鐵磁管道非接觸式應力磁檢測方法及應用

牛化昶 孫奇北 廖柯熹 李博陽 趙建華 龐洪晨 孫彩云

（1. 山東省天然氣管道有限責任公司，山東 濟南 250101；2. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

0 引言

埋地管道在石油和天然氣的運輸中起著重要的作用。由于地質變化，介質和土壤腐蝕，機械損傷和其他意外載荷對管道材料的影響，鋼材容易出現諸如腐蝕穿孔和破裂等缺陷。因此，對地下管道的安全測試是管道運行和能源供應的重要保證。

弱磁管道非接觸檢測技術是用于檢測鐵磁材料微觀應力集中早期非破測試的有效方法。戴光等對爆破試驗后破裂的管件進行弱磁檢測試驗，準確地出了缺陷位置，驗證了弱磁檢測方法的有效性[1]。因此，對小口徑管道進行弱磁檢測不僅可以在非開挖狀態下檢出管道的腐蝕缺陷，還可以對管道失效進行早期診斷和剩余壽命預測，預防事故的發生。

筆者利用高精度磁力計檢測埋地管道，獲得管道軸線上方的地面自漏磁場的三分量磁通密度。通過“信號法向分量改變符號且過零點，而切向分量出現最大值”的原則確定了管道應力集中位置[2]。基于測得的管道自漏磁場大小，參考GB/T 35090-2018《無損檢測-管道弱磁檢測方法》[3]，使用缺陷損傷等級劃分原則，計算應力集中點磁異常系數[4]。在非開挖的情況下得到管道應力集中位置，針對不同磁異常系數的管段采取相應措施，為后續管道本體修復開挖定點提供技術支持[5]。

1 非接觸式管道檢測原理

1.1 非接觸檢測設備

在地磁場中，在內部介質和外部載荷的作用下，鐵磁性油氣管道的內部磁疇將不可逆地重新定向，從而使管道磁化，在管道上方產生漏磁場（SMFL）。當管道本體存在一個宏觀缺陷或微觀結構缺陷時，大多管道出現局部應力集中，而應力集中將引起局部漏磁場的突變，根據鐵磁管道自漏磁場來判斷局部應力主要集中主要有以下兩種不同的方法，一是可以通過一個磁場法向分量過零點來分析判斷；二是檢測人員利用磁場法向分量的梯度值來判斷，即利用磁場法向分量在應力集中處會出現變化很大的梯度值這一特點。圖1表示磁場的法向分量和磁場的法向分量的梯度曲線[6]。

圖1 應力集中區磁場法向分量分布圖和法向分量梯度值分布圖

因此，上述特征可以用來檢測鐵磁性構件的應力集中區和變形區，從而達到鐵磁性構件缺陷檢測的目的。

非接觸式管道磁檢測方法是針對具有一定埋深的、受地磁場磁化的鐵磁性管道開展的。管道處于弱地磁環境中，管道局部應力狀態的變化導致其磁化率的變化，從而導致管道外一定范圍內磁場的變化。

非接觸式磁檢測技術方法所測量的是管道中心正上方設置一定垂直距離處磁場的水平梯度，也即測點處磁場三分量Bx、By、Bz于在方向的梯度特征分量。在現場測量時，儀器水平放置，儀器的軸向與管道方向垂直，如圖2所示。其中Y軸正向為埋地管道走向，1號探頭、2號探頭的三個不同軸向分布進行彼此之間是相同的，且均符合右手定則。圖3為非接觸式磁異常三維高精度磁應力測試系統。

圖2 儀器放置方式示意圖

管道屬于鐵磁材料的金屬構件，損傷的主要來源是各種微觀和宏觀的機械應力集中，通常管道內的壓力不是恒定的，而是隨時間變化的，即管道中的應力集中受到一種交變應力。當材料所承受的交變應力遠小于靜載下的強度極限時，就可能導致發生一些金屬結構損傷。因此對于鐵磁管道來說，在運行過程中局部組織失穩引起的應力集中是管道損傷的早期表現。

