基于漏磁原理的海底管道典型管件特征識(shí)別分析

陳秋華，王懷江，吳 昊，王丹丹，唐建華

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300459)

·試驗(yàn)研究·

基于漏磁原理的海底管道典型管件特征識(shí)別分析

陳秋華，王懷江，吳 昊，王丹丹，唐建華

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300459)

漏磁檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最成熟的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)后的缺陷識(shí)別分析是該技術(shù)的核心部分。從缺陷識(shí)別分析技術(shù)中基礎(chǔ)的管件特征識(shí)別出發(fā)，以金屬損失和金屬增加兩種漏磁圖譜形態(tài)和基本特征為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了各個(gè)不同的管件及與之對(duì)應(yīng)的漏磁信號(hào)特征量之間的關(guān)系。通過挖掘管件特征識(shí)別，為缺陷識(shí)別分析奠定基礎(chǔ)，為快速提取海量管件信息提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)后期的精細(xì)解譯及管道完整性評(píng)估具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

海底管道；漏磁檢測(cè)；管件特征識(shí)別；缺陷識(shí)別

0 引 言

近幾年，管道腐蝕造成的事故頻繁發(fā)生，受到政府、企業(yè)、社會(huì)越來越多的關(guān)注。各種管道腐蝕檢測(cè)技術(shù)，如漏磁、超聲、渦流、電磁超聲檢測(cè)技術(shù)相繼開發(fā)并得到應(yīng)用，其中尤以漏磁檢測(cè)技術(shù)以其可靠性和較高的準(zhǔn)確性受到管道管理者和技術(shù)廠家的認(rèn)可。

1 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)是基于鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性，且以管體存在磁導(dǎo)率差異為應(yīng)用前提的，其檢測(cè)原理示意圖如圖1所示。當(dāng)管壁被飽和磁化后，如管內(nèi)外壁中沒有缺陷，磁力線均勻分布；當(dāng)產(chǎn)生缺陷時(shí)，由于缺陷處磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鋼管磁導(dǎo)率，局部磁導(dǎo)率的差異將會(huì)引起磁通量的泄露[1]。通過霍爾探頭提取該漏磁場(chǎng)信息，經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被記錄在檢測(cè)器的存儲(chǔ)單元中。然后依據(jù)所提取到的漏磁場(chǎng)信息就可以對(duì)缺陷的外形參數(shù)進(jìn)行量化計(jì)算，進(jìn)而判斷缺陷腐蝕的嚴(yán)重性[2]。

需要注意的是，缺陷(即金屬損失)只是引起管壁磁導(dǎo)率差異的一種因素，管壁材質(zhì)不均、壁厚變化、管道附件等也都會(huì)導(dǎo)致局部磁導(dǎo)率的差異產(chǎn)生漏磁信號(hào)。因此，準(zhǔn)確識(shí)別漏磁信號(hào)所表征的管壁特征變化對(duì)于漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)的精細(xì)解譯及管道完整性評(píng)估具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

2 漏磁內(nèi)檢測(cè)器的發(fā)展及系統(tǒng)組構(gòu)

2.1 漏磁內(nèi)檢測(cè)器發(fā)展概況

自1965年美國(guó)Tuboscope公司研制出第一套基于漏磁原理的檢測(cè)器后，世界各國(guó)管道檢測(cè)公司相繼開發(fā)出了適用于不同工況、不同管道尺寸的漏磁內(nèi)檢測(cè)器。目前，國(guó)外技術(shù)比較成熟的檢測(cè)公司主要有美國(guó)GE PII公司、德國(guó)ROSEN公司、美國(guó)TDW公司等[3]。漏磁內(nèi)檢測(cè)器由單一磁化方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合磁化或螺旋磁化模式，集成傳感器陣列由單軸變?yōu)殡p軸直至現(xiàn)在的三軸高清內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)內(nèi)檢測(cè)設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了功能集成，能夠在一次內(nèi)檢測(cè)作業(yè)中完成變徑、漏磁、慣導(dǎo)圖繪等多項(xiàng)任務(wù)，基本達(dá)到了設(shè)備規(guī)格系列化和系統(tǒng)功能多樣化的產(chǎn)品研制格局，致力于為用戶提供性能更好、精度更高的漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)服務(wù)體系。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)漏磁檢測(cè)技術(shù)則起步較晚。上世紀(jì)90年代初，中油管道檢測(cè)有限公司開始從美國(guó)引進(jìn)管道漏磁檢測(cè)器，之后各家石油企業(yè)和科研院校都相繼投入到了漏磁內(nèi)檢測(cè)器的研制工作中[3]。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器的自主研制系列化，同時(shí)也具備了適應(yīng)于不同工況及不同曲率半徑彎頭的工程應(yīng)用能力，但整體性能指標(biāo)和精度要求對(duì)比國(guó)外產(chǎn)品仍存在一定的差距。為了優(yōu)化設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，由海油投建的國(guó)內(nèi)首座海底管道漏磁內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)建成，將致力于管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的驗(yàn)證評(píng)價(jià)，深度探究影響管道內(nèi)檢測(cè)器性能、精度的復(fù)雜原因，為內(nèi)檢測(cè)器的工況適應(yīng)性、通過性以及檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、解譯過程中的模型優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

