正交激勵(lì)磁場(chǎng)在鐵磁性油氣管道內(nèi)檢測(cè)中的實(shí)現(xiàn)

付大為， 郭 鶱， 胡鐵華

（機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司， 北京 100044）

0 引言

鐵磁性油氣管道是石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)輸特種重大基礎(chǔ)設(shè)施。 由于運(yùn)輸距離長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣，油氣管道常為埋地鋪設(shè)， 常年累月受內(nèi)外介質(zhì)侵蝕， 造成油氣管道早期失效，而引發(fā)能源安全供給及社會(huì)公共安全重大隱患。應(yīng)用油氣管道內(nèi)檢測(cè)手段，對(duì)油氣管道進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣管道早期缺陷發(fā)現(xiàn)、早期預(yù)防，避免惡性事故發(fā)生。 近年來(lái)，由于高速發(fā)展需求，我國(guó)管道建設(shè)速度之快、埋下隱患之多堪稱世界之最。 給后期管道安全運(yùn)行及維護(hù)帶來(lái)了巨大壓力。為此，國(guó)家科技部全方位對(duì)管道安全運(yùn)維立項(xiàng)，重點(diǎn)解決威脅油氣管道安全運(yùn)行的兩大殺手-金屬損失及裂紋，早期檢測(cè)、早期預(yù)防。本文基于正交激勵(lì)磁場(chǎng)，完成油氣管道壁五維度（長(zhǎng)、寬、深、內(nèi)、外）金屬損失及裂紋檢測(cè)及量化， 為油氣管道科學(xué)評(píng)價(jià)及完整性管理提供了重要科學(xué)依據(jù)。

1 正交激勵(lì)磁場(chǎng)激勵(lì)感測(cè)原理

在鐵磁性油氣管道內(nèi)壁施加軸向恒磁場(chǎng)， 在軸向恒磁場(chǎng)垂直方向施加高頻動(dòng)磁場(chǎng)，如圖1 所示。

圖1 鐵磁性油氣管道正交磁場(chǎng)磁化示意圖

圖1 中的鐵磁性油氣管道內(nèi)壁， 其同時(shí)施加了兩種互相垂直的激勵(lì)磁場(chǎng)，一為恒磁場(chǎng)Q（|B|，|H|），另一為動(dòng)磁場(chǎng)q（|b|，|h|）。 管道壁在正交激勵(lì)磁場(chǎng)共同作用下的磁化場(chǎng)為Q＇（|B+b|，|H+h|），其磁化工作線可用圖2 表示。

討論：（1）軸向恒磁場(chǎng)提供了預(yù)磁化場(chǎng)，其靜態(tài)工作點(diǎn)為Q（B，H），此時(shí)鐵磁性管道壁靜態(tài)磁導(dǎo)率為μBH，其值為100～200 之間。

（2）垂直高頻動(dòng)磁場(chǎng)q（|b|，|h|）與軸向恒磁場(chǎng)共同作用下，管壁處于動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)Q＇（|B+b|，|H+h|），此時(shí)管壁將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率張量∨μbh， 此張量的比靜態(tài)磁導(dǎo)率μBH小很多。

圖2 鐵磁性管道壁動(dòng)磁B-H 曲線

（3）磁化工作點(diǎn)由Q（B，H）變化到Q＇（|B+b|，|H+h|），即施加的較小的磁感應(yīng)強(qiáng)度，引起較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，起到了攝動(dòng)效應(yīng)。

（4）研究表明，影響管壁感應(yīng)磁場(chǎng)的主要因素有五個(gè)：材料的靜態(tài)磁導(dǎo)率μBH、材料的動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率張量∨μbh、正交軸向恒磁場(chǎng)B 和正交動(dòng)磁場(chǎng)b 之間的夾角余弦及動(dòng)態(tài)激勵(lì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率。

