CNG儲氣井井筒腐蝕的漏磁檢測探索

張海錠，蘇真?zhèn)ィ窒赏粒詈ｙi

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

1 引 言

天然氣是公認的優(yōu)質、高效清潔能源，和石油相比在安全、環(huán)保等方面有諸多優(yōu)點。我國石油短缺，而天然氣儲量十分豐富。壓縮天然氣（CNG）作為汽車替代燃料，近年來得到迅猛發(fā)展，目前全國儲氣井數量已超過3000口，并且每年以800口的速度遞增。

當前，我國大量儲氣井已進入中老年期，存在安全隱患。但是迄今為止，我國還沒有相應的技術裝備和手段來對CNG儲氣井的安全隱患進行有效的檢測，缺少儲氣井安全評估方法和管理規(guī)范。文獻檢索表明，超聲波（UT）檢測和漏磁通量（MFL）檢測是當前世界上最常用的兩種油氣管道管內智能檢測技術。UT測量精度高，能分辨管內壁和外壁缺陷，不受管道材質約束，能夠測量漸變腐蝕。但是UT存在檢測盲區(qū)，只能對光潔表面檢測，使用前必須清洗管道，需要耦合劑。MFL檢測對突變缺陷敏感，無盲區(qū)，能對管壁進行全面檢測，對被測表面的光潔度要求低，不需要耦合劑，更適用于CNG儲氣井井筒腐蝕的檢測。

2 漏磁檢測原理

漏磁檢測由磁化器、空氣隙、管壁組成閉合磁路，如圖1所示。管壁被磁化后，在缺陷及其表面形成漏磁場，漏磁場的形狀及強度和缺陷的形狀有一定的對應關系。應用傳感器測量這個漏磁場，得到測量信號，分析后可檢測出管壁的缺陷。

按照磁化方式來分，漏磁檢測可以分為直流磁化、交流磁化、復合磁化，綜合磁化等。直流磁化又可分為直流電流磁化和永磁磁化。直流磁化需對被測工件進行飽和磁化，優(yōu)點是測量深度較深，可以測量被測件內外壁的缺陷。交流磁化由于集膚效應的影響，磁力線聚集在被測件表面，所以只能測量表面缺陷，不能測量外壁缺陷，優(yōu)點是不用進行飽和磁化。其中直流磁化和交流磁化應用較多，復合磁化和綜合磁化比較復雜，目前應用不多。

圖1 漏磁檢測原理圖

1965年美國AMF公司研制出第一臺漏磁檢測器。之后，英美俄等發(fā)達國家都成立了專門研制基于漏磁的管道檢測公司，如BG、Pipetronic等公司的漏磁爬豬，檢測精度達到了0.05T。

20世紀80年代末，我國開始引進和研制漏磁檢測儀器。2001年沈陽工業(yè)大學和新疆三葉管道技術有限責任公司成功研制了直徑377mm的管道漏磁在線檢測系統(tǒng)，并在輸油管道中進行實測試驗。近年來，漏磁已大量應用于鋼管檢測，但國內目前還沒有專門檢測CNG儲氣井的漏磁檢測裝置。

3 漏磁場的有限元模擬分析

儲氣井結構如圖2所示。井筒垂直埋于100～300m地層中，其周圍灌注水泥，保護井筒免受地層介質腐蝕。井筒采用API無縫鋼管，管內徑156mm，外徑177mm。這樣的結構決定了必須采用磁化器內置的檢測方式。

圖2 儲氣井結構圖

漏磁場的模擬分析采用ANSYS有限元軟件。ANSYS是一種計算機數值分析軟件，在與力學、材料學、電磁學、熱學等學科相關的實際工程中得到廣泛應用。用ANSYS進行仿真必需施加邊界條件，邊界條件可以采用遠場或者采用足夠寬的空氣層來模擬。如采用空氣層，氣層厚度一般是所仿真的關鍵區(qū)域的7～8倍。鑒于井筒相對磁化裝置無限長，如采用遠場來模擬邊界條件，井筒和空氣難以區(qū)分，所以所建模型中在軸向方面井筒長度及相應的空氣層是磁化裝置的17倍長。磁化裝置置于模型中間，在徑向方面，以空氣層代替水泥及土壤模擬邊界條件，空氣層相對井筒兩邊各延伸8倍寬度。應用集膚深度公式 δ=1計算得，δ=0.4mm。在集膚深度內劃分了兩層網格。用自由網格和映射網格相結合的方式劃分網格，在缺陷和鋼管表面等關心區(qū)域進行了局部細劃。網格劃分如圖3所示。