2.2 漏磁內(nèi)檢測(cè)器系統(tǒng)組成

漏磁內(nèi)檢測(cè)器一般由以下四個(gè)部分組成，分別是電池節(jié)、檢測(cè)節(jié)、計(jì)算機(jī)節(jié)、里程與姿態(tài)測(cè)量節(jié)，原理樣機(jī)示意圖如圖2所示。

電池節(jié)用于為整臺(tái)設(shè)備提供能量供應(yīng)，其直接決定了單次檢測(cè)的最大里程；計(jì)算機(jī)節(jié)負(fù)責(zé)各系統(tǒng)之間的信息傳遞及數(shù)據(jù)同步讀取、及時(shí)存儲(chǔ)任務(wù)；檢測(cè)節(jié)則用于對(duì)管壁進(jìn)行磁化與漏磁信號(hào)的數(shù)據(jù)采集工作；里程及姿態(tài)測(cè)量節(jié)用于實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備的運(yùn)行步長(zhǎng)與當(dāng)前姿態(tài)。其中檢測(cè)節(jié)沿圓周方向共分布12組測(cè)量單元，每個(gè)測(cè)量單元均由軸向磁場(chǎng)探頭、徑向磁場(chǎng)探頭、渦流探頭組成，用于對(duì)管道圓周方向進(jìn)行全方位掃描，本文的數(shù)據(jù)分析也將以上述樣機(jī)結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)進(jìn)行展開。

3 管道管件特征識(shí)別與數(shù)據(jù)分析

3.1 漏磁信號(hào)的形態(tài)與基本特征

漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要用于識(shí)別體積型缺陷，包括金屬損失(如腐蝕、造管缺陷等)和金屬增加(如管道附件、補(bǔ)板)兩種類型，下面簡(jiǎn)單模擬一下金屬損失和金屬增加的漏磁信號(hào)特征。

設(shè)均勻鋼板中存在一半徑a、深度h均為5mm的圓柱形缺陷，則圓孔中心線處提離高度y依次取1mm、3mm、5mm時(shí)漏磁場(chǎng)的軸向分量、徑向分量波形曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 漏磁場(chǎng)軸向分量波形曲線

圖4 漏磁場(chǎng)徑向分量波形曲線

由圖3、圖4可知，金屬損失的漏磁信號(hào)特征呈現(xiàn)出如下規(guī)律：軸向信號(hào)是一個(gè)帶有兩個(gè)較小負(fù)峰的正峰，徑向信號(hào)表現(xiàn)為一負(fù)一正的雙峰特征。油氣管線上常見的金屬損失包括腐蝕、機(jī)械損傷、制造缺陷、壁厚減少、焊縫異常、支管等。

與金屬損失情況相比，對(duì)于任何金屬增加物，其漏磁信號(hào)中峰的數(shù)量是相同的，極性剛好相反。軸向信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)帶有兩個(gè)較小正峰的負(fù)峰，徑向信號(hào)則表現(xiàn)為一正一負(fù)的峰值特征。常見的金屬增加包括套管、壁厚增加、修復(fù)補(bǔ)板及支架等。

需要注意的是金屬增加或缺失的漏磁信號(hào)三維形態(tài)學(xué)特征還取決于缺陷的形狀、尺寸以及具體的檢測(cè)工況環(huán)境，實(shí)際缺陷漏磁信號(hào)特征相當(dāng)復(fù)雜，但其一維信號(hào)單元大體保持著上述基本形態(tài)。

3.2 管件特征識(shí)別與數(shù)據(jù)分析

這里以漏磁內(nèi)檢測(cè)器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，進(jìn)行管件特征識(shí)別與數(shù)據(jù)分析。圖5為試驗(yàn)場(chǎng)地發(fā)球筒實(shí)物圖，圖6為發(fā)球筒管段實(shí)測(cè)漏磁信號(hào)圖譜。圖5中1、2、3、4、5號(hào)管件依次為：排泄口、支架、過球指示器、球閥、三通。圖6中的標(biāo)號(hào)圖譜分別與之對(duì)應(yīng)。下面針對(duì)各管件漏磁信號(hào)圖譜分別進(jìn)行具體形態(tài)特征分析。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地發(fā)球筒實(shí)物圖

