金屬磁記憶技術在埋地金屬管道應力集中區(qū)檢測中的應用

楊 勇，尹春峰，姬 杰

（中石化股份勝利油田分公司技術檢測中心，山東東營 257000）

金屬磁記憶技術在埋地金屬管道應力集中區(qū)檢測中的應用

楊 勇，尹春峰，姬 杰

（中石化股份勝利油田分公司技術檢測中心，山東東營 257000）

在埋地金屬管道檢測中，非開挖狀態(tài)下如何檢測應力集中區(qū)是一個亟需解決的問題。金屬磁記憶技術可以檢測地磁場作用下的埋地金屬管道應力集中區(qū)，通過分析檢測到的管道表面磁場法向分量及其梯度值可確定應力集中區(qū)位置。利用TSC-4M金屬磁記憶檢測儀分別對位于小區(qū)占壓、林地和穿跨越區(qū)域的埋地管道進行了應力檢測，管道應力集中區(qū)檢測結(jié)果與開挖驗證結(jié)果相符。檢測結(jié)果表明，金屬磁記憶檢測技術可以在非開挖狀態(tài)下進行埋地金屬管道應力集中區(qū)檢測，能夠?qū)艿肋M行早期診斷，檢測結(jié)果準確可靠。

埋地管道；應力集中區(qū)；金屬磁記憶；無損檢測

0 引言

輸油氣管道在實際工程應用中不可避免地會受到疲勞失效的威脅[1]。由于疲勞裂紋大多數(shù)位于管道表面或者近表面的應力集中區(qū)域，且管道中存在的腐蝕等微觀缺陷也會導致應力集中，因此實施應力檢測不僅可以檢出腐蝕等缺陷，還可以對管道缺陷進行早期預警。

20世紀90年代，俄羅斯學者杜波夫首先提出利用金屬磁記憶效應進行金屬材料應力檢測[2-3]。金屬磁記憶檢測技術是一種全新的無損檢測手段，該技術主要利用鐵磁性金屬管道在地磁場中所產(chǎn)生的磁記憶效應，通過對管道表面磁場法向分量進行檢測，以確定被檢管道的缺陷和應力集中區(qū)。

本文利用金屬磁記憶技術檢測某輸油處所轄管道，結(jié)果證明，該技術是一種行之有效的管道應力狀況檢測手段，利用該技術可以分析判斷管道的疲勞損傷狀態(tài)。

1 管道應力集中區(qū)金屬磁記憶檢測原理

鐵磁性金屬材料在應力作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生位錯形成滑移，在材料內(nèi)部產(chǎn)生應力集中。金屬材料中的應力集中區(qū)在地磁場作用下，將發(fā)生磁疇的自發(fā)轉(zhuǎn)動，形成磁極，以磁性能的形式來抵消掉部分應力集中帶來的彈性能量。即對于鐵磁性金屬來說，磁機械效應和磁彈性效應的產(chǎn)生是為了降低體系本身的自由能，其結(jié)果必然會在金屬管道表面形成特定的漏磁場，從而產(chǎn)生磁記憶效應[4-7]。漏磁場強度的計算公式為：

式中Hp——漏磁場強度/（A/m）；

λH——磁彈性效應的不可逆分量；

μ0——真空磁導率/（N/A2）；

Δσ——周期性外加載荷/MPa。

該漏磁場在應力集中區(qū)域，其切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）會改變符號，并具有零值點。因此，利用金屬磁記憶儀器通過測定鐵制工件表面Hp（y）的變化，便可以準確地推斷出鐵磁性構件內(nèi)部殘余應力的大小和區(qū)域，如圖1所示。通過測量金屬表面漏磁場的分布特征，就可以得到金屬構件應力集中區(qū)域的分布以及大小，達到檢測應力集中區(qū)及缺陷位置的目的。

圖1 金屬構件應力集中區(qū)磁記憶效應Hp檢測原理示意

另外，在金屬構件缺陷區(qū)域的應力集中區(qū)，漏磁場的法向分量Hp（y）變化劇烈，因此還可以用磁場梯度值K來判斷該金屬構件的缺陷或應力狀況。

式中K——磁場梯度值；

ΔHp（y）——相鄰兩檢測點之間漏磁場的變化值/（A/m）；

Δlk——傳感器的采樣長度/m。

由式 （2）可知，在其他條件相同的情況下，梯度值越大的區(qū)域存在的缺陷或應力就越大。

2 檢測結(jié)果及分析

利用金屬磁記憶檢測儀分別對位于小區(qū)占壓管道區(qū)段、林地以及穿跨越區(qū)域的埋地管道進行了應力檢測，檢測示意見圖2。檢測設備選用俄羅斯動力診斷公司研制的TSC-4M-16金屬磁記憶檢測儀以及非接觸檢測探頭，探頭由4個3通道傳感器組成；現(xiàn)場檢測對象為某輸油處所轄長輸管道的一段，該段管道為16Mn螺旋焊縫鋼管，壁厚為8 mm。

