余方林 于潤橋 廖連文 汪路路

南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室

摘 要： 針對埋地油氣管道因腐蝕泄漏引發(fā)安全事故，提出了一種可實(shí)際應用于工程的檢測方法——埋地管道非開(kāi)挖弱磁檢測。通過(guò)對弱磁檢測原理和缺陷定位算法的簡(jiǎn)敘，驗證了弱磁檢測方法的可行性。利用實(shí)驗室自主研發(fā)的弱磁檢測儀對預置人工缺陷的管道進(jìn)行試驗研究，并對管體信號進(jìn)行定量分析。結果表明，該方法對埋地管道的腐蝕缺陷識別有很好的檢測效果，并實(shí)現了管體缺陷的二維成像。

關(guān)鍵詞： 腐蝕泄漏；埋地管道；非開(kāi)挖；弱磁檢測；定量分析

長(cháng)期埋于地下的油氣管道，發(fā)生腐蝕穿孔和應力集中的概率與日俱增，容易發(fā)生穿孔泄漏等事故，嚴重時(shí)造成爆炸事故和環(huán)境污染，使周邊居民生命財產(chǎn)安全受到威脅。為確保地下管網(wǎng)安全運行，急需尋找一種應用于埋地管道的有效檢測手段。本文針對埋地管道非開(kāi)挖弱磁檢測方法進(jìn)行了試驗研究，驗證了該方法的可行性。

1 弱磁檢測原理

埋地管道非開(kāi)挖弱磁檢測技術(shù)建立在天然地磁場(chǎng)的基礎上，通過(guò)磁信號采集儀在檢測管道正上方進(jìn)行掃查，采集不同方向上磁感應強度的變化從而判斷檢測管道中是否存在缺陷，并經(jīng)過(guò)數據處理判斷檢測試樣中存在缺陷的位置及大小，是一種無(wú)損檢測技術(shù)。

假設被檢工件本身的磁導率為μ，工件內部不連續區的磁導率為μ`，若是不連續區為高磁導率物質(zhì)，即μ`>μ，那么在測磁傳感器通過(guò)該區域時(shí)，磁感應強度曲線(xiàn)會(huì )出現下凹現象;若是不連續區域為低磁導率物質(zhì)，即μ`<μ，那么在測磁傳感器通過(guò)該區域時(shí)，磁感應強度曲線(xiàn)會(huì )出現上凸現象(圖1)。

圖 1  弱磁檢測原理

為了更好地提高金屬管道中存在的缺陷磁場(chǎng)變化分辨率，提出了磁力梯度張量的測量系統，磁梯度張量測量系統對象是磁場(chǎng)矢量分量的梯度，第一它不受總場(chǎng)測量的約束，所測量的結果反映的是目標體的矢量磁矩信息；第二張量元素受地磁場(chǎng)的傾角、偏角影響小，以下是磁梯度張量的理論研究。

地磁場(chǎng)有方向和大小矢量場(chǎng)，磁梯度張量就是磁場(chǎng)強度在三維空間中的三個(gè)分量Bx、 By、 Bz在空間兩兩垂直的三個(gè)方向（x,y,z）上的變化率，它構成一個(gè)三階矩陣，共9個(gè)元素，記為G，表示如下：

由式(2) 、(3) 、(4)可知，在磁梯度張量的9個(gè)元素中只有5個(gè)分量是相互獨立的。所以只要知道5個(gè)獨立分量，就可以求得磁梯度張量的值。地磁場(chǎng)的梯度值比磁異常的梯度值小很多，一般為20 nT/km。在這個(gè)原理的基礎上，采用十字形磁梯度張量結構（圖 2），該結構因計算簡(jiǎn)單，測量精度高等特點(diǎn)被廣泛運用在磁梯度測量中。

圖2 傳感器十字型測量結構

如圖 2所示， B0、 B1、 B2、 B3為三軸式磁通門(mén)傳感器，每個(gè)三軸磁通門(mén)傳感器均由3個(gè)單軸三端式磁通門(mén)傳感器組合而成。根據公式（1）、（3）差分近似可得以下結果：

2 試驗儀器

試驗儀器為實(shí)驗室自主研發(fā)的高精度埋地管道弱磁檢測儀（圖 3），主要包括測磁傳感器和數據分析上位機。為了更好的接近實(shí)際工程，由某熱力集團提供試驗場(chǎng)地，將預置人工缺陷的管道埋入地下進(jìn)行數據采集。為保證傳感器的穩定性，搭建軌道使傳感器從管道上方平穩通過(guò)。

1.數據分析上位機； 2.測磁傳感器。

圖 3  埋地管道弱磁檢測儀

當被檢管道本身不存在腐蝕及其他類(lèi)型缺陷時(shí)，檢測曲線(xiàn)變化較為均勻。當存在腐蝕缺陷時(shí)，該區域磁場(chǎng)發(fā)生異常變化，經(jīng)數據分析軟件處理后實(shí)現二維成像，可對腐蝕減薄的位置及深度進(jìn)行定量研究。

3 試驗研究

某熱力公司管道長(cháng)3 000 mm、外徑610 mm、壁厚8.8 mm,在其管道上方加工了5個(gè)人工缺陷。圖 4為試驗管道的俯視圖，各位置缺陷類(lèi)型和腐蝕深度見(jiàn)表1。

