新型供熱埋地金屬管道非開挖無損檢測技術(shù)研究

孫旭 段剛太 陸源 楊逍波

摘 ?要：供熱埋地金屬管道由于其所處環(huán)境和運(yùn)行工況惡劣，一旦發(fā)生泄漏和破裂會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響。管道非開挖無損檢測技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、高效、便捷的優(yōu)勢，對于提前預(yù)防管道事故，確保埋地管道使用過程的安全運(yùn)行具有重要意義。文章針對目前新型埋地管道非開挖無損檢測技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)其技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，對于后續(xù)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：埋地管道;瞬變電磁;磁記憶;弱磁

中圖分類號：TU990.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）22-0139-03

Abstract： Due to the harsh environment and operating conditions， the leakage and rupture of heating buried metal pipeline will cause huge economic losses and negative social impact. The trenchless nondestructive testing technology of pipeline has the advantages of economy， efficiency and convenience， which are of great significance to prevent pipeline accidents in advance and ensure the safe operation of buried pipeline. This paper studies the current trenchless nondestructive testing technology of new buried metal pipeline， summarizes its technical principle， advantages and disadvantages， which has important guiding significance for the development and application of subsequent related technologies.

Keywords： buried pipeline; transient electromagnetic; magnetic memory; weak magnetism

引言

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善和加強(qiáng)，城市集中供熱無論在規(guī)模和技術(shù)方面都有了很大發(fā)展，不僅表現(xiàn)在供熱范圍由北向南延伸，而且集中供熱系統(tǒng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。但隨著供熱管網(wǎng)輸送距離的增長，分支節(jié)點(diǎn)和附件設(shè)備的增多，較早鋪設(shè)的熱力管道在運(yùn)行15年以后開始逐漸出現(xiàn)管道老化、腐蝕、熱能浪費(fèi)等重大問題，造成安全事故頻發(fā)[1]，如何確保埋地供熱管道安全穩(wěn)定運(yùn)行成為了企業(yè)的難題，也愈來愈受到各級部門的重視。本文通過對各種非開挖無損檢測技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究，提出適用于供熱行業(yè)的埋地金屬管道非開挖無損檢測技術(shù)應(yīng)用條件。

1 管道腐蝕形態(tài)及影響因素

目前供熱管道多采用高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管，由輸送介質(zhì)的工作鋼管、聚氨酯保溫層、聚乙烯塑料外護(hù)管由內(nèi)向外依次結(jié)合而成（見圖1），其中聚乙烯塑料外護(hù)管起主要腐蝕防護(hù)作用。當(dāng)外保護(hù)層發(fā)生破損時(shí)，土壤中的空氣以及游離水會(huì)透過聚氨酯保溫層與鋼管發(fā)生接觸，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)造成金屬腐蝕，根據(jù)統(tǒng)計(jì)由腐蝕引起的管壁厚度減薄是造成管道失效破壞的主要原因之一，除此之外，管道還會(huì)出現(xiàn)沖刷減薄泄漏、焊縫失效泄漏、補(bǔ)償器失效泄漏等失效形式。

2 管道非開挖無損檢測技術(shù)現(xiàn)狀

常規(guī)無損檢測方法在供熱埋地管道的檢測應(yīng)用上存在明顯劣勢，主要體現(xiàn)為：一般需在管道表面露出條件下進(jìn)行檢測，對埋地管道需開挖施工，檢測一次消耗大量人力物力;檢測過程為逐點(diǎn)掃描式，無法保證檢測范圍全覆蓋。因此，應(yīng)用電磁檢測技術(shù)對埋地管道腐蝕危險(xiǎn)區(qū)的非開挖無損檢測，提前判斷管道腐蝕程度，計(jì)算管道剩余服役壽命，可以極大提高管道檢修維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2.1 瞬變電磁檢測技術(shù)

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method，TEM），是一種人工源的時(shí)間域電磁法[2]，其基本原理是電磁感應(yīng)定律。埋地金屬管道在長期服役后會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致管道金屬量損失和腐蝕產(chǎn)物堆積，使金屬管壁物理特性發(fā)生變化，即金屬量減少造成的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率下降。通過檢測發(fā)現(xiàn)這一變化并經(jīng)過相應(yīng)的解析算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以判斷管道腐蝕區(qū)段，并對管道腐蝕狀況給出科學(xué)的評價(jià)結(jié)果。

