非接觸式磁力檢測技術在原油管道檢測中的應用

索杏蘭

中國石化西北油田分公司油氣運銷部，新疆庫爾勒 841000

為了避免管道發(fā)生腐蝕泄漏失效，采用科學、有效的檢測技術對管道防腐層的完整性、管體腐蝕現(xiàn)狀及環(huán)境腐蝕性等進行系統(tǒng)、全面的檢測與評價，排查出管道高風險段及高后果段應力集中狀況，為管道的完整性管理提供可靠依據(jù)[1]。許多在役長輸油氣管道由于其結構特點或者敷設條件的限制而無法實施內檢測，對管道的安全運行造成了潛在的威脅，長輸油氣管道使用現(xiàn)狀的診斷已經(jīng)成為一個迫切的問題，非接觸式狀態(tài)下如何檢測管道缺陷也是一個亟需解決的問題。

非接觸式磁力檢測技術是在俄羅斯學者杜波夫提出的金屬磁記憶概念基礎上發(fā)展起來的埋地管道檢測新技術[2]，可全面有效地檢驗檢測與評估高風險區(qū)域管段的應力集中、腐蝕、缺陷等現(xiàn)狀，從而實現(xiàn)在役管道安全、可靠地穩(wěn)定運行。

1 非接觸式磁力檢測技術介紹

1.1 檢測原理

磁應力檢測工作的原理基于維拉里效應（VILLARI EFFECT，磁彈性效應），維拉里效應是指由于受到材料變形和內部應力的影響，鐵磁材料磁化強度發(fā)生變化的物理現(xiàn)象[3]。運用磁力計對磁場異常進行識別，磁力計組件建立在薄膜磁阻傳感器的基礎上，測量空間四個點上的磁感應強度矢量，通過獲取因管體缺陷導致的管道漏磁場變化信號，檢測相應的金屬應力變化和幾何形變，結合縱向坐標（相對于檢測零點）和角坐標（相對于管道圓周），確定管道缺陷（群）和位置，達到以非接觸的方式來診斷油氣管道的目的[4-5]。其檢測原理示意見圖1。

圖1 檢測原理示意

引起管道磁場變化的狀況有局部損傷、裂紋、伴隨金屬損失的腐蝕缺陷、管道工藝缺陷、金屬剝離、折痕、變形引起的幾何形變、連續(xù)性的損失、焊接接頭缺陷等。在檢測過程中，檢測系統(tǒng)會按照所采集到的數(shù)據(jù)制作成相應的磁場強度記錄圖，通過解讀該記錄圖中各項參數(shù)的變化來對管道進行診斷[6]。

1.2 檢測工具

本次檢測使用的檢測工具為KMD-01M非接觸磁力檢測儀，該設備是由POLYINFORM專家創(chuàng)建的一種創(chuàng)新設備，KMD-01M非接觸式磁力診斷系統(tǒng)適用于診斷帶壓干線、油田油氣和輸水鋼質管道，不適用于管內診斷。KMD-01M系統(tǒng)的作業(yè)是基于記錄和測量由局部損傷和應力應變狀態(tài)改變引起管道磁場振動的參數(shù)，主要有以下優(yōu)勢：

（1）使用基于各向異性磁阻效應的高靈敏度變換器。

（2）磁阻納米級變換器具有低噪音的特點，保障高選擇性和抗干擾穩(wěn)定性，可以在電力線路、電力地下電纜、電力電氣設備附近工作。

（3）能夠在計算機屏幕上實時診斷過程中觀察到的地磁記錄圖。

（4）結合磁場圖形矢量結構，應用梯度測量方法，以補償?shù)厍虮尘按艌龅挠绊?，并測量更多與缺陷相關的磁場波動參數(shù)。

（5）在管道上高精度定位，精度高達0.5 m。

（6）采集和處理信息的獨家軟件保障系統(tǒng)的移動工作模式，還可以使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫處理所得信息。

