基于雙勵磁場的管道應力內檢測工程應用研究*

田野 羅寧 陳翠翠 李坤 陳海燕

(1. 管網集團(新疆) 聯合管道有限責任公司 2. 沈陽工業大學信息科學與工程學院)

0 引 言

長輸管道是石油及天然氣的主要運輸方式, 為了保證油氣運輸的高效、 安全, 定期對長時間運行的管線進行檢測及安全維護是管道運營的關鍵[1-3]。 管道檢測行業發展的初期是為了發現管道的體積損傷位置。 由于管道深埋于地下且距離長達上百千米, 傳統的表面檢測方法只適合檢測小型零件, 漏磁內檢測技術成為長輸油氣管道檢測的主流技術[4]。 經過幾十年的發展, 漏磁檢測技術也從早期的軸向勵磁檢測發展出周向勵磁檢測以及全方位檢測[5-9]。 油氣管道內檢測器的進步與發展和管道檢測的需求息息相關, 軸向勵磁對周向范圍較小的缺陷識別較為困難, 由此發展出了周向勵磁漏磁內檢測器, 為了更全面地識別各種形狀的體積缺陷發展出了全方位勵磁漏磁內檢測器。 隨著檢測人員總結過往的管道安全事故原因, 人們發現單純的體積缺陷檢測無法滿足對管道失效的預防要求, 管道在失效前往往經歷局部的應力集中變化[10]。 因此,如果可以監測到管道實時的應力異常情況就可以針對性地做到管道安全事故的預防, 提高管道運營的安全性及經濟性。

應力檢測在其他行業早已被重視與研究, 如飛機零部件的檢測, 橋梁鋼筋、 鋼絲繩的應力分布檢測等等。 在這些檢測項目當中, 超聲法、 射線法經常被采用[11-13], 也發展出了各自行之有效的檢測標準。 但是只適用于較小的或裸露的零部件, 無法應用到長輸油氣管道應力檢測當中。 俄羅斯學者杜波夫提出了磁記憶檢測方法用來檢測管道應力分布, 國內也有相應的磁記憶磁檢測器應用于管線檢測當中[14-17]。 但是, 磁記憶檢測在地磁場條件下進行, 磁場強度微弱不易識別, 勵磁場不穩定也會導致檢測結果具有較大的不確定性, 國內至今仍無法對磁記憶應力內檢測方法做出有效的歸納并形成切實有效的標準[18-21]。 如何有效地檢測管道異常應力, 形成穩定的可重復的檢測結果是當前檢測人員關注的重點問題[22]。 一套可以應用于實際檢測長輸油氣管道應力內檢測的設備具有重要的研制意義。

筆者提出了一套可以應用于長輸油氣管道的應力內檢測設備結構及檢測方法, 通過原理介紹及工程試驗驗證為后續的管道應力內檢測設備發展提供參考。

1 結構及原理

1.1 設備結構

檢測器由2 節構成, 前后采用萬向節相連, 其連接方式與全方位漏磁內檢測器相同, 保證其在管道內部彎頭處的通過能力大于2.5 倍的管徑。 前一節為漏磁內檢測器, 對管壁采取飽和磁化時進行缺陷檢測; 后一節為弱磁內檢測器, 勵磁強度低于管材磁化曲線的近飽和磁化強度, 用于應力檢測。 2節檢測器勵磁方向均為軸向勵磁。 多年的漏磁檢測結果證實, 該結構在管道內檢測時仍然能夠保證平穩、 安全運行。

檢測器探頭均采用高清晰度、 高靈敏度探頭,精度可達nT 級, 量程適用于勵磁強度。 2 節檢測器具有相同的速度與里程信息, 因此可以得到管道上同一里程同一鐘點在不同磁場下的信號特征, 用于管壁損傷的判讀識別。

2 節檢測器的磁鋼架構如圖1 所示。 漏磁檢測節的磁鋼A 沿徑向向管壁產生磁通, 磁鋼B 沿徑向從管壁吸收磁通, 依靠軛鐵及鋼刷與管壁形成閉合磁路, 探頭在磁鋼A、 B 的中間位置進行泄漏磁場的檢測。 弱磁檢測節的磁鋼C 沿徑向從管壁吸收磁通, 磁鋼D 沿徑向向管壁產生磁通, 漏磁節及弱磁節對管壁的勵磁磁通方向相反。

圖1 磁鋼架構及磁通導向圖Fig.1 Magnetic steel architecture and diagram of the magnetic flux direction