圖2 埋地金屬管道檢測示意

圖3 占壓管道區(qū)段金屬磁記憶檢測結(jié)果

占壓管道區(qū)段位于某小區(qū)院內(nèi)，被測管道從小區(qū)五層住宅樓下穿越 （分別占壓管道18 m），檢測管段為住宅樓兩側(cè)，檢測結(jié)果見圖3。從檢測結(jié)果來看，被占壓管段檢測到的磁場信號變化較為平穩(wěn)，未見明顯的異常。12道磁場接收數(shù)據(jù)都未發(fā)現(xiàn)過零點的現(xiàn)象，僅在距檢測起始點約2.0 m處發(fā)現(xiàn)干擾信號，如圖3中紅色方框標出位置。經(jīng)現(xiàn)場分析，發(fā)現(xiàn)該處磁場異常信號是由于管體側(cè)上方存在鐵制下水道井蓋所致。

利用金屬磁記憶檢測儀TSC-4M-16檢測林地區(qū)段的管道應力結(jié)果如圖4所示。檢測結(jié)果表明，距檢測起始位置4.6 m附近的第10通道磁場信號存在過零點現(xiàn)象，并且該通道磁場梯度值較大，超過規(guī)定極限值。開挖驗證結(jié)果如圖5所示，開挖結(jié)果表明該處管段存在一條螺旋焊縫。經(jīng)分析判斷，管道在該處的應力集中是由于焊縫處存在缺陷所致。在檢測管段的其他位置未發(fā)現(xiàn)應力集中區(qū)域。

圖4 林地中管道金屬磁記憶檢測結(jié)果

圖5 林地中管道開挖驗證結(jié)果

管道穿跨越區(qū)段開挖驗證結(jié)果及金屬磁記憶檢測結(jié)果如圖6、7所示。由檢測結(jié)果可知，該處檢測到的多道磁場信號都存在過零點現(xiàn)象 （如第1、2等通道信號），但是對其信號梯度進行分析均未發(fā)現(xiàn)超過規(guī)定極限值。對第10道磁場信號距起點位置約2 000 mm處進行梯度求解發(fā)現(xiàn)，該處磁場梯度超過規(guī)定極限值，判斷該處可能存在應力集中區(qū)。開挖驗證結(jié)果表明該處存在一條螺旋焊縫。由此可知，該處應力集中是由于焊縫處存在的缺陷所引起的。另外，根據(jù)圖6所示檢測結(jié)果可知，僅僅依據(jù)Hp（y）信號過零點即判定該處構件存在應力集中會導致誤判，判定存在應力集中還應以多道信號梯度值超過規(guī)定極限值作為參考依據(jù)。

圖6 管道穿跨越區(qū)段開挖驗證結(jié)果

3 結(jié)束語

埋地金屬管道應力集中部位信號的基本表征為Hp（y）的突變區(qū)和 Hp（y） 梯度突變區(qū)。 由于管道應力集中區(qū)可能存在多種金屬磁記憶效應的疊加，因此Hp（y）曲線在該處不一定過零點，所以不能單純依靠Hp（y）曲線過零點來判斷該處是否為應力集中區(qū)，應結(jié)合Hp（y）梯度值進行判定。

圖7 管道穿跨越區(qū)段金屬磁記憶檢測結(jié)果

在非開挖狀態(tài)下，金屬磁記憶檢測技術無需進行專門磁化即可對埋地金屬管道表面應力集中部位進行檢測，且檢測結(jié)果與開挖驗證結(jié)果相符。

[1]王毓民.天然氣管道事故初步統(tǒng)計與分析[J].管道運輸，1996,1（3）：10-12.

[2]Dubov A A.Diagnostics of mental items and equipment by means of mentalmagneticmemory[A].ProceedingoftheChSNST7thConference on NDT and International Research Symposium[C].Shantou,China：ChSNST，1999.181-187.

[3]冷建成，徐敏強，邢海燕.鐵磁性構件磁記憶檢測技術的研究進展[J].材料工程，2010，（11）：88-93.

[4]梁志芳，李午申，王迎娜，等.金屬磁記憶信號的零點特征[J].天津大學學報， 2006，39（7）：847-850.

[5]任吉林，陳晨，劉昌奎，等.磁記憶檢測力—磁效應微觀機理的試驗研究[J].航空材料學報,2008，28（5）：41-44.

[6]王丹，董世運，徐濱士，等.靜載拉伸45#鋼材料的金屬磁記憶信號分析[J].材料工程,2008，（8）：77-80.

[7]張為民，董韶平，楊煜等.磁記憶檢測方法及其應用研究[J].北京理工大學學報，2003，23（3）：277-280.

Application of Metal Magnetic Memory Technique in Detecting Stress Concentration Zone of Buried Metal Pipeline

YANG Yong（SINOPEC Shengli Oilfield Technology Inspection Center,Dongying 257000,China），YIN Chun-feng，JI Jie

∶How to detect the stress concentration zone in a buried metal pipeline is a problem to be solved urgently.The metal magnetic memory （MMM）technique can detect the stress concentration zone in a buried pipeline under the action of earth magnetic field.The stress detections using TSC-4M metal magnetic memory detector for the buried pipeline sections passing through pressed pipeline area,woods and pipeline crossing area were carried out respectively.The excavation verifications for stress concentration zones were compliant with the detected results.The results show that the MMM technique can detect the stress concentration zone in buried metal pipeline under non-excavation condition and is able to conduct early diagnosis for metal pipeline with accurate and reliable results.

buried pipeline;stress concentration zone;metal magnetic memory;nondestructive testing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.015

楊 勇 （1978-），男，山東夏津人，2009年畢業(yè)于中國石油大學 （北京）地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)從事管道腐蝕檢測評價工作。

2011-08-15