非接觸式磁應力在天然氣管道檢測中的應用

曾維國 王 浩 李 超 馬熊熊 徐東曉 王 波 周 瑾

（1.中國特種設備檢測研究院；2.長慶油田分公司a.第一采氣廠；b.氣田開發事業部）

天然氣是我國重要的化石能源之一，對天然氣輸送管道的腐蝕檢測與防護是保障天然氣安全生產與使用的重要作業［1，2］。趙夢露等對現有的一些天然氣管道檢測技術做了總結，主要檢測技術有低頻長距超聲波檢測技術、高頻導波檢測技術、C-SCAN管體腐蝕檢測技術、 超聲波壁厚檢測技術、管體腐蝕漏磁檢測和遠場渦流檢測技術［3］。盡管上述檢測技術可準確檢測天然氣管道的腐蝕程度和位置，但是上述檢測技術均為接觸式檢測技術， 使用時需要對埋地天然氣管道做開挖、防腐層清除等處理，操作復雜且對檢測管道具有一定程度的破壞風險［4，5］。 因此，開發一種非接觸式的天然氣管道檢測技術對簡化天然氣管線的檢測操作并準確監測天然氣管線的狀態具有重要的意義。

近年來，鋼制材料在地球磁場中的磁響應現象被頻繁用于材料的無損非接觸式檢測中。 當鋼制材料發生形變、減薄或腐蝕時，導致鋼制材料的化學組分甚至磁疇都發生改變，進而影響鋼制材料的磁性［6］。 盡管目前已有關于非接觸式磁應力在輸油管線的檢測分析案例，但是相關報道并不多見［7，8］。 并且，鮮有非接觸式應用于天然氣管線的檢測和開挖驗證的報道。

鑒于此，筆者以某天然氣采氣和輸送支線為研究對象， 首先確定該天然氣管線的基本情況，然后通過管線探測儀對天然氣采氣和輸送管線做非接觸式磁應力檢測， 分析目標管線的狀態，最后通過開挖的方式驗證了非接觸式磁應力檢測對天然氣輸送管線檢測的可靠性。

1 被檢查管線的基本情況

目標天然氣（濕氣）管線為G-A采氣管線，采用20#鋼管材，管道規格為114mm×12mm，操作壓力5.7MPa，全長6.35km，平均埋深0.86m，主要沿山地丘陵敷設（圖1）。

圖1 G-A采氣管線的宏觀敷設走勢圖

2 非接觸式管道磁應力檢測

2.1 非接觸式管道磁應力檢測指標

通常， 可根據磁異常綜合指數F評估所檢測管線的缺陷危險程度， 磁異常綜合指數F的計算公式為：

其中，A為矯正系數，反映管道缺陷對磁場變化的影響，在校驗程序完成之后確定；QaH、Qφ為在異常區沿管道軸線方向和背景靜區中磁場強度分布的密度。

非接觸式管道磁應力檢測方法通過直接量化評估應力變形水平決定缺陷的相對危險度，而不是通過缺陷的幾何參數（長、寬、高）進行計算。磁異常綜合指數F分級標準和安全等級見表1。

表1 磁異常綜合指數F分級標準和安全等級

2.2 非接觸式管道磁應力檢測結果

檢測磁異常分布如圖2所示。 圖2顯示，經磁應力檢測數據處理和濾波分析可知， 在G-A采氣管線中有15處為中等風險，63處為較低風險。

圖2 G-A采氣管線的磁場強度信號異常位置分布

3 開挖驗證

為驗證非接觸式磁應力的檢測可靠性，對GA采氣管線選?、?、Ⅲ級磁異常管段3段管道做開挖后進行外觀檢測和超聲測厚（沿天然氣輸送方向環向順時針測壁厚）， 分析相應管道的腐蝕與壁厚減薄程度。 1#開挖點：距檢測起點167m，GPS坐標N37°02′02.21″，E109°11′54.82″。2#開挖點：距檢測起點2 729m，GPS坐標N37°01′37.91″，E109°10′58.52″。 3#開挖點：距檢測起點5 227m，GPS坐標N37°01′23.16″，E109°09′58.44″。