1.3 檢測條件與檢測遵循的標準

（1）檢測條件。第一，管道埋深≤10倍管徑；第二，管徑≥100 mm；第三，管內輸送介質壓力≥1 MPa。

（2）檢測遵循的標準。檢測缺陷危險評估根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F確定，根據(jù)綜合指標F，評價檢測到的缺陷危險性。該指標是使用POLYINFORM股份公司的專利軟件，考慮到振幅、磁場矢量分布形狀、異常長度、操作和設計壓力、管道檢查日期及投產(chǎn)時間，通過特定公式計算得出的。依據(jù)是俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會批準制訂的РД102-008-2002《非接觸式磁力掃描方法進行管道技術狀況診斷指南》，根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F確定了3個危險等級[7]，并給出了針對3類危險等級應當采取的維護策略。磁異常綜合指數(shù)F分級標準和等級見表1。

表1 磁異常綜合指數(shù)F分級標準和等級

Ⅰ級缺陷：是金屬缺陷和機械應力的結合，相當于超過相應管道技術標準較大。這種管道屬于緊急情況，需要優(yōu)先修復。

Ⅱ級缺陷：是金屬缺陷和機械應力的結合，相當于超過一定的管道技術標準，但不會很快發(fā)生事故，這種管道的特點在于可靠性降低，需要列入計劃修復。

Ⅲ級缺陷：相當于良好的管道技術狀況（無關緊要的缺陷或者應力集中區(qū)）。這種管道可以在監(jiān)控缺陷發(fā)展和應力集中增長的情況下，無需修復繼續(xù)運行。

2 檢測技術的應用

2.1 管道概況

某油田原油外輸管道于2003年10月建成投產(chǎn)，全長20.8 km，管道規(guī)格D 323.9 mm×7.1 mm，設計壓力4.0 MPa，管道本體材質L360，防腐層采用環(huán)氧富鋅底漆加厚漿型環(huán)氧煤瀝青面漆，防護層采用聚乙烯夾克層。管道沿線途徑井站8處，穿越季節(jié)性河流1條，穿越溝渠4處，穿越瀝青路4條，穿越砂石路23處。

該管道輸送的原油屬于高含硫化氫重質原油，隨著服役時間的延長，在運行過程中該管道的內外腐蝕情況較為嚴重，管道腐蝕穿孔的頻率逐年增加，急需進行一次徹底系統(tǒng)的檢測，根據(jù)檢測結果進行維護、維修。

2.2 檢測過程

檢測人員首先使用管道定位儀對管道進行探測定位，同時基于最近基準點利用GPS進行管道路由及距離測量。然后使用KMD-01M檢測儀沿著管道的路由進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，同時標記磁異常點位置。在診斷作業(yè)過程中，KMD-01M系統(tǒng)高精度自動綁定檢測到的異常GPS坐標，在每個測量周期結束時生成記錄到的異常坐標的電子地圖。在完成現(xiàn)場磁力層析數(shù)據(jù)的采集后，將檢測數(shù)據(jù)輸入檢測軟件進行分析處理，形成檢測結果，確定管道沿線磁異常強度和綜合指數(shù)分布，準確確定管道金屬缺陷與機械應力綜合作用下的應力集中敏感區(qū)域、缺陷狀況與等級，根據(jù)分析的結果在現(xiàn)場實施開挖驗證工作[8]。

2.3 檢測數(shù)據(jù)分析及結果

采用KMD-01M檢測儀對20.8 km管道進行檢測，該區(qū)段的地球磁場強度背景值54500 nT（納特斯拉），檢測到的磁場異常幅度為2000～23000 nT。根據(jù)管道上方的磁場變化情況，并且結合現(xiàn)場實際情況，最終形成管道磁異常位置GPS坐標、等級維修建議、預測及檢測到的缺陷狀態(tài)值等結果[9]，部分磁異常檢測結果如表2所示。檢測發(fā)現(xiàn)103處磁場異常，其中評價立即修復的有3處，評價為監(jiān)控降壓使用的有7處，評價為繼續(xù)使用的有93處。

