余方林 于潤橋 廖連文 汪路路

南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室

摘 要： 針對埋地油氣管道因腐蝕泄漏引發(fā)安全事故，提出了一種可實際應(yīng)用于工程的檢測方法——埋地管道非開挖弱磁檢測。通過對弱磁檢測原理和缺陷定位算法的簡敘，驗證了弱磁檢測方法的可行性。利用實驗室自主研發(fā)的弱磁檢測儀對預(yù)置人工缺陷的管道進行試驗研究，并對管體信號進行定量分析。結(jié)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，并實現(xiàn)了管體缺陷的二維成像。

關(guān)鍵詞： 腐蝕泄漏；埋地管道；非開挖；弱磁檢測；定量分析

長期埋于地下的油氣管道，發(fā)生腐蝕穿孔和應(yīng)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(yīng)用于埋地管道的有效檢測手段。本文針對埋地管道非開挖弱磁檢測方法進行了試驗研究，驗證了該方法的可行性。

1 弱磁檢測原理

埋地管道非開挖弱磁檢測技術(shù)建立在天然地磁場的基礎(chǔ)上，通過磁信號采集儀在檢測管道正上方進行掃查，采集不同方向上磁感應(yīng)強度的變化從而判斷檢測管道中是否存在缺陷，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理判斷檢測試樣中存在缺陷的位置及大小，是一種無損檢測技術(shù)。

假設(shè)被檢工件本身的磁導(dǎo)率為μ，工件內(nèi)部不連續(xù)區(qū)的磁導(dǎo)率為μ`，若是不連續(xù)區(qū)為高磁導(dǎo)率物質(zhì)，即μ`>μ，那么在測磁傳感器通過該區(qū)域時，磁感應(yīng)強度曲線會出現(xiàn)下凹現(xiàn)象;若是不連續(xù)區(qū)域為低磁導(dǎo)率物質(zhì)，即μ`<μ，那么在測磁傳感器通過該區(qū)域時，磁感應(yīng)強度曲線會出現(xiàn)上凸現(xiàn)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變化分辨率，提出了磁力梯度張量的測量系統(tǒng)，磁梯度張量測量系統(tǒng)對象是磁場矢量分量的梯度，第一它不受總場測量的約束，所測量的結(jié)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的傾角、偏角影響小，以下是磁梯度張量的理論研究。

地磁場有方向和大小矢量場，磁梯度張量就是磁場強度在三維空間中的三個分量Bx、 By、 Bz在空間兩兩垂直的三個方向（x,y,z）上的變化率，它構(gòu)成一個三階矩陣，共9個元素，記為G，表示如下：

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

圖2 傳感器十字型測量結(jié)構(gòu)

如圖 2所示， B0、 B1、 B2、 B3為三軸式磁通門傳感器，每個三軸磁通門傳感器均由3個單軸三端式磁通門傳感器組合而成。根據(jù)公式（1）、（3）差分近似可得以下結(jié)果：

2 試驗儀器

試驗儀器為實驗室自主研發(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(shù)據(jù)分析上位機。為了更好的接近實際工程，由某熱力集團提供試驗場地，將預(yù)置人工缺陷的管道埋入地下進行數(shù)據(jù)采集。為保證傳感器的穩(wěn)定性，搭建軌道使傳感器從管道上方平穩(wěn)通過。

1.數(shù)據(jù)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型缺陷時，檢測曲線變化較為均勻。當存在腐蝕缺陷時，該區(qū)域磁場發(fā)生異常變化，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件處理后實現(xiàn)二維成像，可對腐蝕減薄的位置及深度進行定量研究。

3 試驗研究

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

圖 4  試驗管道尺寸及缺陷點

為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，用逐漸埋土的方式，分別進行了埋深1 200 mm、 1 500 mm、 1 800 mm試驗。首先將預(yù)置好缺陷的管道放入已挖好的土坑內(nèi)，然后在管道正上方鋪設(shè)非鐵磁性材料軌道，通過自制小車在軌道上帶動弱磁傳感器在管道上方勻速移動，將傳感器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器傳輸至上位機。上位機內(nèi)安裝有弱磁檢測數(shù)據(jù)處理軟件�？紤]到試驗過程中因為管道端頭效應(yīng)，造成信號啟停處的突變，在數(shù)據(jù)處理時將端頭效應(yīng)的信號屏蔽，防止影響整體信號造成對檢測結(jié)果的誤判。圖 5是試驗現(xiàn)場，左側(cè)是試驗前在管道上方預(yù)置的5個缺陷。圖 6是埋深1 800 mm檢測數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖 5  試驗現(xiàn)場

（a）原始曲線圖

（b）梯度信號圖

（c）二維成像圖

圖 6  埋深1 800 mm檢測結(jié)果

由圖6（b）梯度信號圖可知，檢測初期經(jīng)過處理的梯度信號相對比較平穩(wěn)，磁梯度范圍在﹣100～+100nT內(nèi)，沒有超過判斷閾值。此后，經(jīng)過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(qū)域存在明顯的峰值，這與人工缺陷管道上的缺陷位置相符。由于檢測過程中由人工推動磁傳感器在管道上方移動，不能保證是完美的勻速運動，故最后的檢測結(jié)果與試驗前預(yù)置的管道缺陷位置會存在誤差。從檢出效果和檢出率看，該檢測技術(shù)具有工程實用性。

4 現(xiàn)場試驗

2015年采用非開挖弱磁檢測方法在河南濮陽某段已停運管道進行試驗。

檢測管道分兩排共6段，兩排長度都是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，直觀無法看見管道缺陷位置； 2#鋪設(shè)年份較久，表面腐蝕非常嚴重； 4#表面無明顯缺陷 ，5#有三處鋸槽（10×0.4×0.3 mm）， 6#有5處穿孔缺陷，其中2處同時含有兩個直徑6～7 mm孔洞（圖 7）。

圖7 檢測試驗現(xiàn)場

現(xiàn)場檢測結(jié)果和開挖驗證如圖 8所示。

（a）檢測結(jié)果

（b）開挖管道

圖 8  現(xiàn)場檢測結(jié)果和開挖驗證

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(qū)域的磁場梯度值變化明顯，信號趨勢突出。經(jīng)過開挖驗證，腐蝕缺陷位置誤差小于5 cm，對于長輸埋地管道可以接受。

2017年，用非開挖弱磁檢測儀對內(nèi)蒙古某在役輸油管道進行檢測。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數(shù)據(jù)。根據(jù)檢測結(jié)果找出腐蝕嚴重的點，隨后開挖驗證，結(jié)果見圖 9。

（a）檢測結(jié)果

（b）開挖驗證現(xiàn)場

圖 9  檢測結(jié)果和開挖驗證現(xiàn)場

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，剖開管道后發(fā)現(xiàn)管道為內(nèi)腐蝕，腐蝕深度占原始壁厚的74%。

5 結(jié)論

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

自主研發(fā)高精度埋地管道弱磁檢測儀，經(jīng)現(xiàn)場試驗和開挖驗證，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)教育部重點無損檢測實驗室，主修儀器儀表工程專業(yè)。研究方向： 埋地管道非開挖弱磁研究。