脈沖渦流技術在保溫層下管道腐蝕檢測的應用研究

何婷婷 馮翠寧 韓雪艷 閆化云

（中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452）

0 引言

保溫層下腐蝕（簡稱CUI）是指發生在包裹保溫材料的管道或設備外表面上的一種腐蝕現象[1]。據統計，在石油化工行業中，超過60%的管道故障是由CUI引發的，而且每年由于CUI引發設備和管道發生故障導致的危險產品泄漏、設備非正常運行甚至人員傷亡等一系列嚴重問題所造成的經濟損失高達數十億美元[2]。石油工業中大部分設備和管道都是由碳鋼和不銹鋼制造而成的，由于安裝、操作、性能及外界因素造成外防護層、密封膠或防腐層的破損，會在保溫材料和管道間形成局部的電化學腐蝕環境，空氣和水等介質與金屬管道接觸會發生電化學反應而導致CUI的發生，CUI難以通過保溫層的外表面發現，常規檢測手段需要拆除管道外部保溫層，使運營維護費用增加[3]。工業上常用的CUI檢測技術主要有：目視、射線實時成像技術（OpenVision）、IRIS檢測技術、RCS電導技術、長距離導波技術、溫度場分布技術、脈沖渦流檢測技術等[4]。其中脈沖渦流技術作為一種新型的無損檢測技術，不需要將探頭與測試表面進行接觸，不用使用耦合劑，所以在CUI檢測中無需剝離管道的保溫層，滿足管道腐蝕缺陷的在線檢測需求，在CUI管道篩選領域具有良好的應用前景。

本文對常規的CUI檢測技術進行了詳細的介紹，同時重點闡述脈沖渦流技術對保溫層下管道腐蝕缺陷的檢測原理，并對具有腐蝕缺陷的保溫層下管道進行試驗測試，為CUI檢測提供技術借鑒。

1 CUI檢測技術

目前常用的CUI檢測技術的類型、檢測原理和技術特點如表1所示，其中脈沖渦流技術采用一定的占空比的方法向激勵線圈通入方波，因方波中含有豐富的頻率成分，檢出信號中包含很多關于試件缺陷信息，具有檢測穿透力強、頻譜范圍廣、能力強、速度快、準確性高等優點[5]。近年來脈沖渦流技術逐漸成為廣大學者的研究熱點，RaoK S[6]等提出來一種基于脈沖渦流響應的脈沖時間常數和電壓參數可用于檢測表面6mm以下的缺陷，能夠區別內外表面缺陷。趙番[7]等人設計了一套渦流檢測系統，能夠準確的區分出金屬管道的內外壁缺陷。Rudlin J[8]設計了脈沖渦流周向分布式探頭，可用于包覆層管道檢測。CHEN X[9]等人研究了通過包覆層和保溫層時壁變薄的脈沖渦流測試，研究結果表明在關閉磁電流的一段時間內，磁場信號的衰減行為幾乎僅與管道壁厚有關。

表1 CUI檢測技術類型

表1 （續）

2 脈沖渦流技術管道檢測原理

脈沖渦流檢測技術又稱瞬變電磁法，其測量主要包括發射回線和接收回線兩部分，工作過程分為發射、電磁感應和接收三部分。圖1是脈沖渦流檢測帶包覆層管道的檢測原理，如圖1所示，給發射回線中通以階躍電流，發射電流突然下降到零，根據電磁感應理論，發射回線中電流突然變化必將在其周圍產生磁場，該磁場稱為一次磁場；一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到導電性良好的待檢管道，將在其內部激發產生感應電流，又稱渦流或二次電流；由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產生新的磁場，稱為二次磁場。二次磁場由接收回線觀測，通過對觀測的數據進行分析和處理，可對待檢管道的相關物理參數進行解釋，當管道有腐蝕等損傷情況時，分布在管道上的渦流會發生變化，由渦流產生的感應電磁場也隨之發生相應的變化，因而根據接收到的電磁場變化就可準確檢測到管道的損傷情況、損傷類型和損傷程度。

圖1 脈沖渦流對CUI管道的檢測原理

圖2是脈沖渦流技術對CUI管道檢測的工作原理。如圖2所示，在管道檢測過程中，激勵回線裝置向待檢管道發送一次周期脈沖磁場，產生一次磁場信號。線圈周圍空間受激勵產生衰變渦流，形成與初始磁場方向相同的感應衰減磁場，即二次磁場信號。隨時間衰減的二次磁場強度影響接收裝置中回路電流的數值變化，利用接收回線中電壓動態，可反映二次磁場衰減過程。通過提取和分析響應的電壓信號，可判定待檢管道的腐蝕損傷情況。

圖2 脈沖渦流檢測CUI管道的工作原理

3 CUI管道檢測試驗

3.1 設備與器材

選擇三段參數相同的5-1/2寸、壁厚為7.3mm的N80套管。分別對三段套管進行了不同程度的孔洞、裂縫、腐蝕環等缺陷制造，套管參數及損傷類型如表2所示，套管損傷的形貌如圖3（a）所示。將套管1/2/3進行首尾接箍連接，并利用巖棉作為保溫層材料，鋁皮為外包覆層包裹套管進行保溫層下管道的組裝，將脈沖渦流檢測技術的探測儀器置于外包覆層的上方進行保溫層下腐蝕缺陷的檢測，試驗測試如圖3（b）所示，可以看出該探測儀器采用的是6個陣列分布的環貼式探頭，可通過旋轉探頭的方式實現管道的周向檢測。將套管進行組合后的測試管道缺陷位置如圖4所示。