1.2 非接觸檢測原理

圖3 非接觸式磁異常三維高精度磁應力測試系統

應力影響磁化率的根本原因是應力影響鐵磁性材料內部的磁疇結構以及磁疇磁矩的分布。鐵磁材料的磁性能和磁化率，主要由其磁疇結構變化引起的在宏觀上影響鐵磁性材料的磁化率。應力通過影響磁疇壁的位移過程和轉動過程來影響起始磁化率。應力引起的起始磁化率的變化量為：

根據鐵磁性材料的基本性質，起始磁化率變化量Δχ隨φ角以及應力σ變化的圖形如圖4所示。

圖4 Δχ隨φ角及應力σ變化示意圖

埋地鐵磁管道在受土壤載荷和介質內壓狀態下，局部區域存在應力集中。應力集中區發生磁疇重新分布，形成與應力相關的磁矢量，因此可以將應力集中區域看作一個磁偶極子，如圖5所示。建立鐵磁-空氣間磁偶極子作用模型，計算鐵磁管道進行應力集中區表面的磁場主要分布基本情況。

圖5 應力集中區共面磁偶極子模型

將管道應力集中區當作磁偶極子時，產生自漏磁場Br在管道上方坐標為（x，z）處產生的法向磁感應強度Bn：

管道外場點處磁場的切向分量為：

管道外場點處磁場的法向分量和切向分量的變化曲線，具體如圖6與圖7所示。

圖6 Bn隨θ以及x的變化

圖7 Bx隨θ以及x的變化

應力的大小并不會影響應力集中區外磁場曲線的形態，而主要影響的是應力集中區外磁場峰值的大小。應力集中區磁場法向分量Bn、切向分量Bx隨變量φ、σ、θ以及x變化的函數為：

對于鐵磁性構件，應力與磁化率變化量之間的關系可以表示為：

磁感應強度的三個分量沿X方向的變化量△Bx、△By、△Bz，經推導得到梯度模量，磁力梯度模量與管道外測點處附加磁場的水平梯度之間的關系為：

根據上式可得到應力集中區的應力變化與測點處磁力梯度模量變化的關系[7]。

2 管道缺陷等級劃分

利用三維磁場高精度檢測儀，獲得損傷位置的磁信號后，利用公式（9）對損傷部位的損傷程度進行評價。G＞0，G越大，損傷程度越高。

式中：G為損傷程度大小的度量值；

i、j為x，y，z方向；

ΔHij為i方向排列的傳感器之間磁矢量j分量的差值；

Δli為i方向排列的傳感器之間的距離。

結合管道系統信息、現場安全檢測記錄等，利用技術檢測結果分析軟件對檢出數據可以進行研究分析，確定被檢管道各部位的損傷等級評價指標和異常等級，損傷等級指標F可由式（10）計算。

式中：A為修正系數；

G為損傷程度的度量值。

非接觸式磁性檢測方法確定由在應力水平的變化的直接定量評價損傷的管道相對風險，根據GB/T 35090-2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》，確定的管道應力集中部位損傷等級指標F分級標準如表1所示。

表1 缺陷損傷等級指標F分級標準

Ⅰ級：高風險。這條管道屬于緊急情況，優先維修；

Ⅱ級：中風險。存在一定的風險但不會很快發生事故，這種管道的特點就是在于可靠性降低，需要企業列入計劃進行修復；

Ⅲ級：低風險。可能存在無關緊要的缺陷或者應力集中區，這種管道可以在監控缺陷發展的情況下，無需修復繼續運行。

3 非接觸檢測方法現場應用

3.1 管道基本信息

淄萊線天然氣管道起始于山東省淄博市，止于山東省萊蕪市，全長約70km。管道類型為螺旋縫埋弧焊鋼管。管線具體參數如表2所示。本次檢測對該管線某段進行非接觸式磁應力檢測，檢測管線長度約為8.1km。沿線地形起伏大，管道敷設環境大部分位于山區，沿線有地質災害風險區和高后果區，部分管段穿越道路和河流。

