管道內(nèi)外壁缺陷的漏磁檢測

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(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318；2.中石油川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，廣漢 618300)

管道運輸已成為石油和天然氣傳輸?shù)氖走x方式，在國民經(jīng)濟發(fā)展的運輸任務中起著不可替代的作用[1]。但是管道長期受內(nèi)部介質(zhì)和外部空氣等因素影響，非常容易發(fā)生腐蝕，甚至產(chǎn)生穿孔，發(fā)生介質(zhì)泄漏、管道爆炸等事故，嚴重威脅國家和人民財產(chǎn)安全[2-4]。因此，石油管道腐蝕泄漏檢測技術的研究變得越來越重要，在眾多管道缺陷的無損檢測方法中，漏磁檢測技術可實現(xiàn)管道的在線檢測，可實現(xiàn)帶防腐層檢測而不需要對表面進行打磨處理，且檢測速度快，減輕了檢測人員的勞動強度，得到了廣泛的應用[5]。

針對管道的主要缺陷形式，利用可變徑管道漏磁檢測儀對不同管徑、不同缺陷類型的試件進行檢測。通過分析不同類型腐蝕缺陷漏磁場的分布特性，得出管件內(nèi)外壁球形、槽形及外壁裂紋缺陷的漏磁信號峰值壓差曲線。其結論為后續(xù)現(xiàn)場檢測及定量分析缺陷的形狀和尺寸提供理論基礎和實踐依據(jù)。

1 試件的制備

嚴格按照標準NB/T 47013.12-2015《承壓設備無損檢測 第12部分：漏磁檢測》要求制備試件。選用與被檢測管件幾何尺寸相同、鐵磁性能相同或相近的材料，制備試驗需要38.1,50.8,76.2,101.6 mm共4種管徑，壁厚均為8 mm的校準試件、對比試件及裂紋試件。試件表面加工缺陷寬度與深度的公差不大于±0.2 mm。

1.1 管件校準試件

管件校準試件的最小長度為2 000 mm。在校準試件內(nèi)外表面分別加工寬為2 mm，深為20%,40%,60%,80%壁厚的4條周向槽，槽與槽之間的間距至少為200 mm。加工的內(nèi)外壁缺陷校準試件結構示意分別如圖1，2所示。

圖1 管件內(nèi)壁缺陷校準試件結構示意

圖2 管件外壁缺陷校準試件結構示意

1.2 管件對比試件

管件對比試件的最小長度為2 000 mm，且不得小于管件的外周長。在對比試件內(nèi)外壁上分別加工長為探頭陣列總掃查寬度的1.5倍，深為20%,40%,60%,80%壁厚的4個球形孔。孔與孔之間的間距至少為200 mm，兩端孔距試件邊沿的距離相同，且不小于300 mm。加工的內(nèi)外壁缺陷對比試件結構示意分別如圖3，4所示。

圖3 管件內(nèi)壁缺陷對比試件結構示意

圖4 管件外壁缺陷對比試件結構示意

1.3 管件裂紋試件

管件裂紋試件的最小長度為900 mm，且不得小于管件的外周長。在裂紋試件上從管件外表面分別加工寬為0.2 mm，深為0.5,0.8,1.0,1.2 mm的4條裂紋槽，槽與槽之間的間距至少為100 mm。加工的外壁裂紋試件結構示意如圖5所示。

圖5 管件外壁裂紋試件結構示意

2 試驗方法

2.1 管道漏磁檢測系統(tǒng)

試驗設計的管道漏磁檢測系統(tǒng)框圖如圖6所示,管道漏磁檢測系統(tǒng)軟件主界面如圖7所示。被測管壁被磁化后，由霍爾元件傳感器采集泄漏的磁場信號，然后將磁場信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺⑼ㄟ^數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入到工業(yè)計算機中，在工業(yè)計算機上便可通過管道漏磁檢測分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)的波形分析，識別管道的缺陷特征。

圖6 管道漏磁檢測系統(tǒng)框圖

圖7 管道漏磁檢測軟件主界面

圖8 校準試件漏磁信號波形

2.2 校準試件試驗

采用管道漏磁檢測系統(tǒng)對內(nèi)外壁存在凹槽缺陷的校準試件進行檢測。獲取試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后可觀測到缺陷漏磁場信號的三維模型和缺陷上方最佳通道所測數(shù)據(jù)的二維波形(見圖8)，深為20%,40%,60%和80%壁厚的缺陷都可以檢出，深為20%壁厚缺陷信號的檢出證明設備可以檢測出1.6 mm深的凹槽缺陷。

提取不同管徑內(nèi)外壁槽缺陷漏磁信號的電壓峰值和谷值，對應缺陷深度下電壓峰谷差如表1，2所示。將各管徑峰谷的壓差繪制成曲線，如圖9所示。可以看出缺陷越深，形成的峰谷電壓差越大。圖9中各管徑60%和80%壁厚的缺陷信號變化是由于調(diào)整儀器時提離值不同，檢測信號強弱就不同引起的。試驗證明凹槽缺陷深度越深，缺陷信號強度越強；凹槽缺陷深度相同時的缺陷信號不受管徑影響。

