非接觸式磁應(yīng)力檢測技術(shù)及其應(yīng)用*

李春雨 李本全 馮昕媛 喬柏翔 曹軍峰 李程

1中國石油青海油田鉆采工藝研究院

2中國石油青海油田采油一廠

3中國石油青海油田監(jiān)督監(jiān)理公司

油田埋地管道在服役期間，不可避免地會遭受到機械損傷、腐蝕等破壞，同時管道本體存在的缺陷也會導致管道失效，不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，也會導致環(huán)境污染風險，甚至造成人員傷亡事件，給管道安全平穩(wěn)運行帶來隱患。管道安全檢測與評價是發(fā)現(xiàn)并消除管道隱患的重要手段，經(jīng)過多年發(fā)展，管道檢測技術(shù)逐漸形成兩大類：一類是直接檢測技術(shù)，如內(nèi)檢測、超聲導波檢測等；另一類是間接檢測技術(shù)，如內(nèi)腐蝕直接評價（ICDA）和外腐蝕直接評價（ECDA）相關(guān)檢測評價技術(shù)。目前最準確、有效的檢測手段是管道內(nèi)檢測，但是由于內(nèi)檢測對管道管徑、管輸壓力、收發(fā)球裝置以及管道通過性等方面具有較高要求，多應(yīng)用于大口徑、長距離管道，油田內(nèi)部油氣集輸管道應(yīng)用較少。

油田內(nèi)部油水集輸管道內(nèi)腐蝕泄漏是油田金屬管道主要的失效形式之一。油田集輸管道具有距離短、管徑小、壓力低、內(nèi)部結(jié)垢等問題，同時管道大多未設(shè)計收發(fā)球筒，一般無法開展內(nèi)檢測。內(nèi)腐蝕直接評價技術(shù)在油水混輸管道特別是高含水原油管道和水管道應(yīng)用效果不明顯。外腐蝕直接評價無法全面發(fā)現(xiàn)管道存在的缺陷，只能局部進行檢測評價。小口徑油水管道缺陷全面檢測是目前管道完整性管理檢測評價面臨的主要技術(shù)難題之一，非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)理論上可實現(xiàn)任意管徑、長度的金屬管道缺陷全面檢測，具有較高的應(yīng)用價值。

本文分析了管道非接觸式高精度磁應(yīng)力檢測的技術(shù)原理、特點和缺陷評價與分級情況，并通過開展管道非接觸磁應(yīng)力檢測和壓力試驗對比分析，確定了非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)的準確性與適用性，為管道非接觸式磁應(yīng)力檢測技術(shù)應(yīng)用提供了參考。

1 非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

非接觸磁應(yīng)力檢測是利用金屬磁記憶效應(yīng)來檢測鐵磁性金屬管道應(yīng)力集中[1-3]的一種方法。管道缺陷作為應(yīng)力集中源，在管道應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致管道缺陷及附近區(qū)域磁特性發(fā)生變化，在地磁場作用下產(chǎn)生畸變磁場，以漏磁場的形式表現(xiàn)出來[4-7]，通過檢測管道漏磁場強弱實現(xiàn)管道缺陷檢測和評價。

非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)應(yīng)用的原理包括磁致彈性效應(yīng)、磁致塑性效應(yīng)、漏磁效應(yīng)和螺旋漏磁通的空間分布規(guī)律[8-11]。其中大地漏磁場作為檢測時管道的磁化磁場，其空間分布規(guī)律對非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)尤其重要，特別是在埋地管道缺陷識別方面。

在管道內(nèi)流體壓力作用下，管道受力主要是環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，根據(jù)材料力學原理，考慮環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力可計算管道某處位置所受當量應(yīng)力。管道某處當量應(yīng)力及其大小會影響該處磁場分布，同一管道中應(yīng)力集中越嚴重，當量應(yīng)力越大，剩余磁場強度越大，通過檢測漏磁場能夠確定管道的應(yīng)力集中區(qū)，從而發(fā)現(xiàn)金屬組織損傷以及管道宏觀缺陷[12-13]。管道的磁化可以用磁化模型來描述，地磁場和應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響可以用有效場來量化[14]。

