nT。

表3 环焊缝处磁梯度模量Table 3 Magnetic gradient modulus at girth weld

3 开挖管段检测结果

3.1 管道本体磁梯度模量检测结果

采用检测仪器测量了4处开挖管段本体提离高度从0.2 m提升至1.7 m时管道的磁梯度模量，见图5。4处开挖管段本体磁梯度模量随着检测高度的增加而呈现下降的趋势。检测距离从0.2 m缓慢提升至1.7 m时，1～4号开挖管段的磁梯度模量从14 000 nT以上下降至6 000 nT以下，4个开挖管段磁梯度模量随检测高度的变化趋势相同。

图5 管道本体磁梯度模量变化趋势Fig.5 Variation trend of magnetic gradient modulus of pipeline body

3.2 管道焊缝磁梯度模量检测结果

4处开挖管段环焊缝整体磁梯度模量随检测距离的变化趋势见图6。由于焊缝焊接质量等原因，4处开挖管段环焊缝磁梯度模量初始值各不相同，但其变化趋势与管道本体一致，呈指数函数形式下降。相对于管道本体，环焊缝处的应力集中会导致同一检测高度环焊缝处磁梯度模量强度大于管道本体。

图6 管道环焊缝磁梯度模量变化趋势Fig.6 Variation trend of magnetic gradient modulus of girth weld in pipeline

4 检测结果处理

4.1 非接触磁检测有限检测范围

4个开挖管段本体以及环焊缝处磁梯度模量随检测高度的增加呈现指数下降的趋势，最终磁梯度模量趋于一个稳定值，该稳定值对应的检测距离即为管道非接触磁检测的最大有效检测距离。对4个开挖管段检测数据进行拟合，4个开挖管段本体以及环焊缝处拟合结果见表4，8个拟合公式的R2在0.96以上，拟合效果良好。图7为3号开挖管段管道本体以及环焊缝拟合数据与原始数据的对比图。

图7 3号开挖管段拟合结果Fig.7 Fitting results of No.3 excavation pipe section

表4 开挖管段本体和环焊缝处拟合结果Table 4 Fitting results of excavated pipe segment body and girth weld

对4处开挖管段的本体以及环焊缝磁梯度模量的拟合曲线进行分析，确定其磁梯度模量的稳定值，并找出对应的检测距离，最终结果见表5。4个开挖管段本体的有效检测范围相近，最大检测距离在1.33～1.44 m；4个开挖管段环焊缝有效检测范围相近，最大检测距离在1.60～1.65 m。由于非接触磁检测的目标是现场整体埋地管段，选取管道本体和环焊缝中最大检测距离的较小者为非接触式磁检测的最大检测距离，确定出非接触式磁检测的有效检测距离为1.3 m。

4.2 非接触磁检测高度统一

磁梯度模量呈指数函数变化，对磁梯度模量数据取对数，使其转化为近似一次函数的形式。在非接触磁检测有效检测范围0～1.3 m内，对开挖管段本体和环焊缝取对数后的磁梯度模量数据进行拟合，图8列出了3号开挖管段本体和环焊缝处理后磁梯度模量拟合结果。4个开挖管段本体和环焊缝磁梯度模量的拟合曲线为一次函数曲线，拟合结果的R2在0.96以上。本体和环焊缝拟合曲线的斜率和纵截距值见表6。

图8 3号开挖管段本体和环焊缝拟合结果Fig.8 Fitting results of body and girth weld of No.3 excavated pipe segment

表6 本体和环焊缝拟合曲线的斜率和纵截距值Table 6 Slope and longitudinal intercept values of fitting curves of body and girth weld

4处开挖管段本体磁梯度模量拟合曲线的斜率和纵截距相近，4处开挖管段环焊缝磁梯度模量拟合曲线的斜率和纵截距相近。考虑缺陷不能漏检的原则，分别选取本体和环焊缝拟合曲线中斜率最大值和纵截距最大值作为最终拟合公式的斜率与纵截距，形成最终管道本体和环焊缝处理后磁梯度模量数据与检测高度的定量关系，拟合公式见式(4)和式(5)。

y=-1.05x+9.90

(4)

y=-2.35x+11.97

(5)

对式(4)和式(5)两边同时取e的次方，形成管道本体和环焊缝磁梯度模量与检测高度的定量关系拟合公式[式(6)和式(7)]。

y=19 930e-1.05x

(6)

y=157 944e-2.35x

(7)

采用拟合后的管道本体和环焊缝数据处理公式，将3号开挖管段0.8 m检测距离的本体和环焊缝磁梯度模量统一为检测距离为1.0 m时管道磁梯度模量，对距检测起点0～1.0 m以及1.7～3.0 m处的检测数据采用本体拟合公式统一，对距检测起点1～1.7 m处采用环焊缝拟合公式统一，图9展示了0.8 m检测高度处管道磁梯度模量统一前后的检测数据和检测高度为1 m时管道磁梯度模量检测数据。统一后的检测数据与真实检测数据之间的误差在10%以内，平均误差为3.04%，统一高度拟合公式可指导现场检测数据处理。