基于弱磁技術的海洋輸油復合管檢測

徐奇林，劉 芳，于潤橋，桂長城，廖明亮

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063)

0 引 言

海洋輸油復合管是海上油（氣）田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，也是最快捷、最安全和經(jīng)濟可靠的海上油氣運輸方式[1]。然而一方面由于我國海洋輸油復合管鋪設都經(jīng)過了較長的一段時間，在海底惡劣的工作環(huán)境下，管道很容易因海水的電離作用發(fā)生管道內(nèi)壁腐蝕，甚至會因為各種隱含缺陷導致石油泄漏事故的發(fā)生[2]；一旦海洋輸油復合管受損，不但會帶來直接的經(jīng)濟損失，同時會給海洋環(huán)境帶來嚴重的污染，產(chǎn)生極其不良的社會影響。因此對海洋輸油復合管進行精確的狀況檢測，對于有效評估管道的壽命，預防泄漏事故的發(fā)生，保證輸油復合管的正常運行都具有非常重要的意義[3]。

目前國內(nèi)外對海洋輸油復合管缺陷檢測技術的研究已不少，取得了階段性的成果的主要有超聲檢測和漏磁檢測。1965年美國Tuboscope公司研制出了第一套基于漏磁原理的海洋復合管道檢測器[4]。德國ROSEN公司利用超聲低頻導波技術設計出對海底復合管道內(nèi)檢測的設備。在國內(nèi)，裴彪等使用相控陣超聲檢測技術對含有人工缺陷的海底復合管道進行檢測，實現(xiàn)了缺陷的高度定量精度評價[5]。趙洪波利用超聲TOFD技術實現(xiàn)了對海底復合管道環(huán)焊縫檢測的自動化，提高了檢測效率[6]。西南石油大學的王鑫利用漏磁檢測技術有效識別了海底輸油復合管道的內(nèi)外腐蝕缺陷并確定了失效壓力[7]。這兩種檢測方法雖然應用廣泛，但也存在一定的弊端。超聲檢測檢測精度高，可直接對檢測結(jié)果進行定量，但是無法檢測到即將穿孔的缺陷。漏磁檢測適應性強，能檢測到較深的缺陷，但檢測效率和檢測精度不高。

而本文提出一種基于地磁場的弱磁檢測技術，與傳統(tǒng)漏磁檢測不同，弱磁檢測無需外激勵磁場和磁化過程，受提離效應的影響小，具有檢測速度快，精度高等優(yōu)點。此外，弱磁檢測采用的高精度傳感器對海洋輸油管道這種復合管中不連續(xù)性及應力集中等易產(chǎn)生缺陷的區(qū)域具有較高的檢測靈敏度[8]。

1 弱磁檢測原理

弱磁檢測是基于天然地磁場環(huán)境下進行的，當磁場中的磁介質(zhì)發(fā)生磁化時會產(chǎn)生附加磁場，而附加磁場和原磁場疊加后的總磁感應強度與原磁場強度這二者之間的關系可表示為：

式中：B——磁感應強度，T；

H——磁場強度，A/m；

X1——物質(zhì)的磁化率；

μ0——真空磁導率，4π×10-7H/m；

μ1——相對磁導率，μ1=1+X1。

在地磁場的作用下，任何處于其中的物質(zhì)都會或多或少地發(fā)生磁化，所以任何物質(zhì)都是磁介質(zhì)，其磁化程度取決于物質(zhì)本身的相對磁導率 μ1，若在地磁場中存在兩種不同的磁介質(zhì)，因這兩種磁介質(zhì)的相對磁導率不同，當磁感應線通過其分界面時，磁感應線的方向?qū)l(fā)生改變[9]，而磁感應線在相對磁導率為 μ11的第一種磁介質(zhì)中的入射角 α1和在相對磁導率為 μ12的第二種磁介質(zhì)中的折射角 α2滿足以下關系：

因此，當缺陷位于被檢試件表面時，由于缺陷內(nèi)空氣的相對磁導率小于被檢件母材本身的相對磁導率，缺陷處的磁感應線受到排斥導致缺陷處的磁感應強度減小，從而使得弱磁傳感器在經(jīng)過缺陷處時采集到的磁感應強度曲線出現(xiàn)下凸的現(xiàn)象。當缺陷位于被檢試件內(nèi)部時，由于缺陷處的磁感應線被排斥，導致缺陷上方的試件表面處的磁感應強度增大，采集到的磁感應強度曲線則出現(xiàn)上凸的磁異常現(xiàn)象[10]，如圖1所示。

