埋地输气管道弱磁应力外检测技术研究

陈 元，刘艳军，吴 翔

(1. 西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2. 塔里木输油气分公司，新疆库尔勒 841000)

0 前 言

管道运输是传统运输方式之外的重要运输手段，也是最安全最有效的运输方式，已成为国民经济和社会生活中不可或缺的生命线[1，2]。在管道的使用过程中，由于自身存在的质量问题与环境因素，会产生各种类型的管体缺陷，这些缺陷大多都由微观应力集中演变而来，宏观缺陷的出现对管道的安全运行有较大的影响[3，4]。为降低事故风险，避免管道危害的发生，需要对管道定期做应力检测。传统的无损检测手段只能检测到管道本体的宏观体积缺陷，无法预测危害的发生。由于埋地输油气管道几乎是铁磁性金属材料，具有良好的刚度和韧性，管道发生破坏要经由应力集中到屈服变形的过程[5]，因而对材料应力应变情况进行微观检测，可以预测管道危害的发生，并可作为评价管道应力集中程度的依据。

管道的弱磁检测方法是一种基于漏磁场理论的非接触式外检测技术。弱磁检测技术以金属磁记忆效应和逆磁致伸缩效应为基础，在非励磁条件下(地磁环境下)，通过检测铁磁材料在应力作用状态下的外部弱磁场大小及分布特征来判断材料的应力变形及损伤状态[6-8]。金属磁记忆技术由杜波夫教授提出，20世界90年代在NDT(无损检测)行业引起强烈反响，至今已被证实为唯一能检测出构件早期应力集中的技术。该技术设备操作简单，检测速度快，不受管径限制，不需要励磁设备，可以实现管道缺陷的早期诊断[9-12]。近年来，管道弱磁检测技术的工程应用与研究越来越多[13-18]。针对埋地管道应力检测，杨理践等[19]通过位错理论与能量平衡理论分析了材料在塑性变形时弱磁场的变化规律，并分析了多次变形之后材料的磁导率变化规律。王缔[20]利用有限元仿真技术研究了外界磁场对应力弱磁检测的影响，明确了应力与磁性的关系和外磁场在弱磁检测环境下的影响规律。马惠香等[21]通过金属磁记忆扫描装置，研究了磁感应强度大小与钢筋内部应力大小的对应关系，以及提离度对弱磁信号的影响。

为了在非开挖条件下评估输气管道的应力水平，本工作利用管道弱磁应力外检测技术检测了长庆油田公司某输气管道，结合磁偶极子模型来识别管道的应力集中区域，通过磁应力综合指数来评估管道的应力水平，并通过接触式应力检测技术来验证检测结果与模拟结果的一致性。

1 技术原理

埋地铁磁管道处于微弱的地磁场中，在达到居里温度之前，常用的金属管道都具有一定的磁性，在内部介质和非工作载荷的长期作用下，材料晶体的磁畴将发生不可逆的重新取向，使管道磁化，在管道周围形成漏磁场(SMFL)，从而产生弱磁信号[22]。当管道存在宏观缺陷或微观结构缺陷时，大多出现局部应力集中，而应力集中将会引起局部弱磁信号突变。埋地输气管道弱磁应力外检测技术通过空间分布的三维磁敏传感器采集管道上方的弱磁信号，根据应力异常所对应的磁场分布特征来识别管道的应力集中区。

2 仿真计算

管道的宏观缺陷一般由微观的应力集中演变而来，根据杜波夫教授的观点，对于微观的应力集中区域，可通过磁偶极子模型来进行分析，模拟出管道应力集中区外围的磁场分布特征，结合传感器采集到的弱磁信号，即可判断管道应力集中缺陷[23]。

如图1所示，假设在某段管道内仅存在一处应力集中缺陷，该缺陷等效体积为V，反映应力集中区范围；x方向(沿着管道轴向)表示切向；y方向(竖直垂直管道轴向)表示法向；自然地引入应力集中特征量J=VBρ，Bρ大约为1 T；应力集中区在表面下的深度为h，且在y轴上。

将管道的局部应力集中区域等效为磁偶极子时，根据电磁波与电磁场理论结合磁技术理论，构件的应力集中区在空间二维平面点P所产生的磁感应强度法向分量By与切向分量Bx可表示为公式(1)和(2)[24]：

(1)

(2)

式中μ——材料的初始磁导率

By—— 应力集中区的体积，mm3

Bρ—— 应力集中区的剩磁，T

ρ—— 应力集中区距离探头的距离，mm；

h—— 应力集中区距离地面高度，mm

β—— 应力集中区磁化方向与法向的夹角，(°)

使用Matlab软件对切向分量与法向分量进行数值模拟，材料的初始磁导率为200，应力集中区的体积为0.001 mm3，应力集中区的剩磁取1 T，应力集中区距离地面高度为6 mm。模拟结果如图2所示，其中图2a表示空间点P处磁场的法向分量随管道轴向x与夹角β的变化规律；图2b表示切向分量随管道轴向x与夹角β的变化规律。

当β=90°时，绘制应力集中区外围空间点P处的法向分量与切向分量沿管道轴向x的变化规律图，可得出当磁化方向与轴向一致时，波形出现经典分量特征，即法向分量By符号变化且过“零点”，切向分量Bx出现极值，仿真结果如图3所示。

根据磁偶极子模型所模拟出图3a和3b的弱磁信号变化特征，结合仪器所采集到的空间磁场分布，可有效识别埋地输气管道的应力异常。

3 应力异常评价方法

从获得的管道弱磁信号中提取异常磁信号，通过公式(3)求取损伤部位的G值，根据G值来评估应力集中损伤程度。其中G>0，G值越大表示损伤程度越高。

(3)