根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會發(fā)布的《運用非接觸式磁檢測方法進行管道技術(shù)狀況診斷指南》，由管道磁化強度、三維磁場梯度、背景磁場參數(shù)可確定相應(yīng)的磁異常系數(shù)F，如式（1）所示。磁異常系數(shù)F與管道缺陷導致的漏磁場相關(guān)，在一定范圍內(nèi)與“管道缺陷”嚴重程度相關(guān)。

式中：A為矯正系數(shù)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)探坑檢測確定；Q1為異常區(qū)沿管道軸線方向磁場強度分布密度，A/m；Q2為異常區(qū)沿背景“靜區(qū)”中磁場強度分布密度，A/m。

1.2 技術(shù)特點

在油田集輸管道檢測評價領(lǐng)域，非接觸磁應(yīng)力檢測具有以下優(yōu)點：①可以實現(xiàn)管道全面檢驗，避免管道缺陷的漏檢問題；②利用地磁場對管道進行磁化，不需要額外磁化設(shè)備，不需要與被檢管道直接接觸；③操作簡單，檢測速度快、效率高，可實現(xiàn)大規(guī)模檢測；④不受管道形狀和尺寸限制，可實現(xiàn)管道100%檢測。

非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)在現(xiàn)場使用時具有以下限制條件：①管材必須為鐵磁性材料；②管道埋深≤20倍管徑；③對管道穿透型缺陷和直徑＜1 mm缺陷不敏感，管道穿孔時不可檢出；④并行、同溝敷設(shè)以及管道交叉對檢測準確性產(chǎn)生一定影響；⑤漏磁內(nèi)檢測會對管道磁狀態(tài)產(chǎn)生影響，應(yīng)在內(nèi)檢測2年后開展磁應(yīng)力檢測；⑥漏磁場較弱，易受其他信號干擾，管道沿線不能有高壓、電氣化鐵路等設(shè)施。

1.3 檢測技術(shù)流程

非接觸磁應(yīng)力檢測及評價流程如圖1所示，主要包括：

（1）資料收集與分析。需收集管道建設(shè)、運行資料和防腐資料等，確定適用于現(xiàn)場的檢測方法。

（2）管道勘察與環(huán)境條件分析。開展管道路徑和沿線環(huán)境調(diào)查與分析，確定磁應(yīng)力檢測適用性。

（3）磁強度檢測。使用磁應(yīng)力檢測儀收集管道沿線磁場強度數(shù)據(jù)，制作管道磁強度曲線。

（4）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與分析。根據(jù)磁強度分布曲線，確定數(shù)據(jù)坑開挖位置和數(shù)量，并對管道進行檢測，確定管道最大壁厚減薄量和背景磁場強度。

