金屬磁記憶應力檢測技術在海底管道中的應用

楊 松，楊東凌，盧 進，徐 龍

（1.中海油深圳分公司，廣東 深圳 518087；2.中海石油技術檢測有限公司，天津 300450）

引言

作為一種新興的無損檢測方法，磁記憶檢測技術在國內外檢測相關領域取得了長足進步，但是此技術在油氣管道完整性方面的應用則僅僅十余年，特別是在海底油氣管道的應用方面幾乎還是空白[1]。2000年，南昌航空大學任吉林教授在國內首先引入了金屬磁記憶檢測技術及儀器[2]。2009年，黃曉亮等人將磁記憶檢測技術應用于埋地原油管道無損探傷中[3]。而中海油則真正將金屬磁記憶技術應用于海底管道的檢測中，2020年，中海石油（中國）有限公司某分公司為對某28寸天然氣海管確認管線疑似變形點附近區域管線的狀態，采用了水下鋼質管道遠場應力檢測（MTM）。2021年中海石油（中國）有限公司某分公司采用MTM檢測設備對海管中滯留的漏磁檢測器進行定位。

1 金屬磁記憶基本原理

鐵磁性組織金屬材料零部件在進行材料加工和組裝時，由于其能夠承受觀測到的磁場載荷和當地周圍磁場的共同應力影響，在磁場應力和其定向變形較為集中的一個區域內就可能會自然出現一個分別帶有定向磁導和磁性伸縮兩種特征的磁性或疇磁性組織定向和非常變或不可逆的重新運動取向，這種在鐵磁性組織狀態下的不變或可逆定向變化在被動件工作時的載荷大大減弱后不僅沒有能夠使其得到永久保留，還與其最大的磁場作用力和應力密切相關。金屬結構中的物體在其表面的這種磁性狀態“記憶”著一個物體微觀上的物理缺陷或者是應力使它聚焦在子集巾的所在位置，即我們通常稱之為磁狀態記憶效應ISO 24497-1-2007《無損檢測-金屬磁記憶》。

金屬結構的各類主要微觀結構缺陷和對其局部整體應力的集中，有可能直接導致整個金屬燃氣管道局部結構及其附屬設備的安全失效甚至是有可能直接發生安全事故（國內外金屬資料測量統計中對其局部整體應力的最大集中率均是可能造成金屬管道結構失效的主要構成原因約70%以上）。鐵磁金屬材料在長期經歷了各種諸如徑向拉力、壓力和軸向剪切等應力等多種不同外力的相互作用下，其鐵磁材料內部的磁磁場疇特性結構發生變化，導致磁場的特性結構發生了密切相應的線性變化，這種致變現象又可以稱為逆磁特性致變或伸縮相變效應。當物體處于非接觸式工作地磁負載環境下的諸如鋼筋或者鐵皮等磁性金屬構件在物體接觸或移動受制于工作地磁負載的特殊情況下，由于附加金屬磁場的記憶效應，在具有應力較高的強度集中和較大變形率的區域內就會逐漸產生最大的軸向附加金屬磁場，其旋轉法向上的分量因此改變了方向符號且經過零點，而旋轉切向上的分量則因此會逐漸出現最高值。根據構件周圍的磁場學原理來準確判斷應力集中的程度主要可以認為有兩種不同的判斷方式，一種就是通過磁場法向分量的過零點進行判斷，二種就是通過利用磁場法向分量的梯度值進行判斷，也就是說利用磁場法向分量在較小應力集中點時會使構件周圍出現很大的梯度值這一技術特點。埋設于地表附近的鐵磁性管路接收到地磁場被強烈磁化后，在其相應的位置內會產生一個疊放在地磁場之上、反映其應力運動狀態的附加磁場。表1反應了應力集中程度對應的風險等級、安全狀況和給出的維修建議。

表1 應力集中程度對應的風險等級、安全狀況及維修建議表

MTM檢測基于磁記憶原理，作業采用ROV搭載無接觸式掃描力計進行水下作業。通過攜帶超短基線USBL定位系統對海底管道進行測量，對查明海底管道內外腐蝕、幾何變形劃傷等情況進行檢測定位。其適用條件是：探測距管道垂直距離≤20倍管徑，水平距離≤4倍管徑；管道存在變形嚴重，無法實現通球，不能實施內檢測的管道；管道內部雜質較多無法進行通球的管道；登陸管道；管道嚴重變形點的查找；底管道嚴重腐蝕點的驗證

