石油用管壁厚全覆蓋監(jiān)測方法的研究

何箭（合肥中大檢測技術(shù)有限公司，安徽合肥　230088）

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石油用管壁厚全覆蓋監(jiān)測方法的研究

何箭
（合肥中大檢測技術(shù)有限公司，安徽合肥230088）

摘要：石油用管一般由鐵磁性材料軋制形成。管道壁厚受到油、氣、水的腐蝕作用會發(fā)生壁厚變薄，嚴(yán)重的會受壓破裂泄漏，造成安全事故。國際上常用射線測厚和超聲測厚兩大常規(guī)方法，不能滿足對管道全面覆蓋監(jiān)測。本文研究一種對石油用管全覆蓋的壁厚監(jiān)測方法。該方法利用管道的磁屏蔽效益，對石油用管外施穩(wěn)恒磁場充分磁化，由于壁厚損失區(qū)對壁內(nèi)磁場的排斥作用，將一部分磁場排擠到管道外表面，利用大量磁敏元件覆蓋管道圓周，拾取被排擠到管道外表面的壁厚損失磁場，轉(zhuǎn)化為壁厚的損失圖形，達(dá)到全覆蓋監(jiān)測石油用管壁厚的目的。

關(guān)鍵詞：石油用管；壁厚損失；穩(wěn)恒磁場；全覆蓋；壁厚監(jiān)測

石油用管一般由鐵磁性材料軋制成，承載高壓油氣的采集和運(yùn)輸。管道壁厚受到油、氣、水的腐蝕作用會發(fā)生變薄的現(xiàn)象，過度壁厚變薄可能使管道承受不了高壓作用而造成破裂泄漏，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。對這些石油用管進(jìn)行定期壁厚全覆蓋監(jiān)測有非常重要意義。目前，國際上通常采用的是射線和超聲測厚兩大常規(guī)方法。射線測厚是將射線束聚焦后再穿過管道，在感光膠片或顯示器上形成圖像，再對圖像分析，確定壁厚變化情況[1]。該方法要求嚴(yán)密防護(hù)射線對人體的傷害，同時(shí)也只能進(jìn)行局部測厚；超聲測厚也是將超聲束聚焦，通過油、水介質(zhì)耦合到管道壁上進(jìn)行測厚[2]。介質(zhì)的耦合性能對檢測結(jié)果影響很大，也只能對局部區(qū)域進(jìn)行測厚。本文研究一種石油用管全覆蓋壁厚監(jiān)測方法。該方法利用管道的磁屏蔽效益，對鐵磁性石油用管外施穩(wěn)恒磁場，進(jìn)行充分磁化，由于管道壁厚損失區(qū)對磁場的排斥作用，一部分磁場被排斥到管道外表面空間。利用磁敏探頭檢測管道外表面空間磁場的變化，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號分析和專用軟件圖形顯示管道壁厚的變化情況和等級，達(dá)到全覆蓋監(jiān)測石油用管壁厚的目的。

1　石油用管壁厚電磁法檢測原理

1.1石油用管對穩(wěn)恒磁場的屏蔽效應(yīng)

如果鐵磁性管道材料介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ1，管道內(nèi)外空間介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ2，由于（μ2＜μ1），鐵磁性石油用管外施穩(wěn)恒磁場（見圖1），長直的管道在受到外施局部磁場充分磁化。

外磁場進(jìn)入管道時(shí)，磁場強(qiáng)烈匯聚在管道壁內(nèi)，而鐵磁性管道所包圍的管道內(nèi)壁空腔內(nèi)多是空氣、油、水和化學(xué)材料等物質(zhì)，其磁導(dǎo)率比管道的磁導(dǎo)率小得多，因而幾乎無磁感應(yīng)線通過管道內(nèi)腔[3-5]。這表明石油用管鐵磁性物質(zhì)對它所包圍的內(nèi)壁空腔起到磁場屏蔽作用。

圖1　鐵磁性管道壁厚電磁法監(jiān)測原理

1.2石油用管壁厚電磁法監(jiān)測原理

根據(jù)管道對穩(wěn)恒磁場的屏蔽效應(yīng)，對管道施加軸向磁化場至充分飽和程度，磁場主要分布在管道壁內(nèi)和管道外壁表面空間，而管道內(nèi)腔幾乎沒有磁場通過。在管道外壁設(shè)置大量磁敏傳感器組成的陣列，他們閉合時(shí)構(gòu)成完整的檢測圓環(huán)，能夠檢測管道外壁空間磁場的分布和變化情況。當(dāng)管道壁厚正常的部分進(jìn)入磁化區(qū)，管道外表面空間的磁場恒定，磁敏探頭檢測該恒定磁場，并顯示正常管道壁厚圖形數(shù)據(jù)；當(dāng)管道的壁厚變薄區(qū)域進(jìn)入磁化區(qū)，管壁內(nèi)部分磁力線被排斥到管道外表面空間，在管道外表面空間形成磁場增量[6，7]，磁敏探頭檢測磁場增量并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號分析和專用軟件界面圖形來顯示管道壁厚的變薄情況和等級。當(dāng)管道的壁厚增厚區(qū)域進(jìn)入磁化區(qū)，外壁空間部分磁力線被匯聚到管道壁內(nèi)，在管道外表面空間形成磁場減量[8，9]。探頭檢測磁場減量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，監(jiān)測管道壁厚的增加情況。