（5）檢測結(jié)果及初步報告編制。根據(jù)檢驗坑管道檢測數(shù)據(jù)和相關(guān)磁場強度，確定磁異常點等級并出具初步報告。

（6）開挖驗證及結(jié)果可信度分析。根據(jù)初步報告確定開挖驗證點并進行開挖驗證，評價檢測準確率是否滿足要求。

（7）最終報告。開挖驗證滿足準確性要求后，出具最終報告。

圖1 磁應(yīng)力檢測流程框圖Fig.1 Process diagram of magnetic stress detection

2 缺陷評價與分級

非接觸式管道磁應(yīng)力檢測方法通過直接量化評估應(yīng)力變化水平?jīng)Q定缺陷的相對危險程度，而不是通過缺陷的幾何參數(shù)（長、寬、高）進行計算。根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會發(fā)布的《運用非接觸式磁檢測方法進行管道技術(shù)狀況診斷指南》，管道壁厚損失大于40%時，認為管道風險較大，此時缺陷引起的應(yīng)力變化導致的磁異常等級定為Ⅰ級，磁異常綜合指數(shù)F在0～0.2 之間；管道壁厚損失小于20%時，認為管道風險較小，此時缺陷引起的應(yīng)力變化導致的磁異常等級定為Ⅲ級，磁異常綜合指數(shù)F在0.55～0.99 之間；管道壁厚損失在20%～40%之間時，磁異常等級定為Ⅱ級，F(xiàn)值在0.2～0.55 之間。根據(jù)磁異常綜合指數(shù)確定的缺陷分級標準見表1。其中Ⅰ級為嚴重腐蝕，管道需要優(yōu)先修復；Ⅱ級為中等腐蝕，管道可靠性降低，需要列入計劃修復；Ⅲ級為低腐蝕，相當于“良好的”管道技術(shù)狀況，這種管道可以在監(jiān)控缺陷發(fā)展的情況下繼續(xù)運行，無需修復。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

某原油外輸管道于2017 年進行了非接觸式磁應(yīng)力檢測與評價，管道地處荒漠戈壁環(huán)境，地勢起伏較小，因發(fā)生過腐蝕泄漏事件，將此管道作為備用管道使用。管道規(guī)格為Φ219 mm×6 mm，材質(zhì)為20#無縫鋼管，長度為12 km，運行壓力2.0 MPa，輸送介質(zhì)為含水原油。管道磁應(yīng)力檢測設(shè)備為管道應(yīng)力非接觸三維磁場梯度測試檢測系統(tǒng)，測試點的間距≤0.25 m，現(xiàn)場開挖驗證采用俄羅斯動力診斷公司開發(fā)的TSC-2M-8金屬磁記憶檢測儀、超聲導波檢測儀和超聲波測厚儀進行。

3.1 數(shù)據(jù)校驗及校正系數(shù)確定

磁應(yīng)力檢測完成后，根據(jù)初步檢測結(jié)果、磁異常分布特征和管道工況，結(jié)合現(xiàn)場開挖條件，分別選擇初步確定的Ⅱ級腐蝕缺陷管段4 處、Ⅲ級腐蝕缺陷管段6處，進行背景磁場參數(shù)的確定。

以08 號探坑（TK08）為例，探坑位置管道初步確定的缺陷等級為Ⅱ級，探坑內(nèi)管段為直管段。管道開挖后外觀檢查發(fā)現(xiàn)保溫層完好，去除保溫層后管道防腐層完好。使用MMM 金屬磁記憶檢測儀對管道12點、3點、4點、6點、9點五個時鐘方位分別進行檢測，檢測結(jié)果為TK08 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)坑在3點鐘方位距離起點0.12～0.76 m 管段存在磁異常（圖2）。

使用超聲測厚儀對TK08 內(nèi)管道進行壁厚測試，結(jié)果表明探坑內(nèi)管道平均壁厚為5.8 mm，平均壁厚減薄比例為3.3%；在管道磁異常區(qū)3點鐘方位域測得最小壁厚為4.55 mm，最小壁厚減薄比例為24.2%，與MMM 磁異常測試結(jié)果一致。根據(jù)磁應(yīng)力檢測磁異常等級劃分方法，TK08 內(nèi)管段最小壁厚減薄比例在20%～40%之間，磁異常等級為Ⅱ級，與開挖前確定的磁異常等級一致，屬于“中等”風險。

