埋地油氣管道應力集中磁力外檢測技術

廖柯熹，何騰蛟，李明紅，何國璽

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500; 2.中國石油西南管道公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在我國經濟迅速發展形勢下，國家對石油及天然氣等能源產品的需求在不斷增加，埋地鋼制管道輸送是目前油氣輸送的主要手段[1]。但是，埋地油氣管道在服役期間會因為受到局部載荷的作用，使其在受力位置產生應力集中區域，該區域的存在容易誘發裂紋[2]，導致管道失效乃至發生事故。因此，對應力集中區域進行檢測與評估，可以起到對鐵磁管道早期診斷的作用，有力保障管道的安全運行。

磁力檢測技術是一種有效檢測鐵磁管道應力集中的方法，在地磁場磁化作用下，管道應力集中區域會產生自漏磁場的畸變，通過檢測突變磁場可以判斷應力集中情況[3]。在國內，賈東等[4]通過不同載荷水平下的板材拉伸實驗，得到試件表面磁場長度方向分量極值、法向分量梯度值以及合成矢量的變化規律；楊梅芳等[5]設計研制一款基于磁導率檢測原理的高靈敏傳感器，用于檢測鐵磁試件應力集中狀態。任尚坤等[6]通過循環加載實驗研究了磁信號隨拉應力的變化規律，建立了磁化強度與拉應力的關系模型。在國外，Sablik等[7]分別建立了塑性變形和雙軸應力下鐵磁材料的磁化理論和模型；Wilson等[8]通過對磁記憶信號空間三分量的實驗研究，得出磁場強度切向分量與應力之間具有很強的相關性；Roskosz等[9]通過實驗研究了殘余應力與剩磁之間的關系，建立了磁場梯度與殘余應力之間定量關系的經驗算法。

國內外學者在應力檢測裝置研制以及應力與磁場參數的定量關系研究等方面做了一些工作，但針對工程實際應用的檢測方法研究較少；因此，本文提出一種有效的磁力檢測方法用于檢測埋地油氣管道的應力集中位置和評價應力集中程度，并在中石油某長輸輸氣干線利用非接觸式磁力檢測大范圍排查應力集中管段，然后對應力集中嚴重管段開挖后進行接觸式磁記憶檢測確定應力集中具體部位，并采用X射線探傷驗證磁檢測結果，取得了良好的應用效果。

1 非接觸式磁力檢測

非接觸式磁力檢測由于具有在非開挖條件下檢測、檢測速度快、不受管道尺寸和形狀的限制、可實現管道設備100%檢測的技術特點，可對埋地管道進行大范圍檢測，尤其可用于對直徑大，彎頭多，地形復雜的山地管道進行快速檢測。

1.1 檢測原理

在地磁場和應力的共同作用下，埋地鐵磁性管道內部的磁疇發生可逆或不可逆的重新取向，導致管道的總磁矩發生變化，宏觀上表現出磁性并在管道周圍產生附加磁場，這種磁場疊加于地磁場之上，能夠反映管道的應力狀態，且該磁場與技術磁化引起的磁場存在差異，同時為便于與漏磁檢測產生的磁場區分，該磁場通常被稱為自漏磁場[10]。局部應力狀態的變化導致管道應力集中部位的自漏磁場發生畸變（如圖1所示），因此通過對自漏磁場的檢測即可識別出管道應力集中區域。基于這一原理，形成了基于鐵磁材料表面自漏磁場的非接觸式磁力檢測技術。

圖1 管道應力集中自漏磁場特征示意圖

非接觸式管道磁力檢測是針對具有一定埋深、受地磁場磁化的鐵磁性管道開展的無損檢測技術。該方法基于管道上方地面的自漏磁場的磁感應強度三分量信號，計算得到管道的梯度信號，從而識別管道的應力集中區域。

1.2 檢測方法及應力風險等級劃分

1.2.1 檢測方法

在現場實地測量過程中，非接觸式掃描磁力計水平放置，保持其軸向垂直于管道走向，具體如圖2所示。其中Y軸正向為管道走向，1號探頭、2號探頭檢測的磁感應強度分量軸向分布彼此對應相同，且均符合右手定則。

圖2 非接觸檢測走向示意圖

所得測量結果為P點的磁感應強度三分量沿垂直于管道軸向的梯度通過下式計算得到梯度模量GM：

式中：i——磁感應強度的x，y，z方向；

Bi1——1號傳感器i方向的磁感應強度，nT；

Bi2——2號傳感器i方向的磁感應強度，nT；

l——探測儀的長度，m。

1.2.2 應力風險等級劃分

對于含有應力損傷的管段，根據磁異常綜合指數F確定損傷管段的應力風險等級[11]，F值按下式計算：

式中：A——修正系數；

GM——應力集中的度量值。

參考GB/T 35090-2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》，結合實際工程經驗，管道應力風險等級分為3個等級：Ⅰ級為高風險，Ⅱ級為中等風險，Ⅲ級為低風險，磁異常綜合指數F值范圍與相應的管道應力風險等級見表1。