圖6 發(fā)球筒管段實(shí)測(cè)漏磁信號(hào)圖譜

3.2.1 焊縫

依照焊縫類型可將常見管道分為以下幾類：無縫管、直縫管、螺旋焊縫管等，焊縫結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。海底管道常用鋼管為無縫管，僅在管段與管段之間以環(huán)形焊縫形式連接。其中，焊縫材質(zhì)與管道母體材質(zhì)磁導(dǎo)率的差異因焊縫填充金屬的鐵磁特性而異，當(dāng)焊材鐵磁特性優(yōu)于母材時(shí)，焊縫附近由于焊縫余高的存在表現(xiàn)為金屬增加的漏磁信號(hào)特征；當(dāng)焊材鐵磁特性劣于母材時(shí)，加上焊接工藝的影響，焊縫位置則表現(xiàn)為金屬缺失的漏磁信號(hào)特征。圖8、圖9為實(shí)測(cè)的焊縫漏磁信號(hào)圖譜。

圖7 焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

從圖7中可以看到，焊縫位置表現(xiàn)為金屬缺失的漏磁信號(hào)特征，即整體形狀為一局部隆起的正峰，傳感器陣列沿圓周方向展開則表現(xiàn)為區(qū)別于周邊信號(hào)的明顯條狀異常帶，見圖9。此外，由于焊縫附近管壁不平整，檢測(cè)器運(yùn)行不穩(wěn)會(huì)引起波形的“抖動(dòng)”甚至嚴(yán)重畸變，這也是焊縫位置缺陷難以識(shí)別、量化的重要原因之一。

圖8 焊縫漏磁信號(hào)圖譜局部放大圖

圖9 焊縫漏磁信號(hào)圖譜整體視圖

3.2.2 法蘭

管道法蘭連接管件包括焊縫、法蘭片、墊圈、法蘭片、焊縫以及緊固螺栓和螺母，法蘭結(jié)構(gòu)示意圖見圖10。單個(gè)的法蘭片本質(zhì)上也是金屬增加，而兩邊焊縫及中間墊圈由于磁導(dǎo)率的降低則表現(xiàn)為金屬缺失的漏磁信號(hào)特征。整個(gè)法蘭組合起來就是：焊縫金屬磁導(dǎo)率降低+法蘭片金屬增加+空氣金屬損失+法蘭片金屬增加+焊縫金屬磁導(dǎo)率降低。軸向信號(hào)總體表現(xiàn)為：以墊圈為中心，兩邊對(duì)稱，中心是一個(gè)極高的正峰，兩端分別帶有一個(gè)焊縫產(chǎn)生的較小正峰，中心正峰與端部正峰之間則為兩個(gè)法蘭片金屬增加所引起的負(fù)峰；由于法蘭連接的規(guī)律性，和焊縫一樣，整體視圖上每隔一定距離管段管道整個(gè)圓周方向上均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)典型的法蘭漏磁信號(hào)圖譜，具體如圖11、圖12所示。

圖10 法蘭結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 法蘭漏磁信號(hào)圖譜局部放大圖

圖12 法蘭漏磁信號(hào)圖譜整體視圖

3.2.3 閥門

油氣管線中閥門的類型有很多種，例如：閘閥、截止閥、蝶閥、球閥等。每一種閥門都有其不同的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相應(yīng)的漏磁信號(hào)圖譜也各不相同。這里以常見的球閥為例對(duì)其漏磁信號(hào)特征進(jìn)行分析。圖13、圖14分別為球閥結(jié)構(gòu)示意圖和與之對(duì)應(yīng)的漏磁信號(hào)圖譜。

圖13 球閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 球閥漏磁信號(hào)圖譜整體視圖

由于構(gòu)成球閥整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不銹鋼材料為非鐵磁性材料，且閥體兩端通常由法蘭與管體連接，因此球閥漏磁信號(hào)圖譜一般表現(xiàn)為：兩端各有一個(gè)法蘭漏磁信號(hào)，中間閥體部位整個(gè)圓周方向顯示為一個(gè)臺(tái)階狀的漏磁異常區(qū)。

3.2.4 支架

支架在油氣管線中起到支撐和固定管道的作用，在管線鋪設(shè)工程中有著廣泛的應(yīng)用。支架一般為鐵磁性材料，且置于管道底部。因此支架位置表現(xiàn)為在管道圓周方向3點(diǎn)鐘到9點(diǎn)鐘之間顯示出金屬增加的下凹狀漏磁信號(hào)特征，具體如圖15、圖16所示。

