非接觸式磁檢測技術在長輸管道外檢中的應用

朱圣平 許 航

廣西天然氣管道有限責任公司, 廣西 北海 536000

0 前言

石油、天然氣管道用鋼多為低合金鋼,這類材料具有優良的強度及塑韌性,在失效斷裂前往往會出現塑性形變和局部應力集中的現象。導致管道應力集中發生的原因很多,一方面施工過程控制不嚴、強行組對、管溝底部石塊擠壓管道、回填時管道下方懸空、彈性敷設曲率半徑過小、土體沉降等都會導致管道宏觀意義上的應力集中[1];另一方面,管材本身缺陷、焊接帶來的熱應力及組織應力、腐蝕形成腐蝕坑等材質的不均勻性都會造成管道微觀應力集中。在管內交變壓力的長時間作用下,材料的疲勞極易在這些應力集中區引起管道失效開裂[2-3]。所以對管線鋼來說,在產生可檢測到的裂紋或缺陷之前,就可能因為焊接、腐蝕、外力、材質本身及工作載荷等因素產生了應力集中,這些區域往往就是材料后期失效的萌生點[4]。因此,通過對應力集中區的檢測可以找到管體破壞的根源,提前對問題管段進行處理,避免事故的發生,這對國家經濟和能源安全有著重要意義[5-6]。

1 非接觸式磁檢測技術原理

管道施工期間的檢測以射線、超聲和磁粉檢測等方法為主,針對的是材料內部、表面及近表面的缺陷,以檢出宏觀體積缺陷或裂紋為主要目的,對事故產生了一定的預防作用。在管道服役期,主要通過漏磁檢測對管道進行檢測,同樣也是針對材料表面或近表面的宏觀體積缺陷,這種方法需要比較嚴格的清管和磁化條件,只有當外加磁場方向最大限度地同管體的缺陷正交時,才能產生最大的漏磁場,從而通過檢測儀發現管體缺陷,在一定程度上檢測出問題管段,但是其抗干擾能力差、容易出現虛假數據,往往會造成不必要的開挖[7-8]。傳統的檢測方法對管道的缺陷檢測起到了一定的作用,但無法早期發現因應力集中而產生的裂紋萌生點[9-10]。

本文檢測金屬應力的非接觸式磁檢測技術與金屬磁記憶檢測儀都是利用金屬磁記憶的檢測方法。金屬磁記憶可以準確地檢測出埋地管道的應力集中區和塑性形變區,并根據磁異常綜合指數判斷其相應的危險程度[11-13]。鐵磁性材料埋設后受到地磁場的磁化,會在相應位置產生疊加于地磁場之上的附加磁場。地磁場的梯度與管道附加磁場的梯度相比顯得非常微弱,因此用檢測儀采集的空間磁場梯度數據主要是由埋地管道激勵出來的附加磁場的信息。在應力作用下鐵磁性材料的磁疇組織會發生定向和不可逆的重新取向,宏觀上影響了鐵磁材料的磁化率,并在應力集中區形成最大地漏磁場變化,進而引起管道外一定范圍內磁場變化,非接觸式磁檢測技術正是通過捕捉這部分變化的空間磁場,從而確定鐵磁材料的應力集中區,并根據磁場變化形態來決定缺陷的危險程度[14-17]。相較于漏磁檢測,金屬磁記憶檢測無需停輸、表面處理及額外磁化,設備簡單,更加適于新建或在役管道的應力檢測[18]。

金屬磁記憶檢測儀的技術較為成熟,在國內外多條管道上已得到應用,不足之處是該技術需要對管道進行開挖,貼近管道采集數據,只能在可能的風險較大點開挖驗證,無法對全段管道進行研究分析。非接觸式磁檢測技術正是針對于此而開發出來的新型管道磁特征數據采集方法,可以避免管道開挖且對全線管道進行檢測,降低了管道外檢的費用。

為進一步驗證非接觸式磁檢測技術在實際檢測工作中的可行性,本次試驗選取了一段新建埋地長輸管道,檢測該段管道的應力集中點并根據磁異常綜合指數判斷其相應的危險程度,最后通過開挖檢測對結果進行驗證[19]。