表1 各管徑外壁不同深度槽形缺陷的電壓峰谷差 V

表2 各管徑內(nèi)壁不同深度槽形缺陷的電壓峰谷差 V

圖9 不同深度內(nèi)外壁槽形缺陷的信號對比

2.3 對比試件試驗

在管道內(nèi)部球形缺陷制備時，首先在管道的一側開直徑為2.5 cm孔打通管壁，然后在孔的內(nèi)部深入到內(nèi)壁加工20%，40%，60%，80%壁厚的球形缺陷。采用管道漏磁檢測系統(tǒng)對內(nèi)外壁存在球形缺陷的管件對比試件進行檢測,對比試件實物如圖10所示。

圖10 對比試件實物

通過多次檢測提取數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后同樣可觀測到缺陷漏磁場信號的三維模型,以及缺陷上方最佳通道所測數(shù)據(jù)的二維波形(見圖11)，可以清晰地看出4個缺陷信號，證明20%,40%,60%,80%壁厚的缺陷信號都可以被檢測到，檢測精度最小可達1.6 mm。

提取不同管徑內(nèi)外壁球形缺陷漏磁信號電壓峰值和谷值，對應缺陷深度下峰谷的電壓差如表3，4所示。將各管徑內(nèi)外壁球形缺陷的峰谷差繪制成曲線，如圖12所示。圖12 中缺陷信號差異是儀器調(diào)節(jié)角度時出現(xiàn)誤差而導致的，并不影響檢測精度。由試驗結果可看出：球形缺陷深度越深，缺陷信號強度越強；球形缺陷深度相同時的缺陷信號不受管徑影響。

表3 各管徑外壁不同深度球形缺陷的電壓峰谷差 V

表4 各管徑內(nèi)壁不同深度球形缺陷的電壓峰谷差 V

圖12 不同深度內(nèi)外壁球形缺陷信號的對比

2.4 裂紋試件試驗

采用管道漏磁檢測系統(tǒng)對外壁存在裂紋缺陷的管道試件進行試驗，裂紋試件實物如圖13所示。

圖13 裂紋試件實物

經(jīng)過多次提取數(shù)據(jù)進行分析，可得缺陷漏磁場信號三維模型和缺陷上方最佳通道所測數(shù)據(jù)的二維波形(見圖14)，可明顯看出裂紋缺陷的信號幅值比槽缺陷和球形缺陷的幅值要小，對數(shù)據(jù)進行濾波處理后仍然可得到4個缺陷信號，證明設備可以檢測出0.5 mm深的裂紋缺陷。

圖14 裂紋試件缺陷的漏磁信號波形

提取不同管徑缺陷漏磁信號電壓峰值和谷值，對應缺陷深度下的電壓峰谷差如表5所示。將各管徑缺陷的峰谷差繪制成曲線，得到不同深度裂紋缺陷的信號對比如圖15所示。試驗證明裂紋缺陷深度越深，缺陷信號越強；裂紋缺陷深度相同時的缺陷信號不受管徑影響。

表5 各管徑不同深度裂紋缺陷的電壓峰谷差 V

圖15 不同深度裂紋缺陷的信號對比

3 缺陷信號幅值分析

可變徑管道漏磁檢測儀的提離值對缺陷信號的幅值有很大影響[6-7]，試驗采集多組數(shù)據(jù)，選取提離值相同時的幾組數(shù)據(jù)進行采樣，提取缺陷處最優(yōu)的傳感器信號進行分析，計算4種缺陷信號的幅值差來進行統(tǒng)計。為了更直觀地觀察數(shù)據(jù)的趨勢，對數(shù)據(jù)進行整理，得到各管徑不同類型缺陷在不同缺陷深度下的電壓峰谷差(見圖16)。

圖16 各管徑不同深度不同類型缺陷的信號對比

由圖16可知，相同缺陷深度下管外壁槽形缺陷的漏磁場信號強度大于管內(nèi)壁槽形缺陷信號;管外壁球形缺陷的漏磁場信號強度大于管內(nèi)壁球形缺陷的信號強度；而槽形缺陷的漏磁場信號強度大于球形缺陷的信號強度。

4 結論

(1) 漏磁檢測可檢出20%壁厚深度的點蝕、裂紋等缺陷；最小可檢測腐蝕深度1.6 mm；最小可檢測裂紋深度0.5 mm。

(2) 對同一類型缺陷而言，管外壁缺陷的漏磁場信號強于內(nèi)壁缺陷的信號，缺陷深度越深，漏磁場信號越強；缺陷深度相同時的缺陷信號不受管徑影響。

(3) 對不同類型缺陷的信號進行比較，槽形缺陷的漏磁場信號強于球形缺陷的。

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