式中G—— 应力损伤程度大小的度量值

i——x、y、z方向

dHi——i方向排列的传感器之间磁矢量i分量的梯度值，这里处理成梯度值可有效地减小地磁场的干扰

dl—— 采集步长增量值，即沿管道轴向微分

为方便等级评价，引入应力异常综合指数F[25]，F由公式(4)表示。根据F值的大小可将应力损伤划分为3个风险等级，如表1所示。

F=exp{-AG}

(4)

式中A—— 修正系数

G—— 损伤程度大小的度量值

表1 管道应力损伤程度等级划分

修正系数A可根据数据库所拟合的A关于磁信号特征量的方程计算出初始值，通过取样检验可得出A的终值。特别地，为了使应力损伤等级评与其他检验方式一致，可多次取样，不断优化A值。

4 工程验证

4.1 管线基本信息

检测管线为长庆油田所辖的南七线部分输气管道，管线位于陕西省西安市境内，检测里程2 km，母材焊缝种类为螺旋焊缝。被检管道的外径为406 mm，壁厚为8.8 mm，管道材质为L360MCS，输送介质为天然气，设计压力为6.3 MPa，运行压力为4.8 MPa。

结合现场管道的实际情况，管道弱磁检测流程顺序依次为基础资料的收集与分析、管线勘察与环境条件分析、管道路由及埋深测绘、管道上方弱磁信号采集、分析数据确定取样坑、异常区域开发验证及依据取样位置的数据特征给出全管段的损伤程度评价。通过对管道的路由及埋深测量并计算，被检测管道平均埋深1.83 m，符合管道弱磁信号有效性最大检测高度要求。

4.2 检测数据分析

检测仪器的磁信号采集传感器分布为水平垂直管道轴线方向，即每组数据都有6个磁场分量，为方便观察，只取法向和切向分量做研究。将采集数据导入相应分析软件，可得管道上方的By和Bx。分析所绘制的波形图，按照管道上方应力集中区信号特征，切向分量Bx出现最大值，法向分量By出现过零点现象来评价管道应力集中位置。特别地，峰值的正负只是相位差造成的，不影响埋地铁磁管道应力集中的评价。应力损伤程度和等级评判参照式(3)和式(4)。

从数据处理后形切向分量与法向分量随着里程的变化波形曲线中，结合应力集中区的磁信号特征，选取其中2处特征点作为取样点，特征点1和2的波形图如图4所示。其中特征点1的应力异常位置距离检测起点264.2 m，特征点2的应力异常位置距离检测起点960.7 m，根据式(3)和式(4)，特征点1的F值为0.48，特征点2处的F值为0.35，初步判断特征点1和2处的应力损伤等级为二级。

4.3 取样校验

选取对确定的特征点1与特征点2进行开挖取样校验，选用8通道的接触式金属磁记忆检测仪TSC - 2M - 8对特征点1的±0.75 m和特征点2的±0.65 m进行管体应力检测，测量结果如图5所示。

图中dH/dx表示空间磁场强度沿管道轴向的变化率，间接地表征了管道应力变化水平，可根据dH/dx峰值来判断应力异常位置。对于特征点1所检测的1.5 m范围内总体dH/dx水平在42 A/(m·mm)左右，在距离起点位置0.58 m处存在应力异常，dH/dx值达到了179 A/(m·mm)；特征点2所检测的1.3 m范围内总体dH/dx水平在28 A/(m·mm)左右，在距离起点位置0.62 m处存在应力异常，dH/dx值达到了199 A/(m·mm)。根据金属磁记忆划分的等级，100 A/(m·mm)≤dH/dx<300 A/(m·mm)，该处应力异常属于二级缺陷，与管道弱磁应力检测结果F值判定的应力异常等级相互吻合。由MMM的检测结果可知，初始设置的修正系数在合理范围之内，由该修正系数可评价管道应力损伤情况，除去检测途中的干扰源，共检测出6处二级应力损伤，14处三级应力损伤，无一级损伤。其中在6处二级应力损伤中，结合管道建设时期的资料与近期内检测数据分析，有2处应力异常位置对应的是焊缝位置，1处应力异常为管道内壁金属损失缺陷。

除此之外，如若MMM检测结果与管道弱磁应力外检测技术检测结果所评定的应力损伤等级不一致，可取多个开挖坑来调整修正系数A的值，由此可得出除取样坑外的其他位置较为合理的应力损伤情况。

5 结 论

(1)基于等效管道应力集中区的磁偶极子模型，结合数值模拟出的波形特征，可用于分析含有应力损伤缺陷的管道的弱磁信号分布规律。

(2) 通过对长庆油田所辖南七线2 km进行弱磁检测之后，选取了2个特征点取样验证，基于现场使用的MMM检测数据与弱磁应力外检测的数据做分析对比，接触式金属磁记忆检测与管道弱磁应力外检测结果相互吻合，结合近期管道的内检测数据，该技术的应力集中检出率在80%以上，检测结果表明，管道弱磁应力外检测技术能够有效地检出并评价管道应力损伤情况，尤其是对管道的宏观缺陷起一定的预判作用，该技术可为管道安全管理提供可靠有效的依据。

(3)管道弱磁应力外检测技术针对应力异常区域有较好的辨别性，除了能检测微观应力集中之外，还能检测由管内腐蚀以及焊接区域的残余应力引起的应力异常。