表1 管道應力風險等級劃分

1.3 非接觸式磁力檢測設備

研究采用的檢測裝置Grad-03-500M主要分為3個部分：1）磁傳感器探頭，設置在探測器的兩端，兩傳感器之間距離為0.5 m。2）顯示與控制部分，其中顯示儀顯示探頭測得的兩點之間磁感應強度差值，同時設備也具有無線傳輸功能，可以將測得的實時數據傳遞到遠端電腦。3）電源，為設備提供可靠穩定的輸出電流，如圖3所示。

圖3 非接觸式三維磁力檢測系統

磁傳感器的具體參數如表2所示。

2 接觸式磁記憶檢測

通過非接觸式磁力檢測可以確定應力集中區域所在的管段（異常管段長度一般為1~2 m），在確定應力集中相對嚴重的管段位置之后，通過開挖進行接觸式檢測找出異常管段內具體的應力集中部位。同時，非接觸式磁力檢測在實際檢測條件下可能受到外界環境其他磁信號的干擾，如沿線的高壓線，電氣化鐵路以及鐵制構件等，造成誤檢的情況，所以需要對檢測出的疑似應力集中管段采用開挖接觸式檢測方法進行核實。

表2 傳感器參數

目前，對鐵磁管道應力集中區域的接觸式檢測方法主要為金屬磁記憶檢測，這種方法具有較快的檢測速度，十分適用于現場即時檢測。

2.1 檢測原理

磁記憶檢測的工作原理在于管體的應力分布發生改變，進而影響表面磁場分布，通過測量管道表面磁場Hp的分布，實現檢測管道或管道局部的應力狀況。如圖4所示，應力集中區的法向磁場強度分量Hp（y）出現過零點，切向磁場強度分量Hp（x）達到極大值[12]。

圖4 應力集中區磁記憶信號表現形式

2.2 判定依據

目前認為可作為判定應力集中的磁記憶信號特征值主要有以：

1）應力集中區域的磁場強度法向分量Hp（y）過零點；2）在檢測方向上，應力集中區域的磁場強度梯度K值明顯大于管道其他部位；3）應力集中會使李薩如圖（Lissajous-Figure）出現對應的封閉區域，并且封閉區域的面積會隨著應力集中程度的增加而增大[13]。

2.3 技術特點

金屬磁記憶檢測是目前對在役管道應力狀態進行檢測評估唯一可行的接觸式檢測技術。且與傳統的無損檢測方法相比，具有一些明顯的優點[14]：

1）利用地磁場對鐵磁性管道進行磁化，無需專門的磁化設備；2）不需要對管道表面進行特殊處理；3）檢測儀與管道表面之間不需要填充耦合劑；4）檢測時探頭與被測管道不接觸，因此不需要剝離防腐層；5）應力集中磁信號特征明顯，檢測準確性高。

3 現場檢測應用

對某高后果區與地質災害區疊加地帶輸氣管道進行磁力外檢測，確定應力集中管段位置以及應力集中部位，檢測管道長度為500 m。該管線于2013年建成投產，管線規格為Φ508 mm×9 mm，管道設計壓力為6.3 MPa，在役運行壓力為4.87~4.92 MPa，管道本體材質L360，防腐層采用3層結構聚乙烯涂層（3PE）。

檢測管道沿縱坡敷設，縱坡傾角為45°~60°，坡體土質疏松，雨季降雨量大，曾多次發生滑坡，造成管道局部應力集中，嚴重威脅管道安全，急需進行一次系統檢測，根據檢測結果進行維修。

3.1 檢測流程

根據國家發明專利 “非接觸式管道磁檢測方法”排查應力集中管段[15]，主要檢測步驟如圖5所示。

圖5 磁力外檢測技術工程應用主要步驟

3.2 非接觸式磁力檢測掃查

采用非接觸式磁力檢測系統對500 m管段進行檢測，該地區的大地磁場強度背景值722 nT，檢測到的最大磁場異常幅度為11 800 nT。基于輸氣管段的設計與運行參數，并根據采集的管道磁場變化情況，最終形成管道磁異常管段位置、綜合磁異常指數F值和應力風險等級等結果。在已檢測的500 m高后果區輸氣管段中，除陰保樁引起的明顯磁信號變化外，共發現2處磁異常管段出現較明顯的磁場信號變化，如圖6所示。