圖1 內(nèi)部缺陷和表面缺陷弱磁信號對比圖

2 檢測試驗

本次研究中所使用的檢測試件為中國海洋石油集團有限公司所提供的一段預制缺陷的海洋輸油復合管，管道外層由夾有鋼帶的聚乙烯材料組成，中部是雙層斜拉鎧裝層，此層由幾十根扁平鋼條組成，主要用于防止海底管道在裝卸時發(fā)生張力變形。而內(nèi)部是耐腐蝕合金復合管，以不銹鋼和鎳基合金作為內(nèi)襯層，以碳鋼管作為外部基管，管道中所使用的金屬合金材料都屬于鐵磁性材料的范疇，如圖2所示。

圖2 海洋輸油復合管

海洋輸油復合管埋于海底時因海水腐蝕穿孔易發(fā)生損傷，而且產(chǎn)生的腐蝕缺陷有時會突破管道表面的聚乙烯保護層，出現(xiàn)在較深的金屬層上，因此管道上預制的缺陷是經(jīng)過機械鉆孔處理而來的，一共加工出三個缺陷，預制缺陷直徑均取4 mm來模擬真實缺陷，并且這三個缺陷分別位于聚乙烯材料中的鋼帶層、雙層斜拉鎧裝層和管道最底層的耐腐蝕合金復合管處，如圖3所示。

圖3 含人工缺陷的管道縱向剖面圖(單位:mm)

使用實驗室自主研發(fā)的弱磁檢測探傷儀檢測上述海油管道試件，弱磁探頭采用高精度單分量磁通門傳感器，量程為±250 000 nT，分辨力為1 nT。檢測中使用4個磁通門傳感器組成4通道的弱磁陣列探頭，為了保持磁通門傳感器在檢測過程中采集到穩(wěn)定的信號，設計了貼合管道的探頭工裝。檢測過程中，先將管道試件置于均勻穩(wěn)定的磁場環(huán)境中，接著把弱磁探頭放于管道試件表面，采用手動掃查的方式從缺陷1的前90 mm處開始檢測，探頭在沿試件表面至右向左勻速穩(wěn)定的移動過程中不斷的采集磁感應信號，最后在缺陷3的后120 mm處停止檢測，一次掃查過程中檢測長度為410 mm，人工缺陷分別在90，190，290 mm處。為了避免檢測過程中的不確定因素以驗證檢測數(shù)據(jù)的重復性，掃查過程至少需重復兩次，掃查方式如圖4所示。

圖4 掃查方式

3 結(jié)果分析

3.1 原始信號分析

檢測完成后，弱磁傳感器采集到的磁感應信號如圖5所示，CH1、CH2和CH3分別表示1號傳感器、2號傳感器和3號傳感器在掃查過程中所采集到的磁感應強度變化曲線。為了對比管道在有缺陷處和無缺陷處的信號差別，其中，1號傳感器檢測的是管道無缺陷處的磁感應信號，而2號傳感器和3號傳感器檢測的是管道有缺陷處的磁感應信號。

圖5 管道試件的檢測信號

從CH2和CH3中可以看出磁感應強度曲線在掃查距離為 90～110 mm、200～220 mm和 290～320 mm時出現(xiàn)上凸的磁異常現(xiàn)象，原因是深度直達管道內(nèi)部鋼帶、鎧裝層和復合合金管處的三個人工缺陷可近似看作輸油管道的內(nèi)部缺陷，內(nèi)部缺陷的存在導致了缺陷上方的管道表面處磁感應線密度變大，因此缺陷處采集到的磁感應強度曲線則出現(xiàn)上凸的現(xiàn)象。此外，曲線上存在明顯上凸的位置與管道上90，190，290 mm處的實際缺陷位置相比還是存在著少許偏差，這是由于手動掃查速度不均勻所導致的。而在CH1中，除了開始檢測時啟動過程的抖動導致磁感應強度曲線稍微向下凸起，其余位置曲線都較為平緩，無明顯凸起。由此可見，使用弱磁檢測技術對海洋輸油復合管內(nèi)部金屬層上的缺陷檢測初步來說具有一定的可行性。

3.2 缺陷信號提取

掃查過程中探頭發(fā)生的輕微振動和外界磁場的疊加會對磁感應強度曲線中缺陷信號提取產(chǎn)生一定干擾，為了減小干擾并使得缺陷信號更加明顯，使用小波變換對缺陷信號進行提取。小波變換適合于探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分[11]。