2 檢測應用

試驗管段位于廣西天然氣管道山背嶺閥室至花屋洞閥室之間,全長18.5 km,管道材質為X 70 M,外徑為813 mm,壁厚為14.2 mm,外防腐為3 PE,設計壓力為10 MPa。非接觸式磁檢測技術采用非接觸式三維高精度磁應力檢測儀對管道正上方的空間磁場梯度數據進行采集,并確定磁異常點分布和綜合應力水平。

在用PCM檢測完埋地管道的走向和埋深后,探管小組利用PMDT探測儀沿著管道正上方采集空間磁場梯度數據,并通過式(1)對各點的磁異常綜合指數進行計算,將計算結果與表1對照,發現試驗管道存在2個Ⅱ級應力集中點及1 120個Ⅲ級應力集中點,沒有發現Ⅰ級應力集中點。

(1)

式中:F為磁異常綜合指數;A為矯正系數,表明了管道缺陷對磁場變化的影響;QɑH,Qφ為異常區沿管道軸線方向及背景“靜區”中磁場強度分部密度[20],A/m。

表1 磁異常綜合指數及其異常等級

磁異常綜合指數異常等級管道狀況0

1號Ⅱ級應力集中管段位于3 249.2～3 255.8 m之間,長6.6 m,通過式(1)計算F值為0.53,其空間磁場波形圖見圖1。

圖1 1號Ⅱ級應力集中點上方空間磁場波形圖

2號Ⅱ級應力集中管段位于3 944.6～3 952.8 m之間,長8.2 m,通過式(1)計算F值為0.54,其空間磁場波形圖見圖2。

圖2 2號Ⅱ級應力集中點上方空間磁場波形圖

3 開挖驗證

為了準確獲得管段的應力集中信息,利用8通道TSC-2 M-8金屬磁記憶檢測儀對檢測出的高風險磁異常點進行開挖驗證。根據非接觸式磁檢測的磁異常分布特征,結合管道工況和現場開挖條件對2個危險性較大的Ⅱ級磁異常管段進行開挖驗證。

1號Ⅱ級應力集中管段驗證坑長度3 m,寬2 m,深3.2 m,開挖后用電火花檢測儀和超聲波測厚儀對外防腐層進行檢測,防腐層外觀完好且無減薄。用金屬磁記憶檢測儀對其進行磁場檢測,金屬磁記憶曲線見圖3。

2號Ⅱ級應力集中管段驗證坑開挖長度3 m,寬2 m,深2 m,開挖后用電火花檢測儀和超聲波測厚儀對外防腐層進行檢測,防腐層外觀完好且無減薄。用金屬磁記憶檢測儀對其進磁場檢測,金屬磁記憶曲線見圖4。

根據TSC-2 M-8金屬磁記憶檢測儀檢測結果,計算dH/dx值:1號異常管段整體dH/dx值為20 A/(m·mm),在開挖點起點0.07 m處存在磁異常,其dH/dx值為130 A/(m·mm);2號異常管段整體dH/dx值為20 A/(m·mm),在開挖點起點0.4 m和0.93 m處存在磁異常,其dH/dx值分別為75和103 A/(m·mm)。根據金屬磁記憶檢測的dH/dx值分類,100 A/(m·mm)≤dH/dx<300 A/(m·mm)為Ⅱ級缺陷，可見驗證結果與非接觸式磁檢測技術中的磁異常綜合指數F結果一致。

圖3 1號Ⅱ級應力集中點金屬磁記憶檢測曲線圖

圖4 2號Ⅱ級應力集中點金屬磁記憶檢測曲線圖

4 結論

本文以新建的埋地輸氣管道為試驗對象,應用非接觸式磁檢測技術通過非開挖的方式對管道進行了試驗性的外檢測工作,并且通過技術較為成熟的金屬磁檢測儀對兩個風險較大點進行了開挖驗證,與試驗結果完全一致。因此非接觸式檢測技術可以作為一種新型的檢測長輸管道的有效手段,與傳統的內外檢測技術相互配合驗證,作為確定管道腐蝕率、損傷率和修復時間的依據,此外該技術費用較低,不需要開挖就可以得到更加全面的管道信息,也可以作為一種定期監控缺陷部位的技術手段。本次試驗只進行了1次充分性試驗,作為發展中的新技術今后還應進行更多的充分性和必要性驗證。