圖15 支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 支架漏磁信號(hào)圖譜整體視圖

3.2.5 三通(或開孔)

三通(或開孔)在管線中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，主要起到分流或改變流體方向的作用。在漏磁檢測(cè)中三通的漏磁信號(hào)圖譜相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)不同大小孔徑的三通，其漏磁信號(hào)特征也略有差異，最明顯的就是管路中排泄口、各種儀表開口等小孔徑開孔與真正意義上三通漏磁信號(hào)圖譜的差異。具體如圖17、圖18、圖19所示。

圖17 三通(或開孔)結(jié)構(gòu)示意圖

圖18 儀表開孔漏磁信號(hào)圖譜

圖19 大三通漏磁信號(hào)圖譜

由于三通位置沿管道軸向結(jié)構(gòu)上依次為：管道母體金屬、焊縫、三通支管金屬、開孔、三通支管金屬、焊縫、管道母體金屬，所以三通開孔沿管道軸向中心線上均會(huì)出現(xiàn)由焊縫、開孔、焊縫引起的三個(gè)正峰和由支管金屬存在所產(chǎn)生的兩個(gè)負(fù)峰。但是隨著開孔的增大，開孔位置處會(huì)出現(xiàn)正峰峰值增大且被逐漸拉平的現(xiàn)象，這是由于大孔徑下霍爾探頭距離支管金屬較遠(yuǎn)的原因造成的。

4 結(jié)論和研究展望

根據(jù)漏磁的原理分析，典型的管道管件特征包括金屬損失和金屬增加兩類。其中法蘭、支架屬于金屬增加,閥門、三通、開孔屬于金屬損失。具體的信號(hào)特征會(huì)受工況、檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)等因素影響，不同管道或不同檢測(cè)批次的信號(hào)特征都會(huì)有細(xì)微變化，但大體上維持這兩種基本形態(tài)。

管道管件特征識(shí)別與數(shù)據(jù)分析作為漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的第一步，是里程校準(zhǔn)、鐘點(diǎn)位置偏差校正的依據(jù)，也是缺陷檢測(cè)識(shí)別等工作開展的基礎(chǔ)。實(shí)際管道環(huán)路中，不同種類的管件有很多，同種管件根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境也會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而呈現(xiàn)出不同特征的漏磁信號(hào)圖譜。因此，針對(duì)不同的管件進(jìn)行與之對(duì)應(yīng)的漏磁信號(hào)特征量分析，充分挖掘頻域算法、模糊算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等方法在管件特征量提取及管件識(shí)別方面的應(yīng)用潛能[4，5]，實(shí)現(xiàn)海量漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)中管件信息的快速提取及應(yīng)用是今后值得深入研究的一個(gè)方向。

[1] 楊理踐.管道漏磁在線檢測(cè)技術(shù)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(5):522-525.

[2] 何輔云.石油管道的高速檢測(cè)與缺陷識(shí)別[J].無損檢測(cè),2000，22(5):206-208.

[3] 崔益銘.管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2009.

[4] 李久春.基于有限元的管道裂紋漏磁檢測(cè)仿真分析[J].無損檢測(cè),2008,9(30):590-593.

[5] 劉海峰, 王秀彥, 何仁洋，等.管道內(nèi)部漏磁檢測(cè)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感器與微系統(tǒng), 2009,11(28):61-64.

Feature Identification and Analysis of Typical Pipe Fittings of Submarine Pipeline Based on the Principle of Magnetic Flux Leakage

CHEN Qiuhua, WANG Huaijiang, WU Hao, WANG Dangdang, TANG Jianhua

(CNOOCEnerTechEquipmentTechnologyCo.Ltd.,Tianjin300459,China)

Magnetic flux leakage(MFL)inspection technology is the most mature pipeline internal detection technology. The defect detection and identification analysis is the key of this technology. The relationship of the pattern of magnetic flux corresponding to each fittings are expounded based on the fitting feature identification and the basic features of two kinds of leakage pattern forms, including the loss of metal and the increase of metal. The pipe feature identification can lay the foundation for the analysis of defect recognition, and provide a theoretical basis for the rapid extraction of massive information on the pipe fittings, which has an important guiding value on the fine interpretation and integrity assessment of pipeline.

submarine pipeline; magnetic flux leakage inspection; pipe fitting feature identification; defect recognition

陳秋華，男，1982年生，工程師， 2007年畢業(yè)于湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)從事海底管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究工作。E-mail:chenqh3@cnooc.com.cn

TE973

A

2096-0077(2017)02-0047-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.011

2016-08-03 編輯：姜 婷)