表2 套管參數及損傷類型

圖3 （a）套管損傷形貌和（b）脈沖渦流檢測技術試驗測試示意圖

圖4 測試管道缺陷位置示意圖

3.2 試驗條件

將檢測探頭置于Φ25mm孔洞的正上方，探頭與套管的距離是提離高度，提離高度的示意圖如圖5所示。通過增加保溫層的厚度，增加檢測工具的提離高度，將提離高度分別設置為30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm，探究提離高度對檢測（探頭5）的信號強度的影響。同時分別固定保溫層厚度30mm、40mm、50mm、60mm的提離高度對接箍組裝完成的保溫層下的管道進行缺陷測試。試驗測試中發射探頭采用的是480ms發射頻率的雙極性脈沖的電壓信號，其電壓幅值為5V。

圖5 提離高度示意圖

3.3 試驗結果

圖6 為提離高度對檢測信號強度影響的趨勢圖，從圖6可以看出，隨著探頭與管道之間提離高度的增加，探頭接收信號強度逐漸減小；當提離高度在60 mm內變化時，信號波動幅度 較大，可對孔洞損傷進行有效識別；當提離高度持續增大時，信號強度變得很小，信噪比較差，對于孔洞的識別能力降低。

圖6 提離高度對檢測信號強度的影響

將探測儀器平穩放置在30、40、50、60mm保溫層厚度的管道的上方，采用0.041 m/s的測試速度勻速拖動儀器，從測試管道的左端（套管3）緩慢移動至管道右端（套管1）時，依次對三段套管進行試驗測試，觀察儀器在經過具有接箍和腐蝕缺陷的管道過程中測試曲線的變化。緩慢勻速移動探頭的測試結果如圖7和圖8所示，從上到下依次對應探頭1～6的測試數據，0～1m的測試數據表示套管3缺陷的測試結果，1～2m的測試數據表示套管2缺陷的測試結果，2～3m的測試數據表示套管1缺陷的測試結果。

圖7 厚度為（a）30mm、（b）40mm的保溫層下管道測試結果

圖8 厚度為（a）50mm、（b）60mm的保溫層下管道測試結果

圖7 （a）、（b）分別是30mm、40mm厚度的保溫層下管道的測試結果。由圖7（a）可以看出，探頭1～6的測試曲線位于0.9～1.1m和1.9～2.1m的兩個“凸峰”分別對應的是連接被測套管的2處接箍的信號峰；探頭1～6的測試曲線中位于0.35～0.45m和0.55～0.65m的兩個“凹峰”分別對應10×1腐蝕環和10×1.5腐蝕環；探頭1/2在0.75～0.85m處的“凹峰”是3.5×80橫縫的信號峰；探頭3/4在1.7～1.8m處的“凹峰”是2×60斜縫的信號峰；探頭5在2.3～2.4m處的“凹峰”信號對應的是Φ15的孔洞；探頭5/6在2.5～2.6m和2.8～2.9m處的兩個“凹峰”信號分別對應的是Φ25孔和3×40橫縫。圖7（b）的測試的峰值結果與圖7（a）相比，各探頭測試缺陷的感應電動勢峰值降低，信號變弱。同時探頭6在2.5～2.6m處的沒有檢測出Φ25孔洞的信號峰。

圖8（a）、（b）分別是50mm、60mm厚度的保溫層下管道的測試結果。對比圖7和圖8可以看出，隨著保溫層厚度的增加，探頭與管道之間提離高度的增加，探頭對于不同形態的管道腐蝕缺陷的檢測信號的接受能力變弱，信噪比逐漸減小，儀器所能檢測的信號強度也逐漸減弱。當提離高度提高到60mm時，除了接箍的“凸峰”信號外，對于其余腐蝕缺測試的感應電動勢的峰值基本都在0.1V以下，在信噪比較差的情況下，測試信號容易被噪聲淹沒，對不同程度不同類型的損傷缺陷，識別能力較弱。

圖7 和圖8中對于套管3的2.5×10橫縫、套管2的Φ5孔洞、套管1的Φ10孔洞的探測信號峰均不明顯，考慮到是提離高度影響的原因。同時套管2的2×40和2×50的豎縫也都沒有檢測出信號，這是由于豎縫與儀器探測信號的方向一致，使得探測儀器難以對豎縫實現有效的識別。

4 結論與建議

（1）脈沖渦流技術不需要將探頭與測試表面進行接觸，也不需要耦合劑，檢出信號中包含很多關于試件缺陷的信息，而且在CUI檢測中管道的保溫層不需要剝離，可以滿足管道腐蝕缺陷的在線檢測；

（2）脈沖渦流探測儀器能夠較為靈敏地識別60mm以內厚度保溫層下的管道腐蝕缺陷，其中對于接箍和腐蝕缺陷有非常明顯的識別能力。但隨著保溫層厚度和提離高度的增加，檢測探頭對于管道腐蝕缺陷的檢測信號的接收能力逐漸變弱，信噪比逐漸減小，儀器所能檢測的信號強度也逐漸減弱；

（3）脈沖渦流技術能夠準確識別不同類型的管道損傷缺陷，由于提離高度的影響，對于較小的腐蝕缺陷，檢測結果存在一定的誤差，但其總體檢測精度已超越現有技術的水平，在海上平臺保溫層下管道損傷檢測的實際工程中具有很大的應用前景。