根據(jù)08 號探坑管段最小壁厚減薄比反算可得到該探坑的檢測校正系數(shù)A8，確定方法如下：

在一定范圍內(nèi)，管壁壁厚減薄比x與漏磁場呈現(xiàn)正相關(guān)性，在背景磁場確定的條件下，磁異常綜合指數(shù)F與漏磁場關(guān)系為非線性負相關(guān)〔式（1）中同一位置背景磁場強度和異常磁場強度相同，不同位置數(shù)值不同〕，即F與x呈現(xiàn)負相關(guān)性。同時規(guī)定20%金屬損失對應(yīng)磁異常綜合指數(shù)F為0.55，40%金屬損失對應(yīng)磁異常綜合指數(shù)F值為0.2，即當管道壁厚減薄比x在[0.2，0.4]區(qū)間時，F(xiàn)值落在[0.55，0.2]區(qū)間；當x＞0.4 時，F(xiàn)＜0.2；當x＜0.2時，F(xiàn)＞0.55。將管道缺陷壁厚減薄比x與磁異常綜合指數(shù)F的函數(shù)關(guān)系簡化為線性函數(shù)關(guān)系即式（2），則缺陷壁厚減薄比x在一定范圍內(nèi)滿足：x=0.2時，F(xiàn)=0.55；x=0.4時，F(xiàn)=0.2。

表1 腐蝕缺陷磁異常綜合指數(shù)F 分級標準Tab.1 Comprehensive index classification standard of F for magnetic anomaly of corrosion defect

圖2 TK08基礎(chǔ)數(shù)據(jù)坑管道3點鐘方向MMM檢測曲線Fig.2 Testing curve of metal magnetic memory detector for TK08 test pit at 3 o'clock

在一定范圍內(nèi)x和磁異常程度相關(guān)，因此式（1）和式（2）分別是在磁異常程度和管道減薄程度兩個方面描述管道壁厚減薄情況。在確定的某一位置（背景磁場強度和異常磁場強度確定），則能夠保證此位置管道壁厚減薄比x在[0.2，0.4]區(qū)間時，F(xiàn)值落在[0.55，0.2]區(qū)間；當x＞0.4 時，F(xiàn)＜0.2；當x＜0.2 時，F(xiàn)＞0.55。當通過檢測確定此處管道軸線方向及背景“靜區(qū)”中磁場強度分布的密度值并通過開挖確定此處管道壁厚減薄比x后，就能計算出式（1）中的矯正系數(shù)A。

通過開挖測量管道最大減薄比，并根據(jù)式（2）計算得到壁厚減薄最大位置的磁異常綜合指數(shù)F值為0.477。經(jīng)現(xiàn)場測試，在該異常區(qū)沿管道軸線方向及背景“靜區(qū)”中磁場強度分布的密度分別為2183 A/m 和666 A/m，代入式（1）即可確定08 號探坑磁應(yīng)力檢測校正系數(shù)A8為0.24。

同理，可以計算得到其余探坑的磁應(yīng)力檢測校正系數(shù)值，然后將各個探坑磁應(yīng)力檢測校正系數(shù)求和取平均值即可確定原油外輸管道磁應(yīng)力檢測校正系數(shù)A，其中08號探坑磁異常綜合指數(shù)F值見圖3。

3.2 磁應(yīng)力檢測結(jié)果及驗證

通過檢測和開挖檢查，發(fā)現(xiàn)該原油外輸管道存在較為嚴重的內(nèi)腐蝕，未檢測出明顯的焊縫缺陷變形缺陷。按照磁應(yīng)力檢測評價依據(jù)，該管道共發(fā)現(xiàn)6處Ⅰ級缺陷管段（腐蝕深度＞40%）、51處Ⅱ級腐蝕缺陷管段（20%≤腐蝕深度≤40%）、853 處Ⅲ級腐蝕缺陷管段（腐蝕深度＜20%）。為驗證檢測結(jié)果的準確性，對檢測發(fā)現(xiàn)的各類缺陷進行開挖驗證，共選取開挖驗證管段13 處（表2），其中Ⅰ級缺陷管段3 處、Ⅱ級和Ⅲ級缺陷管段各5 處，檢測內(nèi)容包括超聲導波檢測、金屬磁記憶檢測與超聲波測厚。

圖3 TK08基礎(chǔ)數(shù)據(jù)坑開挖檢測及磁異常綜合指數(shù)F 值Fig.3 Excavation detection of TK08 test pit and the F value of its magnetic anomaly composite index