2　石油用管壁厚監(jiān)測方法

2.1陣列化磁敏探頭的組成

管道壁厚監(jiān)測由陣列化磁敏傳感器構(gòu)成的探頭以及探頭對管道的外壁空間的分布情況（見圖2）。

每一個(gè)通道的磁敏傳感器長度約2.5 mm，由大量的單通道磁敏傳感器精密排列，組成陣列化壁厚檢測探頭。至少由四組探頭共同實(shí)現(xiàn)對管壁外圓的360°全覆蓋。四組探頭構(gòu)成環(huán)狀，分別處于管道圓周的第一、第二、第三和第四象限，當(dāng)他們合攏時(shí)，各自覆蓋90°的空間位置。

2.2待檢測狀態(tài)

當(dāng)管道沒有到達(dá)或者離開壁厚檢測的磁化區(qū)間時(shí)，圖2中的四組探頭在定位機(jī)構(gòu)的作用下張開，處于等待狀態(tài)，避免管道端頭或接箍撞擊探頭。此間，磁化器發(fā)出的磁通在線圈的中心沿縱軸和線圈的外側(cè)分布，所有的霍爾陣列處于關(guān)閉截止階段，無信號輸出。

圖2　管道壁厚全覆蓋監(jiān)測方法

2.3檢測狀態(tài)

當(dāng)管道進(jìn)入檢測的磁化區(qū)間內(nèi)，大量磁力線將匯聚在管道壁內(nèi)。四組探頭在定位機(jī)構(gòu)的作用下貼合管道外壁，處于檢測狀態(tài)。若有管道壁超厚的部分進(jìn)入磁化區(qū)，處于外壁空間的磁力線匯集到管道壁內(nèi)，從而在探頭處形成-ΔB，探頭反相輸出＋ΔV電平。

相反的，若有管道壁超薄的部分進(jìn)入磁化區(qū)，管道壁內(nèi)部分磁力線被排斥到外壁空間，從而在探頭處形成+ΔB，探頭反相輸出-ΔV電平。

隨著管道壁厚的增厚或變薄程度的變化，探頭輸出的電平也相應(yīng)線性地變化。

同理，對于管道壁均勻區(qū)域，管道外壁空間磁場穩(wěn)恒不變，探頭輸出恒定。

3　石油用管壁厚監(jiān)測系統(tǒng)

石油用管壁厚監(jiān)測系統(tǒng)一般由恒流源磁化裝置、陣列化磁敏探頭、管道全覆蓋掃查裝置、信號處理裝置、顯示和記錄裝置等組成。

恒流源磁化裝置為磁化器提供穩(wěn)恒勵磁電流，經(jīng)過調(diào)整確定后的穩(wěn)恒勵磁電流能將通過磁化區(qū)的管道充分磁化。

陣列化磁敏探頭將大量磁敏傳感器按管道外表面弧度密集排列，形成陣列化的壁厚檢測探頭。將多只探頭排列構(gòu)成能覆蓋全部圓周的探頭組。

管道全覆蓋掃查裝置，使管道按一定的速度通過磁化器接受穩(wěn)恒磁場磁化，同時(shí)保證探頭貼合在管道全部外圓表面，掃查管道外表面的磁場變化，并轉(zhuǎn)化成壁厚信號。

信號處理裝置，大量磁敏傳感器輸出信號經(jīng)過預(yù)處理后，采用時(shí)總線的方式將多路信號送到信號處理裝置，經(jīng)過運(yùn)算、比較后形成數(shù)字化的壁厚數(shù)據(jù)。

顯示和記錄裝置，用圖形方式顯示每只管道被監(jiān)測的全部過程，顯示管道的壁厚變化并及時(shí)記錄，建檔備查。監(jiān)測圖形中有對比試樣形成的報(bào)警線，當(dāng)被監(jiān)測管道全長壁厚沒有越過報(bào)警線為合格；當(dāng)管道任意一處壁厚變化超過報(bào)警線，為不合格；監(jiān)測圖形還包括管道的參數(shù)、鋼號、爐號、監(jiān)測時(shí)間、操作人員、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