可調的參數有銜鐵和鋼管的空氣隙、銜鐵半徑R、銜鐵寬度K、銜鐵長度C、線圈電壓。得出的主要結論如下：

（1）對1～12 mm的空氣隙進行模擬時，空氣隙與磁化強度呈非線性關系，隨著磁化間隙增大，磁化強度逐漸減小。

（2）對5～60mm的銜鐵半徑進行模擬時，隨著銜鐵半徑的增加磁化強度也在增加，但是增加幅度不大，為減小裝置重量和體積考慮，應以20～30mm為宜。

（3）對5～60mm的銜鐵寬進行模擬時，隨著銜鐵寬度的增加磁化強度大體上也在增加，但是增加的幅度不大，同樣為減小體積和重量，應選擇5～20mm。

（4）對30～130mm的銜鐵長進行模擬時，隨著銜鐵長度的增加磁化強度也在增加，剛開始幅度較大，后面逐漸飽和。同樣為減小體積和重量，取銜鐵長度為50mm。

（5）對5～30 V的線圈電壓進行模擬時，磁化強度與線圈電壓成正比，對線圈施加的電壓能更好的提高磁化強度，不僅比較方便，而且提高的幅度要大得多，但是電流大了，還要考慮發(fā)熱問題。

基于以上的模擬結果，選定空氣隙3 mm，銜鐵半徑20mm，銜鐵寬20mm，銜鐵長50mm，線圈電壓30V，頻率為1kHz。然后建模分析缺陷信號波形，得出結論如下：

（1）在寬度固定為2 mm時，對深度為1～7 mm的缺陷漏磁場進行模擬。結果如圖4所示，說明在寬度一定的情況下，缺陷深度越大信號峰值越高，曲線越陡峭，越有利于缺陷的檢出。

（2）在深度固定為2mm時，對寬度分別為1mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm 的缺陷漏磁場進行模擬。結果如圖5所示，在深度一定的情況下，剛開始隨著寬度的增加信號的峰值也增加，信號越陡峭，在達到峰值后開始出現(xiàn)雙峰，雙峰距離增大，雙峰值逐漸減小。

4 漏磁檢測裝置總體設計

如圖6所示，漏磁檢測系統(tǒng)由電源、磁化裝置、檢測探頭、A/D模塊、計算機等組成。磁化裝置將鋼管磁化后，由檢測探頭檢出信號，再由A/D采集，最后在計算機中顯示分析結果。

圖6 漏磁檢測裝置的總體結構圖

4.1 磁化裝置

磁化裝置在漏磁檢測中起關鍵作用，磁化強度不夠就無法檢測出缺陷。磁化裝置采用高磁導率、低矯頑力的錳鋅鐵氧體作為磁芯，在磁芯上纏繞一定匝數的線圈。磁化強度大小由線圈匝數和通過線圈的電流調節(jié)。

4.2 檢測探頭

檢測探頭由PCB板和hal3503霍爾元件組成，Hal3503固定在PCB板上面，PCB板固定在纏繞好的線圈上。Hal3503分辨率7.5～15.4mV/mT，為了不漏檢并且提高掃描速度，霍爾元件必須均勻分布在PCB板外圍。PCB布版如圖7所示。

4.3 數據采集

數據采集由臺達PLC模塊DVP-14SS和A/D模塊DVP-04AD組成，DVP-14SS自帶485接口，可以和計算機進行串行通信，DVP-04AD是 14位A/D轉換器，輸入電壓范圍±10VDC，分辨率1.25mV，有4個輸入通道。

4.4 計算機顯示

采用Visual studio 2005 C#編程，利用RS232串口和DVP-14SS通訊，可以顯示4通道的波形，實時顯示檢測數據。串口通信采用C#自帶串口組件serialPort，波形顯示采用Web組件C1.Win.C1Chart。流程圖如圖8所示。

4.5 漏磁檢測裝置

總體檢測裝置如圖9所示，從左上到右下分別是井筒、磁化裝置和檢測探頭、直流電源、DVP-14SS和DVP-04AD、RS485到RS232轉接器。軟件用戶界面如圖10所示。

圖8 流程圖

5 結束語

實驗室實驗表明，系統(tǒng)可以檢測出CNG儲氣井的缺陷，檢測精度可從2方面進一步提高：

（1）從硬件入手，增大磁化強度和傳感器靈敏度；

（2）采用人工神經網絡等技術，提高數據處理精度。

存在的主要問題有2個方面：（1）漏磁檢測對漸變性腐蝕不敏感，而CNG儲氣井在使用過程中大量的腐蝕是漸變性的；（2）漏磁檢測的磁化系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)體積較大，而老式的CNG儲氣井井口不能拆卸，很難實現(xiàn)無損檢測。

進一步的工作是在提高檢測精度的基礎上，設計適應于老式井口的磁化檢測系統(tǒng)，并考慮超聲波檢測的互補性，研制漏磁和超聲綜合檢測系統(tǒng)。

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