圖3為G-A采氣管線3處驗證開挖后的超聲測厚結果和相應管段的磁場強度測試結果。 1#開挖點的磁異常區域長0.53m， 磁場強度為981nT/m，磁異常綜合指數F值為0.575。 對管道表面進行目視檢測發現管體表面無明顯腐蝕產物，開挖部位有對接焊焊縫熱收縮套；對管道壁厚進行超聲波測厚，測得此段管道壁厚最小值為10.60mm，管段最大減薄1.4mm，相應的腐蝕坑深為11.67%。 2#開挖點的磁異常區域長0.51m，磁場強度為333nT/m，磁異常綜合指數F值為0.662。 對管道表面進行目視檢測發現管體表面無明顯腐蝕產物；超聲波測厚檢測結果顯示， 此段管道壁厚最小值為11.26mm，管段最大減薄0.74mm，相應的腐蝕坑深為6.17%。3#開挖點的磁異常區域長0.77m，磁場強度為2 365nT/m，磁異常綜合指數F值為0.482。 查驗結果顯示，管道表面無明顯腐蝕產物，開挖部位有對接焊焊縫熱收縮套；超聲波測厚檢測結果顯示，此段管道壁厚最小值為9.92mm，管段最大減薄2.08mm，相應的腐蝕坑深為17.33%。

圖3 G-A采氣管線驗證開挖宏觀查驗圖和相應管段的磁場強度測試結果

4 結果分析

以上驗證結果顯示，盡管G-A采氣管線的3處管道表面均未出現明顯的外腐蝕痕跡，但是相應管段的管道內壁均出現了一定程度的減薄現象。根據SY/T 0087.2管道金屬腐蝕程度評價，G-A采氣管線中的1#和3#開挖點的腐蝕程度為“中”，2#開挖點的腐蝕程度為“輕”。 然而上述3處的非接觸式磁應力檢測結果顯示，1#和2#管道處于Ⅲ級磁異常點（段），為低風險，無需做修復計劃；而3#管道處于Ⅱ級磁常點（段），為中風險，監控下使用?？梢?，非接觸式磁應力對天然氣管道的檢測分級結果與SY/T 0087.2中管道壁厚安全等級結果并不完全相符。

比較G-A采氣管線管道的磁異常綜合指數F值和超聲測厚驗證測試得到的最大腐蝕坑的腐蝕程度發現，G-A采氣管線的磁異常綜合指數F值與超聲測厚驗證測試得到的最大腐蝕坑的腐蝕程度之間則呈現出顯著負相關性（顯著性因子為0.006 98），相應的線性擬合度（R2）超過了0.999（圖4）。

圖4 F值和超聲測厚驗證測試得到的最大腐蝕程度之間的線性擬合

上述分析顯示，盡管非接觸式磁應力對天然氣管道的檢測分級結果與傳統的接觸式天然氣管道檢測分級結果并不完全相符，但是天然氣管線的磁異常綜合指數F值與其腐蝕程度之間具有顯著相關性。 因此，非接觸式的磁應力技術可用于天然氣管線的檢測，但是需要根據具體檢測管線評估并制定合理的磁異常綜合指數F值分級標準。

5 結束語

應用非接觸式磁應力對天然氣管道進行檢測， 發現G-A采氣管線均存在少量的Ⅱ級磁異常管段和大量的Ⅲ級磁異常管段，但沒有發現Ⅰ級磁異常管段。 選取3處管道開挖后，通過外觀查驗和超聲測厚驗證非接觸式磁應力對天然氣管道檢測的可靠性。 結果顯示，盡管非接觸式磁應力對天然氣管道的檢測分級結果與SY/T 0087.2中管道壁厚安全等級結果并不完全相符，但是天然氣管線的磁異常綜合指數F值與其腐蝕程度之間具有顯著相關性。 因此，將非接觸式的磁應力技術用于天然氣管線的檢測時，需要根據實際的檢測管線評估并制定合理的磁異常綜合指數F值分級標準。