通過數(shù)據(jù)采集與計算分析，得到了13 處驗證坑的腐蝕缺陷等級，其中驗證坑YZ08 不滿足磁應(yīng)力檢測要求（驗證發(fā)現(xiàn)管道存在腐蝕穿孔點），不作為驗證坑計算，驗證坑YZ09 不符合磁應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其余11 處符合磁應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，準確率為91.7%。根據(jù)驗證情況對管道磁應(yīng)力檢測結(jié)果進行調(diào)整后，最終確定原油外輸管道Ⅰ級缺陷管段5處、Ⅱ級腐蝕缺陷管段51處、Ⅲ級腐蝕缺陷管段853處，缺陷綜合指數(shù)及其在里程上分布如圖4所示。

表2 檢測結(jié)果驗證情況Tab.2 Verification condition of test results

圖4 缺陷里程分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of defect mileage distribution

4 檢測準確性評價

為評估磁應(yīng)力檢測效果和適用性，2018 年對該原油外輸管道進行了試壓，并將磁應(yīng)力檢測發(fā)現(xiàn)的5 處Ⅰ級缺陷管段進行了開挖。在試壓過程中，管道出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，在升壓時逐步發(fā)現(xiàn)漏點16處，經(jīng)與磁應(yīng)力檢測結(jié)果對比，其中12 處漏點磁應(yīng)力結(jié)果為Ⅲ級腐蝕缺陷管段，4處漏點為Ⅱ級腐蝕缺陷管段。磁應(yīng)力檢測發(fā)現(xiàn)的5處Ⅰ級缺陷管段經(jīng)開挖驗證，實際為Ⅰ級缺陷管段4處，Ⅱ級腐蝕缺陷管段1處。壓力試驗結(jié)果表明，對于瀕臨穿孔或減薄嚴重的缺陷，其磁異常程度較輕，磁應(yīng)力檢測并不能準確判斷此類腐蝕嚴重缺陷。

管道漏磁場大小與缺陷應(yīng)力集中程度相關(guān)，應(yīng)力集中程度與缺陷尺寸在一定范圍內(nèi)正相關(guān)，但當缺陷尺寸較深或形態(tài)特殊時，會發(fā)生“應(yīng)力釋放”，出現(xiàn)管道缺陷更嚴重而應(yīng)力減小的現(xiàn)象。同時也有研究[15]指出，材料的磁場梯度與局部應(yīng)力水平之間目前還不能建立雙向的定量關(guān)系，材料的空間散射磁場信號梯度至少與三個因素有關(guān)，包括缺陷、幾何不連續(xù)和應(yīng)力，因此單純認為材料表面漏磁場僅與應(yīng)力有關(guān)是不準確的。對該原油外輸管道試壓泄漏點附近管道壁厚進行檢測，結(jié)果表明：當管道最大壁厚損傷超過85%時，磁應(yīng)力異常水平較低，會被識別為Ⅲ級腐蝕缺陷；當管道最大壁厚損傷在75%～85%之間，管道缺陷會被識別為Ⅱ級或Ⅲ級缺陷；當管道缺陷在70%～75%之間，管道缺陷會被識別為Ⅱ級缺陷。當管道管壁最大損傷量不大時，磁應(yīng)力檢測對管道缺陷嚴重程度判斷較為準確，當管道最大損失超過70%時，其對缺陷嚴重程度判斷容易低估。

5 結(jié)束語

非接觸磁應(yīng)力檢測技術(shù)通過測量管道應(yīng)力異常點導致的附加磁變化來識別管道本體損傷和缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)管道管體缺陷非開挖全面檢測，對于無法進行內(nèi)檢測管道的缺陷全面檢測具有一定實際意義。但應(yīng)注意的是，當管道整體腐蝕較嚴重，存在超過70%壁厚損失的缺陷時，磁應(yīng)力檢測容易低估其嚴重程度，導致嚴重壁厚損失缺陷無法檢出或檢測結(jié)果不準確，應(yīng)論證后使用。