管壁的磁化過程如圖2 所示。 首先從原點或是接近原點位置的初始磁化位置在漏磁場下進行磁化, 磁特性達到A點位置, 漏磁節離開后, 管壁受剩磁場影響,磁特性退回到B點,若此時弱磁節施加相同方向的正向勵磁磁場, 管壁磁特性沿B到A的曲線進行磁化。 由圖2 可知, 弱磁下磁特性變化梯度較小。 若弱磁節施加的勵磁方向與強磁節相反, 假設強磁節沿反方向勵磁, 退磁后其剩磁點為C, 弱磁節導致的磁特性曲線為C-D-A曲線,磁特性變化梯度遠大于前后2 節同方向勵磁之時,其受應力影響導致的磁特性變化更為明顯, 易于檢測器的識別。

圖2 管壁磁化過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the magnetization process of the pipe wall

2 節檢測器的探頭均沿周向排列, 保證管道的周向上每間隔3～4 mm 就有1 條檢測通道, 每一條通道能夠分別檢測該路徑上的管道軸向、 周向及徑向的三軸數據。 根據檢測的管道直徑不同, 探頭數量進行相應調整。 探頭采集數據通過數據線接入機芯組件, 組件包含大容量的存儲設施, 保證長距離管線在線檢測數據的完整。

1.2 檢測原理

根據Jiles 與Atherton 建立的J-A 理論模型[23],磁化強度與外磁場的關系為:

式中:M為磁化強度, A/m;H為外磁場強度,A/m;Man為非磁滯磁化強度, A/m;Ms為材料飽和磁化強度, A/m;a為磁化曲線形狀系數, A/m;k為材料的釘扎系數, 無量綱;δ為磁場方向系數,δ= ±1;c為可逆磁化系數, 無量綱;r1、r′1、r2、r′2均為常數, 與材料有關;μ0為真空磁導率, H/m;σ為應力大小, Pa。

各參數取值如下[24]:a=1 000 A/m,c=0.15,r1=7×10-18m2/A2,r′1=-1×10-25m2/ (A2·Pa),r2=-3.3×10-30m4/A4,r′2=2.1×10-38m4/ (A4·Pa),k=1,δ=1,μ0=4π×10-7H/m,Ms=1.85×106A/m。 計算不同強度應力管壁的磁化曲線, 如圖3 所示。

圖3 不同應力管壁磁化曲線Fig.3 Pipe wall magnetization curves with different stresses

由圖3 可以看出, 當外磁場強度從0 增大到10 kA/m 的過程中, 300 MPa 應力下的管壁磁化強度增長梯度高于500 MPa 應力下的管壁, 在10 kA/m 左右, 300 MPa 下的管壁磁化強度為135 083 A/m, 500 MPa 下的管壁磁化強度為100 018 A/m,相差35 075 A/m, 具有較高的區分度, 2 種應力磁化強度的差值與外磁場強度的比值約為3.5。 當外磁場強度從10 kA/m 增大到20 kA/m 的過程中,不同應力下的磁化強度差值逐漸減小, 在20 kA/m時300 MPa 應力的管壁磁化強度為155 993 kA/m,500 MPa 應力的管壁磁化強度為147 347 kA/m, 相差8 646 A/m, 與外磁場強度的比值約為0.43。 隨外磁場變化, 不同應力導致的磁化強度差值與應力識別能力變化圖如圖4 所示。 定義應力識別率為應力差值下磁化強度差值與外磁場強度的比值。

圖4 應力識別率圖Fig.4 Stress detection capacity

由圖4 可知, 隨著外磁場強度的增大, 磁化強度差值先增大后減小隨后趨于穩定, 說明應力導致的磁場變化呈先增大后減小趨勢, 存在一個適宜的外磁場強度作為該應力差值的最佳識別磁場。 應力識別率呈逐漸減小趨勢隨后趨于穩定, 在10 kA/m前下降趨勢明顯, 說明在較低的磁場強度下應力導致的磁化強度變化越明顯, 易于應力的識別。 但是, 磁場強度越低意味著抗干擾能力低, 容易受環境影響, 導致檢測結果的準確性降低。 強磁作用下, 應力導致的磁化強度變化趨于平穩, 無法根據磁化強度變化去評估應力強度的大小。

綜上分析, 利用不同勵磁強度對管壁進行磁化檢測時, 低磁化水平可以有效地檢測應力導致的磁信號變化, 最佳檢測的磁場強度在5 ～10 kA/m。高磁化水平用于檢測管道的體積損傷缺陷。

2 可行性試驗驗證

2.1 試驗方法

采用管道加壓方式進行可行性試驗驗證, 制作小型強弱磁雙場內檢測器, 如圖5 所示。

圖5 簡易雙場內檢測器Fig.5 A simple dual-magnetic-field internal detector

與實際應用的檢測器區別在于機芯裸露在外,放置于勵磁節后方用于記錄實時數據。 但是由于勵磁強度遠高于地磁場強度, 所以抗干擾能力強于磁記憶檢測方法, 機芯組件對檢測信號的影響可以忽略不計。