其中：K是磁場梯度值;ΔHp（y）是相鄰兩檢測點(diǎn)之間漏磁場的變化值/（A/m）;Δlk是傳感器的采樣長度/m。由式（5）可知，在其他條件相同的情況下，梯度值越大的區(qū)域存在的缺陷或應(yīng)力就越大。楊勇[9]等人選用俄羅斯動(dòng)力診斷公司研制的TSC-4M-16金屬磁記憶檢測儀以及非接觸檢測探頭對現(xiàn)場埋地管道進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)了焊縫應(yīng)力集中位置。因此，對于運(yùn)行中管道，由于不同位置壁厚不同，會(huì)造成相同內(nèi)壓條件下不同壁厚位置產(chǎn)生不同的應(yīng)力水平現(xiàn)象，此時(shí)適合磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用，且能發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷，但易受周圍其他電磁信號的影響。隨著檢測深度的增加，干擾信號不斷增加。

2.3 被動(dòng)式弱磁檢測技術(shù)

被動(dòng)式弱磁法檢測與磁記憶法檢測類似，利用高精度測磁傳感器，如磁通門傳感器等，對地球磁場穿透被檢工件后的磁場強(qiáng)度變化進(jìn)行精準(zhǔn)測量，通過分析磁場強(qiáng)度的變化來判斷被檢工件內(nèi)部和表面缺陷的一種完全被動(dòng)式非接觸無損檢測技術(shù)[10]。

埋地金屬管道鋪設(shè)運(yùn)營之后，由于長期處于地下，環(huán)境相對惡劣，各類腐蝕發(fā)生概率會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加。腐蝕一旦發(fā)生，必將導(dǎo)致金屬管道表面物理狀態(tài)的改變，引起其所處空間的感應(yīng)附加磁場強(qiáng)度發(fā)生變化。因此，通過探測埋地金屬管道上磁導(dǎo)率的變化和空間磁場強(qiáng)度的變化，便可以有效推斷出管道發(fā)生腐蝕的位置，進(jìn)而對埋地管道的安全狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)評價(jià)。饒曉龍[11]通過對被動(dòng)式弱磁檢測原理及檢測測試信號特點(diǎn)的研究和總結(jié)，結(jié)合磁場梯度變化規(guī)律和概率統(tǒng)計(jì)原理，提出被動(dòng)式弱磁檢測采集的管道空間磁場強(qiáng)度、管道埋深和管道腐蝕深度之間滿足指數(shù)關(guān)系，當(dāng)磁場梯度在（μ-2σ，μ+2σ）區(qū)間外變化時(shí)即可判定為缺陷。該技術(shù)方法對于常見腐蝕減薄及管體缺陷都有很好的檢出率，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測，檢測效率高。圖4和圖5為試驗(yàn)管件設(shè)計(jì)及信號處理結(jié)果。

3 結(jié)論

通過便捷準(zhǔn)確的檢測手段實(shí)現(xiàn)供熱埋地金屬管道的狀態(tài)評價(jià)，對于節(jié)約成本、指導(dǎo)日常檢修維護(hù)都具有重要意義。傳統(tǒng)檢測方法基本還都局限于開挖檢測或者部分開挖檢測，檢測手段也為逐點(diǎn)掃描式，效率低，且存在受外界雜散信號干擾和對于復(fù)雜管網(wǎng)分辯力不足等缺點(diǎn)。如何建立一個(gè)快速、便捷的檢測系統(tǒng)，能夠持續(xù)對管道進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對管道的定期風(fēng)險(xiǎn)評估，是未來我們需要攻克的技術(shù)難題。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們也應(yīng)該清醒意識到，單純依靠某一種技術(shù)是不能夠滿足各種工況下的管道檢測要求。不同檢測技術(shù)應(yīng)該互為補(bǔ)充，通過制定完善的現(xiàn)場檢測方案，根據(jù)實(shí)際情況選擇不同檢測方法相結(jié)合的方式來滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，這才是能夠真正將技術(shù)落地的有效途徑。

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