2.4 開挖驗證

對管道檢測結果異常等級不同的位置進行開挖驗證，目的是一方面判斷磁應力技術在檢測時對異常點的定位是否準確，另一方面判斷檢測評價的等級與儀器直接檢測的結果是否吻合[10]。

表2 部分磁異常點明細

（1）開挖驗證的方式。第一，開挖坑長度應為以異常點為中心前后各2.0 m，深度應至少在管道底部0.5 m以下，并在管道兩旁各留出1.0 m寬度。第二，使用接觸式磁力檢測儀對管道上的應力情況進行檢測，劃分應力集中區(qū)域。第三，去除管道防腐層，通過目測觀察缺陷點周圍狀況，查找缺陷點位置，觀察缺陷點腐蝕產(chǎn)物及狀況等，使用焊縫尺對腐蝕坑深度進行檢測。第四，使用超聲波測厚儀對管體3、6、9、12點鐘位置（順著油流方向）進行壁厚測量，根據(jù)測量結果判斷管道金屬損失量。

以下將評定等級為Ⅰ級的磁場異常點8號、31號進行開挖驗證說明。

（2）8號異常點探坑開挖及測量情況。開挖坑中發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)密集腐蝕坑和管內底部點蝕，密集腐蝕坑恰好位于根據(jù)非接觸式診斷數(shù)據(jù)所標記的位置上。在焊縫區(qū)，尺寸為200 mm×300 mm，最大深度達5 mm，位于3～6點鐘位置，最大壁厚損失達45%；在管內底部發(fā)現(xiàn)了壁厚急劇變化區(qū)，根據(jù)超聲波測厚儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)管內底部點蝕，剩余厚度為3.9～5.5 mm。超聲波檢測值如表3所示，現(xiàn)場檢測圖片如圖2、3所示。

表3 8號異常點超聲波檢測值/mm

圖2 管體6點鐘區(qū)域密集腐蝕坑

圖3 缺陷區(qū)段的磁強度記錄

（3）31號異常點探坑開挖及測量情況。開挖坑中發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)密集腐蝕坑和焊縫機械損傷。密集腐蝕坑和機械損傷恰好位于根據(jù)非接觸式診斷數(shù)據(jù)所標記的位置上。根據(jù)超聲波測厚儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該坑中全部管體存在輕微腐蝕，最小剩余壁厚為6.8 mm。密集腐蝕坑區(qū)位于焊縫區(qū)，尺寸為300 mm×200 mm，位于12～3點鐘位置，最大壁厚損失不超過10%，但腐蝕面積達到75%。超聲波檢測值如表4所示，現(xiàn)場檢測圖片如圖4、5、6所示。

表4 31號異常點超聲波檢測值/mm

圖4 管體3點鐘區(qū)域密集腐蝕坑

（4）開挖驗證結論。非接觸式磁力檢測技術在操作風險低、不影響管道本質安全的情況下，對缺陷定位準確，間接檢測缺陷定級與開挖檢測找到的缺陷類型和危險程度基本吻合，磁異常缺陷段檢出率達到90%以上，磁異常缺陷定位準確度達到85%以上（定位誤差在2.0 m范圍以內）。

圖5 管體12點鐘區(qū)域焊縫機械損傷

圖6 缺陷區(qū)段的磁強度記錄

3 結束語

非接觸式磁力檢測技術，可以簡便易行地對管道本體的現(xiàn)狀實施檢測，避免采取在內檢測以及其他檢測方式前，需采取管道開挖、管道清管、安裝收發(fā)球裝置等大量準備工作。該技術也存在容易受外部鐵磁性材料信號干擾、需要在開挖條件下配合其他無損檢測技術才能準確定位缺陷點位置等的局限性[11]?？傊?，非接觸式磁力檢測技術是一種有效的管道本體直接檢測技術，可對高風險段、高后果段提出維修建議及措施，也可作為管道內檢測的驗證性、補充性檢測手段，共同實現(xiàn)管道完整性檢測。