2 漏磁檢測器的定位

結合上海某海底天然氣管線漏磁球定位實例。檢測管段為上海某海底天然氣管線，采取ROV搭載MTM檢測設備的方式完成，其實現過程是ROV利用管道已知定位數據在管道正上方掃描，通過臍帶纜將檢測數據傳回控制間進行檢測，由于漏磁檢測器搭載的永久性磁鐵會在檢測器卡堵位置產生強烈的磁異常，MTM檢測器識別該強烈的磁異常信號，該信號明顯區別與管道本體缺陷的磁異常，從而定位該檢測器。

在管線上方進行了四次掃描，結合管線設計時的圖紙，根據MTM設備在管道上方掃描的磁場分布示意圖，最終判斷了管道附件及漏磁球滯留的位置，如圖1所示。

3 海底管道變形點檢測

中海石油（中國）有限公司上海分公司對某28寸天然氣海管路由勘察，發現該28寸海管KP276.8-279.885段（總長3 085 m）向西南方向位移，最大位移量約79 m，位于KP278附近。為確認管線疑似變形點附近區域管線的狀態，擬就西湖28寸海管KP276.8-279.885段開展管道實際狀態水下探摸，對位移3 km管道應力集中風險點區域海管開展鋼質管道遠場應力檢測。

3.1 檢測結果

被檢管段共有55處應力集中點：

1）共30處的應力集中檢測風險級別評級為一級，可以正常進行工作而不必對其進行任何技術修復，可用于在下一次應力檢測時與其樣品進行一次動態的比對;；

2）共18處應力集中風險等級為二級，應當被重點監控；

3）共7處應力集中風險等級為三級，應被列為計劃維修；

4）共0處應力集中風險等級為四級，應當立即維修。

28寸天然氣海管MTM檢測危險等級分布統計示意圖計劃對西湖28寸海管KP276.5-KP280.2區間范圍內進行MTM應力檢測，原則上向位移管道兩側各延伸至少300 m，具體范圍視現場調查時管線兩端變形情況局部調整。

3.2 MTM檢測目的及內容

MTM檢測作業將采用ROV搭載無接觸式掃描應力計進行水下作業，通過攜帶超短基線USBL定位系統對海底管道懸空、裸露及三通段進行MTM測量，查明海底管道內外腐蝕、幾何變形劃傷等情況，對海底管道的安全現狀進行評價分析，為海底管道的安全生產和維護提供科學依據。

調查將使用水下無接觸式掃描應力計、ROV、超短基線USBL定位系統調查為：

腐蝕情況為內外的點腐蝕、面腐蝕；缺陷情況：平面型缺陷、裂紋、未融合和其他類型缺陷；幾何變形情況：壓痕、起皺管、橢圓變形、機械損傷、凹坑、劃傷等情況。

3.3 調查要求

1）檢測設備接收信號良好，若發現缺陷等情況，能夠確定缺陷位置；

2）施工現場不超過5級風、浪高不超過2 m、涌高不超過1 m；

3）船舶在該海域沿著管道走向進行可控的巡航作業，巡航軌跡不超過管道軸線左右，偏差5 m范圍以內；

4）ROV在船舶的搭載下，在管道軸線左右偏差1 m、上下偏差1 m的范圍內進行巡線作業，航速不大于1節。

5）被檢管道應力集中是由金屬損失（腐蝕缺陷）和制造型缺陷單獨或者共同作用產生的。

3.4 缺陷類型判別依據

1）根據缺陷點管道受力方向。軸向受力多數為金屬損失；環向受力多數為制造型缺陷。

2）根據波形圖對稱與否。波形圖基本對稱的多數為制造型缺陷。

4 結語

金屬磁記憶檢測技術是一種日趨成熟的無損檢測技術，可用于探明海底管道內外腐蝕，因其具有適用于無法通球的管道、無需人工磁化管道等優點，在海底管道檢測中不斷的應用，填補了無法內檢測管道的完整性管理空白。MTM在海底漏磁檢測器定位的成功應用，為后期解卡奠定了基礎，為海底檢測器定位提供了新的思路。