由上述討論可知，當(dāng)管道壁無(wú)缺陷時(shí)，正交磁場(chǎng)的夾角保持正交，及其夾角為90°，余弦為0，管壁磁化感應(yīng)保持不變；當(dāng)管壁存在缺陷，管壁磁化場(chǎng)發(fā)生了形變，此時(shí)恒磁場(chǎng)與動(dòng)磁場(chǎng)磁化感應(yīng)場(chǎng)夾角發(fā)生了改變， 即不再保持90°，根據(jù)管壁內(nèi)外缺陷不同，其夾角可在0°～180°范圍變化，余弦可正可負(fù)，由此可確認(rèn)缺陷在管道內(nèi)壁或者管道外壁；當(dāng)管壁存在裂紋類型缺陷，正交感應(yīng)場(chǎng)夾角趨于0°或者180°，感應(yīng)場(chǎng)達(dá)到峰值，故此，此正交激勵(lì)磁場(chǎng)可以檢測(cè)裂紋； 感應(yīng)場(chǎng)與動(dòng)態(tài)激勵(lì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率相關(guān)，可以造沖擊激勵(lì)場(chǎng)（理論上導(dǎo)數(shù)無(wú)窮大，頻域帶寬趨于無(wú)窮）。 由此可得出結(jié)論，正交激勵(lì)磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)鐵磁性油氣管道金屬損失及裂紋同時(shí)檢測(cè)。

2 正交激勵(lì)磁場(chǎng)融合檢測(cè)技術(shù)

圖3 漏磁與動(dòng)磁融合檢測(cè)示意圖

由上一章正交激勵(lì)磁場(chǎng)激勵(lì)感測(cè)原理可知， 正交激勵(lì)磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道金屬損失缺陷及裂紋缺陷同時(shí)檢測(cè)。 漏磁與動(dòng)磁融合檢測(cè)的對(duì)象是基于鋼管靜態(tài)直流磁化與動(dòng)態(tài)脈沖激勵(lì)聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出的空間漏磁場(chǎng)與動(dòng)磁場(chǎng)。 通過(guò)電磁控陣技術(shù)，空間漏磁場(chǎng)被三軸霍爾傳感器所檢測(cè)，空間動(dòng)磁場(chǎng)被動(dòng)磁線圈傳感器所檢測(cè)。 漏磁與動(dòng)磁融合檢測(cè)示意圖如圖3 所示。為了實(shí)現(xiàn)物理上全覆蓋管道內(nèi)壁，采用周向物理陣列如圖4 所示。其電磁控陣原理圖如圖5 所示。其中的勵(lì)磁陣列為探頭提供動(dòng)態(tài)飽和磁化工作點(diǎn)，一般需要根據(jù)金屬材料電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、檢測(cè)速度要求，選擇預(yù)磁化方式與預(yù)磁化勵(lì)磁波形，這里使用直流磁場(chǎng)。 組內(nèi)的探頭錯(cuò)時(shí)異步啟動(dòng)探測(cè)；不同集線器下的探頭陣列同步啟動(dòng)探測(cè)。

圖4 探頭陣列實(shí)體

圖5 電磁控陣工作原理圖

3 正交激勵(lì)磁場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)原型機(jī)平板測(cè)試

通過(guò)陣列控陣技術(shù)及動(dòng)磁漏磁融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)， 完成了正交勵(lì)磁管道內(nèi)檢測(cè)原型機(jī)。在X70 材質(zhì)的11 塊樣板上，制備了裂紋缺陷、條狀缺陷、坑狀缺陷等三種不同類型、不同尺寸的人工缺陷。利用游標(biāo)卡尺、卷尺、塞尺等測(cè)量工具測(cè)量每個(gè)樣板缺陷的實(shí)際尺寸，并記錄，形成缺陷列表，如表1 至表3 所示。

圖6 正交勵(lì)磁鐵磁性金屬平板缺陷實(shí)驗(yàn)

表1 平板裂紋缺陷表

（續(xù)表1）

表2 平板溝槽缺陷表

表3 平板坑狀缺陷表

（續(xù)表3）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為檢出率100%。正交勵(lì)磁檢測(cè)平板缺陷的典型波形圖如圖7 所示。

圖7 正交勵(lì)磁檢測(cè)平板缺陷圖

4 結(jié)論

綜上所述，本文給出了以下結(jié)論：①提出了正交勵(lì)磁檢測(cè)新原理和新方法； ②發(fā)明金屬損失及裂紋同時(shí)檢測(cè)新技術(shù)；③制作了正交勵(lì)磁原理型樣機(jī)；④制作了動(dòng)態(tài)平板缺陷試驗(yàn)臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)平板缺陷自動(dòng)檢測(cè)； ⑤通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，正交勵(lì)磁檢測(cè)原理可行；⑥正交勵(lì)磁方法對(duì)鐵磁性金屬管道的軸向、軸向、傾斜等裂紋型缺陷、溝槽型缺陷及坑狀缺陷均能100%檢出。