選取經過強磁拖拉過的直徑273 mm 樣管, 保證樣管通體的剩磁強度穩定, 進行密閉處理后試壓至6 MPa 后泄壓, 排除管道初始殘余應力的不均勻分布對檢測的干擾。 將內檢測器放置于管道內,開啟設備, 將管道進行密封處理, 對管道進行加壓試驗, 記錄壓力導致的管壁應力變化引起的強弱磁節檢測器磁信號變化。 加壓過程如下: 從0 開始加壓至6 MPa 保持, 隨后逐漸降低至4 MPa、 2 MPa保持, 直至降到0。

2.2 試驗結果分析

檢測結果如圖6 所示。 強磁下, 管道壓力變化對漏磁信號的數值影響很小, 加壓值2、 4、 6 MPa時, 信號波動范圍均在1 240 ～1 270 之間。 弱磁下, 管道壓力變化對信號的數值有影響, 加壓值2、 4、 6 MPa 時, 信號波動范圍分別為37 ～44,24～44, 0～20 之間, 區分度較為明顯。

圖6 檢測結果曲線Fig.6 Detection results

加壓試驗采用與強弱磁內檢測器相同的檢測器探頭, 該試驗測試了強弱磁內檢測器的探頭性能。由試驗結果可知, 隨著管道壓力的增加, 強弱磁節的探頭運行良好, 可以適應壓力變化引起的管道表面應力變化, 弱磁節的探頭分辨率完全能夠識別應力變化。

3 工程應用試驗及驗證

3.1 工程應用介紹

選取西氣東輸二線的一段天然氣管線, 管線直徑為1 219 mm, 全長137 km, 管道材質為X80 鋼材, 管道由螺旋焊縫管與直焊縫管組成, 輸送溫度為常溫。

整個內檢測過程共歷時15 h 39 min, 平均速度2.43 m/s, 內檢測器外觀完好, 無機械損傷, 未缺少任何組件。 檢測器速度達到了檢測器的最佳檢測運行速度要求。

通過檢測數據的分析, 本段管線的環焊縫、 閥門、 三通、 法蘭及彎頭數量與業主提供的管道基礎特征數量相符, 無錯檢漏檢產生, 里程數據與管線總里程相符無偏差。

3.2 檢測數據統計分析

通過對比強磁節與弱磁節的信號特征, 按信號異常進行區分, 將所有異常信號類型分為3 類: 第一類為強磁節與弱磁節均存在異常信號, 共存在109 處; 第二類為強磁節無異常信號, 弱磁節存在異常信號, 共存在5 處; 第三類為強磁節有異常信號, 弱磁節無異常信號, 共檢測到2 561 處。 各信號特征圖例如圖7 所示。

圖7 信號特征圖例Fig.7 Example of signal characteristics

理論分析認為: 第一類信號為管壁上存在體積缺陷, 且在體積缺陷處存在一定程度的應力異常,應力沒有隨著管壁的腐蝕而分散掉; 第二類信號為管壁上存在應力集中區, 無體積缺陷; 第三類信號為管壁上的金屬腐蝕, 無應力異常, 說明在腐蝕過程中, 應力隨著管道的加壓分散掉而未形成集中區。

3.3 檢測結果開挖驗證

針對上節所述3 種缺陷類型, 選取相應的典型開挖點進行開挖驗證。 通過強弱磁數據的對比, 選取開挖點處的信號如圖8 所示。 圖8 中: A 缺陷為強磁有信號, 弱磁無信號; B 缺陷為強磁、 弱磁均有信號; C 為強磁無信號, 弱磁有信號。

圖8 開挖點強弱磁信號對比圖Fig.8 Comparison of signals at the cut-out between high-intensity and low-intensity magnetic fields

其中, 對內部金屬損失缺陷, 采用超聲波測厚儀進行測厚。 采用磁記憶檢測設備、 矯頑力檢測設備對相應位置進行應力檢測。 應力檢測設備如圖9所示。

圖9 應力檢測設備Fig.9 Device for stress verification

驗證時, 首先對管壁進行開挖定位, 去掉管壁的防腐層后, 對定位點周圍進行應力驗證。 以缺陷定位點為中心繪制8×8 的網格, 網格大小為15 mm×15 mm 的正方形, 分別檢測各點的矯頑力, 繪制矯頑力強度等高圖, 如圖10 所示。

圖10 矯頑力數據等高圖Fig.10 Contour of coercivity

由矯頑力數據可知: 缺陷A 外部無損傷, 其矯頑力數據無明顯變化, 可知缺陷A 周圍無應力集中現象; 缺陷B 外部無損傷, 其矯頑力數據在缺陷定位點處存在較大的應力集中, 其矯頑力值比管道平均應力對應的矯頑力值高0.5 A/cm; 缺陷C 外部無損傷, 其矯頑力數據在缺陷定位點處存在較大的應力集中, 其矯頑力值比管道平均應力對應的矯頑力值高0.5 A/cm。 綜上所述, 缺陷A 處無應力集中, 缺陷B 及C 均檢測到一定程度的應力集中, 與內檢測結果相符。