表2 淄萊線管道參數

3.2 非接觸式磁應力檢測結果

基于檢測管段的基本參數以及現場勘察記錄，應用數據處理系統生成管道磁強度曲線。通過“信號法向分量改變符號且過零點，而切向分量出現最大值”確定管道應力集中位置。在檢測過程中標明磁信號的干擾物的具體里程，在磁場強度曲線中標注。相應的非接觸磁檢測分析結果為：在已檢測的8.1km管道中，共發現8個磁異常管段，如圖8（a）～圖8（f）所示。

圖8 （a）第一段管道檢測數據

圖8 （b）第二段管道檢測數據

圖8 （c）第三段管道檢測數據

圖8 （d）第四段管道檢測數據

圖8 （e）第五段管道檢測數據

圖8 （f）第六段管道檢測數據

在數據處理生成系統中，查找磁異常管段里程和磁場梯度大小，根據磁異常等級劃分準則，計算磁異常綜合指數，確定磁異常等級。結合現場檢測記錄，加以備注。異常管段磁異常等級如表3所示。

3.3 磁異常管段分析

3.3.1 “Ⅱ”級磁異常管段

（1）磁異常管道信息

本次檢測中，共發現2處“Ⅱ級磁異常管段，第1處位于大峪口河道內上彎彎頭處，第2處位于白楊河-測40樁公路旁河道彎頭處，兩處管段的現場檢測圖片以及相對位置如圖9～圖12所示；

圖9 測40樁公路旁河道彎頭處

表3 山東檢測管道磁異常管段位置

圖10 滑坡災害指示牌后白楊河道內彎頭

圖11 3#“Ⅱ”級磁異常管段

圖12 7#“Ⅱ”級磁異常管段

（2）磁應力檢測結果

根據檢測結果可以發現，兩處磁異常管段磁場梯度都超過了10000nT/m，顯著應力集中，已計算出，兩處管段的F值分別為0.28和0.26，應力集中程度分別為管道材質屈服強度的58%和60%，根據磁應力檢測信號特征可以初步判斷，應力相對嚴重處主要集中在兩處彎頭的環焊縫位置。局部磁異常管段磁場梯度變化如圖13、圖14所示。

圖13 3#“Ⅱ”級磁異常管段磁場梯度

圖14 7#“Ⅱ”級磁異常管段局部磁場梯度

3.3.2 “Ⅲ”級磁異常管段

本次檢測中，共有6個管段顯示為“Ⅲ”級磁異常，表3中管段標示為磁異常1、2、4、5、6和8，F值為0.62～0.82（如圖15～圖20所示），應力集中程度在14%～30%之間。

圖15 1#磁異常管段

圖16 2#磁異常管段

圖17 4#磁異常管段

圖18 5#磁異常管段

圖19 6#磁異常管段

圖20 8#磁異常管段

根據應力集中管段磁應力檢測信號特征分析發現，應力集中區域多為彎頭的環焊縫位置，成為威脅管道的潛在危險因素。建議在具備條件時，在“Ⅱ”級應力集中管段位置安裝應力應變在線監測系統，持續監測管道的應力變化情況，保障管道的安全運行。

對F值接近0.6的“Ⅲ”應力集中管段，在無滑坡載荷和環境荷載增加的情況下，按照相關完整性管理規范要求監控使用。但同時需要對管道的位移變形、環境載荷、磁異常指數F等進行持續監測，并做好處理預案。

4 結語

本文提出一種結合空間分布模型和磁化模型檢測研究NPMT的新方法。根據現場檢查，該模型可用于應力集中管段位置分析。 得到以下結論：

（1）通過對弱磁檢測原理分析和磁荷理論分析，利用磁異常等級劃分等級準則，得到管道局部應力集中判斷的依據，獲得磁異常等級系數。可更直觀顯示檢測結果。在非開挖的情況下得到管道應力集中位置，為后續管道本體修復開挖定點提供技術支持；

（2）本次檢測山東天然氣管線非接觸式磁應力檢測采集三分量高精度磁異常數據超過100000組，共發現Ⅱ級應力集中管段2個，Ⅲ級應力集中管段6個。應力集中嚴重段主要分布于大峪口和白楊河范圍內。根據應力集中管段磁應力檢測信號特征分析發現，應力集中區域多為彎頭的環焊縫位置，成為威脅管道的潛在危險因素。