4　試驗(yàn)與使用情況

本監(jiān)測方法形成的石油用管壁厚電磁監(jiān)測系統(tǒng)2014年10月開始應(yīng)用在勝利油田高原石油裝備有限公司，現(xiàn)場分別采用外徑73 mm、139.7 mm、177.8 mm，壁厚分別為5.51 mm、9.17 mm、9.19 mm的試樣，各進(jìn)行25次驗(yàn)收試驗(yàn)。

驗(yàn)收試驗(yàn)說明壁厚損失為管道標(biāo)稱壁厚12 %的試樣都檢測出來，并觸碰了報(bào)警線。

其后，通過1年的正式運(yùn)行監(jiān)測，說明該壁厚監(jiān)測系統(tǒng)滿足對大批量石油用管檢測可靠的壁厚監(jiān)測，滿足美國石油學(xué)會API規(guī)范相關(guān)要求。

在鞍鋼無縫鋼管廠和淄博孚瑞特石油裝備有限公司的推廣應(yīng)用做了同樣證實(shí)。

5　石油用管壁厚檢測方法對比與總結(jié)

將國際上常用的兩大管道壁厚檢測方法進(jìn)行對照（見表1）。

表1　各種管道壁厚檢測方法性能對照

本文研究了利用管道的磁屏蔽效益，對鐵磁性石油用管充分磁化，根據(jù)管道壁厚損失區(qū)將一部分磁場排擠到管道外表面的程度，利用大量磁敏覆蓋管道圓周，檢測管道外表面磁場變化量，轉(zhuǎn)化為管道壁厚變化

圖形，實(shí)現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測石油用管壁厚方法。在鐵磁性石油用管壁厚檢測的各種方法中，本方法具有檢測速度快、覆蓋率高、漏檢率小、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。

多家大型管道軋制和加工企業(yè)的長期應(yīng)用實(shí)踐也證實(shí)了上述結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

［1］張曉春.X射線測厚儀在熱軋板帶中的應(yīng)用［J］.自動化儀表，2014，35（2）：88-91.

［2］朱君君，李緒豐.高維那工業(yè)管道超聲測厚系統(tǒng)［J］.無損檢測，2013，（6）：57-59.

［3］程守洙，江之永.普通物理學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1982.

［4］R.Dhayalan，V.Satya Narayana Murthy，C.V.Krishnamurthy，Krishnan Balasubramaniam.Improving the signal amplitude of meandering coil EMATs by using ribbon soft magnetic flux concentrators（MFC）［J］.Ultrasonics，2011，（6）：977-979.

［5］Kuansheng Hao，Songling Huang，Wei Zhao，Shen Wang，Jiarui Dong.Analytical modelling and calculation of pulsed magnetic field and input impedance for EMATs with planar spiral coils［J］.NDT and E International，2011.

［6］Forster F.Theorestische und Experimentelle Ergebnisse des Magnetischen Streuflussver fahrens［J］.Materialprufung，1981，23（9）：371-378.

［7］何輔云，丁克勤.鋼管漏磁檢測技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［8］徐志遠(yuǎn).帶包覆層管道壁厚減薄脈沖渦流檢測理論與方法［D］.華中科技大學(xué)，2012.

［9］黃琛.鐵磁性構(gòu)件脈沖渦流測厚理論與儀器［D］.華中科技大學(xué)，2011.

Research on a full-lengthily wall-thickness testing method of tubes used in oil industry

HE Jian
（Hefei Zhongda Inspection Technology Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230088，China）

Abstract :Tubes used in oil industry are made of ferromagnetic material.The tube wall thickness may be reduced due to the corrosion of oil,gasoline and biohazard.The wall-thickness loss area would be cracked and leaked under the pressure to cause safety accident.The two common methods of testing wall-thickness are x-ray and ultrasonic.However,neither of the methods can test the tube wall-thickness full-lengthily.In this paper a new method is proposed to achieve full-lengthily test of tube wall thickness.When a ferromagnetic pipe is saturated in an external constant magnetic field,magnetic shielding will be formed on the tube.If wall-thickness loss area exists on the tube,there will be magnetic flux leakage.Arrange an array of magnetic sensors to cover the circumference of the pipe.Move the magnetic sensors array from one end of the tube to the other to pick up the magnetic flux leakage signal.The MFL signal will be displayed graphically on a computer monitor.The goal of fulllengthily testing pipe wall thickness is achieved.

Key words：tubes used in oil industry；wall-thickness loss；constant magnetic field；fulllengthily test；wall-thickness test

作者簡介：何箭，女（1980-），副研究員，博士。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)新產(chǎn)品，項(xiàng)目編號：2014GRC30036。

*收稿日期：2016－01-12

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.007

中圖分類號：TE988.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）03-0026-04