圖6 檢測管道非接觸磁檢測信號

參考GB/T 35090-2018，結合實際經驗，通過計算全線的磁異常綜合指數F值確定應力風險等級較高的磁異常管段，全線的F值分布如圖7所示，確定出的磁異常管段如表3所示。

圖7 檢測管道磁異常指數F值分布

表3 磁異常管段參數

3.3 開挖檢測定位

對應力風險等級較大的磁異常管段CY02進行開挖磁記憶檢測定位，一方面判斷非接觸式磁力技術檢測評價的應力風險等級與磁記憶設備直接檢測的結果是否吻合；另一方面確定具體的應力集中部位和導致應力集中的原因。

開挖檢測步驟[16]：開挖坑長度以異常點為中心前后各1.5 m，深度在管道底部0.5 m以下，并在管道兩旁各留出1.0 m寬度。使用金屬磁記憶檢測儀對開挖管道進行檢測，校核應力情況和確定應力集中部位。

3.3.1 開挖管段概況

CY02開挖管段為直管段，管道埋深2 m。開挖長度為3 m、寬度為3 m、深度為2.5 m。管道外防腐層完好，表面無凹陷變形，管段中部有環焊縫，見圖8。

3.3.2 金屬磁記憶檢測

檢測設備采用俄羅斯動力診斷公司研制的TSC-2M-8檢測儀，探頭由4個2通道傳感器組成，可以檢測磁場強度Hp，以及計算磁場強度梯度值K，奇數通道為切向分量測量結果，偶數通道為法向分量測量結果[17]。順氣流方向沿開挖管段12點、3點、6點、9點各時鐘方位分別進行軸向檢測以及沿環焊縫進行環向檢測，檢測方式如圖9所示。

CY02管段各個時鐘方位的軸向檢測磁記憶信號表現出相同的變化特征，選取信號變化較為明顯的12點鐘方位的磁記憶檢測結果進行分析，相應的檢測結果如圖10所示。管段在距檢測起點1~1.1 m范圍內（環焊縫位置）的多道磁場強度曲線劇烈變化，磁場強度曲線存在過零點現象，且相較于管段其他部位，環焊縫位置磁場強度梯度值出現明顯的峰值特征，超過了規定極限值，判斷環焊縫位置存在應力集中現象。

圖8 CY02開挖管段

圖9 CY02管段金屬磁記憶檢測方式示意圖

圖10 CY02管段磁記憶檢測信號

采用第6通道法向磁記憶信號作為橫坐標，第5通道切向磁記憶信號作為縱坐標，繪制李薩如圖，如圖11所示。由圖可見，李薩如圖出現了封閉區域，封閉區域反映的即是開挖管段上環焊縫附近的應力集中區，封閉區域的面積大小反映了磁場的突變大小，進而反映其應力集中程度，其他部位不存在明顯的封閉區域，應力狀態較小。

圖11 CY02管段軸向檢測李薩如圖

環焊縫環向檢測結果如圖12所示，可以發現，環焊縫在6點鐘和9點鐘方向磁場強度梯度dH/dx值明顯大于其他時鐘方位，根據文獻[18]的研究結論分析判斷，環焊縫存在焊縫缺陷。進而導致含缺陷焊縫在滑坡荷載作用下形成了應力集中區域。

圖12 CY02管段環焊縫環向檢測信號

采用X射線探傷儀對環焊縫的6點鐘和9點鐘方位進行檢測，驗證環焊縫是否存在缺陷，評定結果如表4所示，相應的X射線探傷缺陷圖譜如圖13所示。根據檢測結果，兩個位置均存在內咬邊缺陷，根據SY/T4109-2013《石油天然氣鋼質管道無損檢測》標準[19]缺陷等級評定為Ⅳ級，為不合格焊縫，與非接觸式磁力檢測評定的應力風險等級相一致，需要立即修復。

表4 焊口X射線檢測結果數據表

圖13 焊縫缺陷X射線探傷

4 結束語

鐵磁材料的磁信號反映了材料所受應力及損傷的狀態，通過非接觸式磁力檢測的磁信號參數，可以定量評價油氣管道的應力集中程度；金屬磁記憶檢測手段驗證了開挖管段存在強烈的應力集中并定位了應力集中點，X射線檢測手段發現了應力集中點存在缺陷，且評級結果與非接觸式磁力檢測評價的損傷等級一致，通過非接觸式磁力檢測大范圍掃查，接觸式磁記憶檢測準確定位等技術，可以有效檢測出埋地油氣管道的應力集中區域。