圖 4  試驗管道尺寸及缺陷點(diǎn)

為了保證試驗數據的準確性，用逐漸埋土的方式，分別進(jìn)行了埋深1 200 mm、 1 500 mm、 1 800 mm試驗。首先將預置好缺陷的管道放入已挖好的土坑內，然后在管道正上方鋪設非鐵磁性材料軌道，通過(guò)自制小車(chē)在軌道上帶動(dòng)弱磁傳感器在管道上方勻速移動(dòng)，將傳感器接收到的數據經(jīng)過(guò)數據采集器傳輸至上位機。上位機內安裝有弱磁檢測數據處理軟件�？紤]到試驗過(guò)程中因為管道端頭效應，造成信號啟停處的突變，在數據處理時(shí)將端頭效應的信號屏蔽，防止影響整體信號造成對檢測結果的誤判。圖 5是試驗現場(chǎng)，左側是試驗前在管道上方預置的5個(gè)缺陷。圖 6是埋深1 800 mm檢測數據處理結果。

圖 5  試驗現場(chǎng)

（a）原始曲線(xiàn)圖

（b）梯度信號圖

（c）二維成像圖

圖 6  埋深1 800 mm檢測結果

由圖6（b）梯度信號圖可知，檢測初期經(jīng)過(guò)處理的梯度信號相對比較平穩，磁梯度范圍在﹣100～+100nT內，沒(méi)有超過(guò)判斷閾值。此后，經(jīng)過(guò)處理的磁梯度信號在550～770mm、1050～1250mm、1550～1700mm、1870～1 920 mm、 2 300～2 400 mm處相對于其他區域存在明顯的峰值，這與人工缺陷管道上的缺陷位置相符。由于檢測過(guò)程中由人工推動(dòng)磁傳感器在管道上方移動(dòng)，不能保證是完美的勻速運動(dòng)，故最后的檢測結果與試驗前預置的管道缺陷位置會(huì )存在誤差。從檢出效果和檢出率看，該檢測技術(shù)具有工程實(shí)用性。

4 現場(chǎng)試驗

2015年采用非開(kāi)挖弱磁檢測方法在河南濮陽(yáng)某段已停運管道進(jìn)行試驗。

檢測管道分兩排共6段，兩排長(cháng)度都是3 800 mm，壁厚3.0～4.5 mm，管道埋深1 500～1 700 mm。其中： 1#、 3#管道表面有防腐層，直觀(guān)無(wú)法看見(jiàn)管道缺陷位置； 2#鋪設年份較久，表面腐蝕非常嚴重； 4#表面無(wú)明顯缺陷 ，5#有三處鋸槽（10×0.4×0.3 mm）， 6#有5處穿孔缺陷，其中2處同時(shí)含有兩個(gè)直徑6～7 mm孔洞（圖 7）。

圖7 檢測試驗現場(chǎng)

現場(chǎng)檢測結果和開(kāi)挖驗證如圖 8所示。

（a）檢測結果

（b）開(kāi)挖管道

圖 8  現場(chǎng)檢測結果和開(kāi)挖驗證

在檢測段293 mm、 1 026 mm、 2 198 mm、2 481 mm、 2 931 mm、 3 495 mm處顯示異常信號。由圖 8可以看出， 3處區域的磁場(chǎng)梯度值變化明顯，信號趨勢突出。經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗證，腐蝕缺陷位置誤差小于5 cm，對于長(cháng)輸埋地管道可以接受。

2017年，用非開(kāi)挖弱磁檢測儀對內蒙古某在役輸油管道進(jìn)行檢測。檢測段距離3 600 mm，管道埋深1 600 mm，管徑89 mm，壁厚6 mm。利用減震平衡器輔助傳感器在管道上方采集磁場(chǎng)數據。根據檢測結果找出腐蝕嚴重的點(diǎn)，隨后開(kāi)挖驗證，結果見(jiàn)圖 9。

（a）檢測結果

（b）開(kāi)挖驗證現場(chǎng)

圖 9  檢測結果和開(kāi)挖驗證現場(chǎng)

可以明顯看出，在檢測段1 000 mm和2 300 mm處梯度信號突變。磁梯度變化值分別達到了500 nT 、700 nT。但是管道表面依然光滑，剖開(kāi)管道后發(fā)現管道為內腐蝕，腐蝕深度占原始壁厚的74%。

5 結論

通過(guò)對弱磁檢測和磁梯度張量檢測原理分析，利用統計學(xué)方法，得出缺陷判斷依據，磁梯度值超過(guò)閾值則判斷為缺陷。并對腐蝕類(lèi)缺陷進(jìn)行二維成像處理，將檢測結果更加直觀(guān)的顯示出來(lái)。

自主研發(fā)高精度埋地管道弱磁檢測儀，經(jīng)現場(chǎng)試驗和開(kāi)挖驗證，表明對管道腐蝕有較高的檢出率，可用于在役管道腐蝕檢測和停運管道隱患排查。

作者：余方林，男，碩士研究生，就讀于南昌航空大學(xué)教育部重點(diǎn)無(wú)損檢測實(shí)驗室，主修儀器儀表工程專(zhuān)業(yè)。研究方向： 埋地管道非開(kāi)挖弱磁研究。