過缺陷A、 B、 C 定位點分別選取軸向及周向檢測線進行磁記憶檢測, 結果如圖11 所示。

圖11 磁記憶檢測圖Fig.11 Results of magnetic memory detection

由磁記憶檢測數據可知: 缺陷A 處無明顯峰值及劇烈梯度變化, 故缺陷A 處無應力集中現象;缺陷B 軸向檢測線兩側存在峰值及梯度變化, 周向檢測線靠近中心兩邊存在峰值及梯度變化, 說明缺陷B 處四周存在應力集中點, 應力集中點圍成的范圍與矯頑力數據變化范圍相近; 缺陷C 處的軸向及周向檢測線在中心位置存在峰值及梯度變化, 說明缺陷C 中心處存在應力集中現象。 由檢測結果可知, 磁記憶檢測結果與矯頑力檢測結果及內檢測結果一致。

為了進行超聲檢測, 需要對管壁進行打磨處理, 打磨后缺陷矯頑力數據測量如圖12 所示。 由打磨后的矯頑力數據可知: 缺陷A 存在1 處矯頑力突變值, 其余位置無明顯變化; 缺陷B、 C 中心處依然能檢測到矯頑力變化區域。 這說明管壁打磨前后不影響矯頑力數據的測量。

圖12 打磨后缺陷矯頑力數據等高圖Fig.12 Contour of coercivity after polishing

打磨后磁記憶數據測量如圖13 所示。 由圖13可知, 無論是軸向數據還是周向檢測, 檢測曲線出現不規則波動, 無法看出是否存在應力集中現象。分析原因為, 磁記憶數據檢測的是管壁表面的磁場分布, 由于管壁打磨導致的管壁表面應力重新分布且分布不均勻導致表面磁場重新分布, 無法檢測出原始的管壁應力狀態。 因此磁記憶檢測不適宜在打磨后進行驗證。

圖13 打磨后磁記憶檢測圖Fig.13 Results of magnetic memory detection after polishing

對3 處缺陷進行超聲測厚, 測厚結果等高線如圖14 所示。

圖14 打磨后缺陷超聲測厚數據等高圖Fig.14 Contour of ultrasonic thickness measurements of defects after polishing

由圖14 可知, 缺陷A 及缺陷B 處檢測到明顯的壁厚差異, 最大值達到0.8 mm, 說明存在腐蝕傷, 缺陷C 處未檢測到明顯壁厚差異, 最大值為0.1 mm, 無體積缺陷。

綜上所述, 利用矯頑力及磁記憶應力檢測方法說明了強弱磁雙場應力檢測可以檢測到管壁上的應力集中, 且能夠通過漏磁檢測方法得到損傷位置是否存在缺陷含應力集中的復合損傷, 利用一次檢測能夠同時得到管道上的體積缺陷損傷信息及應力損傷信息。

4 結 論

本文介紹了雙勵磁場內檢測器的結構及應力檢測原理, 描述了其在長輸油氣管道在線內檢測上的可行性, 通過試驗驗證了檢測器對應力的識別能力, 選取了一段西二線直徑1 219 mm 輸氣管線進行了實際應用, 通過開挖驗證的方法證明了檢測結果的有效性, 為雙勵磁場內檢測器的實際應用提供了參考。 得到以下結論:

(1) 基于應力對管材磁化曲線的影響關系可以利用弱勵磁場進行應力檢測, 弱磁節與漏磁節的磁化方向相反, 既排除了剩磁干擾也減弱了環境因素影響。

(2) 采用雙勵磁場內檢測器進行管道檢測能進行應力和體積損傷的同時檢測, 除管道基礎特征外, 檢測信號分為3 類: 第1 類信號為管壁上存在體積缺陷, 且在體積缺陷周圍存在一定程度的應力異常, 應力沒有隨著管壁的腐蝕而分散掉, 信號特征為強弱磁節在同一位置均能檢測到異常信號; 第2 類信號為管壁上存在應力集中區, 無體積缺陷,信號特征為同一位置強磁節無信號, 弱磁節有異常信號; 第3 類信號為管壁上的金屬腐蝕, 無應力異常, 說明在腐蝕過程中, 應力隨著管道的加壓分散掉而未形成集中區, 信號特征為同一位置弱磁節無信號, 強磁節有異常信號。

(3) 進行管道的應力開挖驗證時, 矯頑力檢測結果在防腐層剝除后管壁打磨前后與雙勵磁場內檢測結果有較高的一致性。 磁記憶檢測在防腐層剝除后管壁打磨前與雙勵磁場內檢測器結果有較好的一致性, 管壁打磨后不適宜進行磁記憶檢測。