在使用小波變換對弱磁檢測信號進行分解處理和缺陷信號提取的過程中，最關鍵的問題是小波基的選擇，選用不同的小波基對信號進行分析則對最后信號處理的結(jié)果有很大的影響，一個合適的小波基更利于特征信號的識別[12]。Symlet小波基是由Ingrid Daubechies提出的一種既可以用于連續(xù)小波變換也可以用于離散小波變換的小波函數(shù)，通常表示為symN（2≤N≤8）。symN小波的支撐范圍為2N-1，消失矩為N，同時具有較好的正則性和對稱性，這就在一定程度上減小了弱磁信號在分析的過程中出現(xiàn)相位畸變。因此，經(jīng)過分析比較，本實驗中選用sym6小波基對檢測信號進行3尺度分解，得到的分解波形如圖6所示。

圖6 通道2和通道3 Symlet小波三尺度重構(gòu)曲線

其中，a3是檢測信號由低頻分解系數(shù)重構(gòu)后的波形，d1、d2、d3則是檢測信號由高頻分解系數(shù)重構(gòu)后的波形。從分解效果分析，d2、d3中由于存在低頻干擾信號導致缺陷1與無缺陷處的信號差別不大、區(qū)分度不高。而高頻干擾信號雖然主要集中在d1上，但缺陷信號和干擾信號之間還是存在明顯的區(qū)分度，復合管試件上的三個人工缺陷都能清晰的呈現(xiàn)出來。最后，把CH2和CH3中提取出的缺陷信號融合并用二維彩圖表示，如圖7所示。

圖7 二維缺陷彩圖

因此，選用合適的小波基對弱磁檢測信號進行小波變換分解可以實現(xiàn)對海洋輸油復合管缺陷信號的提取。

3.3 缺陷深度

海洋輸油復合管中的缺陷主要是海水腐蝕造成的，但由于管道中的金屬層使用的基本都是耐腐蝕的合金復合材料，缺陷面積相對較小，因此缺陷深度對弱磁檢測信號的影響遠大于缺陷面積對弱磁檢測信號的影響。為了更直觀的顯示出弱磁檢測信號和缺陷深度之間的關系，本次實驗先計算出每個缺陷位置的磁感應強度變化量ΔB，再通過曲線擬合把缺陷深度h和磁感應強度變化量ΔB進行線性處理，并比較分析CH2和CH3這兩個通道的檢測數(shù)據(jù)和擬合曲線，最后對曲線進行調(diào)整并提高其一致性。表1為CH2、CH3中磁感應強度變化值ΔB和缺陷深度值h。

表1 CH2、CH3中磁感應強度變化值和缺陷深度

最小二乘曲線擬合和三次樣條插值曲線擬合是兩種相對比較普遍的曲線擬合方法。如圖8所示，三次樣條插值法是利用多段插值函數(shù)組合得到的擬合曲線，雖然誤差較小，曲線相對平滑，但是其計算量大，存在劇烈震蕩，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，還不能得到其曲線表達式。

圖8 三次樣條插值法擬合曲線

而最小二乘法雖然存在一定誤差，但計算簡單，具有良好的整體性和穩(wěn)定性[13]。因此，本次實驗選擇最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)進行二次曲線擬合，如圖9所示。

圖9 最小二乘法二次擬合曲線

CH2曲線擬合系數(shù)為0.936 3，修正擬合系數(shù)0.809 0，而CH3曲線擬合系數(shù)為0.982 5，修正擬合系數(shù)為0.947 5，由此可見，CH3的曲線擬合效果要優(yōu)于CH2的曲線擬合效果，造成這種偏差原因是管道表面的復合材料層厚度不均勻使得缺陷位置與磁通門傳感器之間的距離不一致，從而導致了兩個傳感器采集到的缺陷信號之間產(chǎn)生了少許差異。從大體上看，這兩條擬合曲線中缺陷深度h和磁感應強度變化量ΔB都大致呈正相關，其中CH3的擬合曲線誤差小，準確度較高，能更好的反映出缺陷深度h和磁感應強度變化量ΔB之間的關系，因此，弱磁檢測可以實現(xiàn)對海洋輸油復合管中缺陷深度的測量。

4 結(jié)束語

1）在地磁場環(huán)境下，弱磁無損檢測技術作為一種對海洋輸油復合管缺陷檢測的新方法，能很有效地檢測出管道上的缺陷并對缺陷進行定位。

2）Symlet小波分析法能有效的對弱磁檢測信號中的缺陷信號進行提取和判斷，并對小缺陷的判定有較高的準確率。

3）分別運用三次樣條插值法和最小二乘法對CH2、CH3的缺陷深度和磁感應強度變化量進行曲線擬合，經(jīng)過充分比較，發(fā)現(xiàn)最小二乘法二次擬合曲線具有更好的整體性和穩(wěn)定性，而且誤差率較小，可進一步實現(xiàn)對海洋輸油復合管中缺陷深度的測量。弱磁檢測技術對于海底輸油管道檢測具有靈敏度高，速度快等特點，進一步改進可用于自動化檢測，具有良好的應用前景。