電磁超聲C掃描在管道內檢測缺陷復檢中的應用研究

馬思同，鄭 陽，孫 明，張吉堂，周進節(jié)，張宗健

(1.中北大學 機械工程學院，太原 030051；2.中國特種設備檢測研究院 無損檢測與評價國家市場監(jiān)管重點實驗室，北京 100029)

0 引言

油氣管道在使用過程中，由于輸送介質具有腐蝕性或介質對管道存在沖刷作用，隨著服役期的延長，管道會出現(xiàn)不同程度的腐蝕，從而導致管壁的變形或者減薄，最終會造成油氣管道的穿孔或者泄漏，產(chǎn)生嚴重的危害[1-3]。目前工程應用較多的管道檢測技術包括漏磁檢測、壓電超聲檢測、射線檢測、渦流檢測和電磁超聲檢測等[4-6]。漏磁檢測是工程中對管道進行內檢測的有效手段，可以實現(xiàn)對管道的大范圍快速檢測，但對缺陷的定量測量誤差較大，難以實現(xiàn)對缺陷的精確測量[5-8]；壓電超聲檢測對平面型缺陷較敏感，檢測精度高，但是檢測過程中傳感器與管壁需要通過液體保持良好的耦合，對耦合劑和管壁的表面狀態(tài)要求較高[9]；電磁超聲檢測是近幾年出現(xiàn)的一種新的檢測方法[10]，具有非接觸、無需耦合劑等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高溫、高速和在線檢測，因而具有廣泛的應用前景[11]。

超聲C掃描檢測技術具有缺陷檢出率高、檢測精度高、缺陷定位定量準確性高等優(yōu)點，特別適合于管道點蝕、局部腐蝕等內腐蝕缺陷檢測，相對常規(guī)超聲波壁厚檢測技術，是一種高精度的腐蝕檢測成像技術[1]。然而在一些特殊工況下，傳統(tǒng)的壓電超聲難以實現(xiàn)C掃描檢測，而電磁超聲因其非接觸、無需耦合劑等優(yōu)勢提高了檢測的可行性。本次檢測的環(huán)境位于新疆境內的戈壁地區(qū)，使用壓電超聲進行檢測，在野外工況下很難將管壁表面打磨光滑，同時該管線為在役管道、內有介質，打磨存在安全隱患，并且打磨也會造成管壁壁厚的減小，對檢測結果造成影響。本次檢測的管道直徑為168.3 mm，由于管徑小、曲率大的原因，壓電探頭與管壁表面為線接觸不穩(wěn)定，同時會出現(xiàn)耦合劑的流失，從而增大檢測的難度和檢測結果的不確定性。而采用電磁超聲檢測的方法，可擺脫壓電超聲檢測技術的機械接觸和液體耦合在檢測方面的限制[9]，可以在提離條件下進行檢測，且不需要對管壁進行打磨，只需將管壁外面的包覆層剝離即可。因此，本文采用電磁超聲C掃描的方法對漏磁檢測篩查出的管道缺陷區(qū)域進行復檢，進一步分析管道腐蝕情況，獲取管道缺陷的具體信息，實現(xiàn)管道腐蝕缺陷的定量檢測。

1 電磁超聲描C掃描

1.1 電磁超聲檢測技術原理

電磁超聲檢測技術(EMAT)與壓電超聲檢測技術一樣，都是利用超聲波來檢測缺陷，不同的是電磁超聲是利用電磁耦合的方法產(chǎn)生超聲波信號[11-12]，其基本原理如圖1所示。當在靠近被測管道表面的線圈中通入高頻電流，就會在管道表面感應出相同的渦流，如果同時在被測管道表面再施加一個恒定磁場，由于磁場與渦流的相互作用，在管道表面又會產(chǎn)生一個相同頻率的力，即洛倫茲力[13-14]；同時，在鐵磁性材料中，還會產(chǎn)生磁化力和磁致伸縮力，在三種力的共同作用下，使得材料表面集膚層內的質子產(chǎn)生高速振動，并在管壁內激發(fā)產(chǎn)生超聲波[15]。

圖1 管道電磁超聲檢測原理

從電磁超聲激發(fā)產(chǎn)生超聲波的原理可以得出，電磁超聲能夠直接在導體中激勵和接收超聲波，因而具有與被檢對象非接觸、無需耦合劑、對傳感器提離值要求低等特點，尤其適用于管道的缺陷檢測[16-17]。

1.2 C掃描檢測策略

為實現(xiàn)對管道腐蝕區(qū)域的復檢，并通過電磁超聲C掃描的方法對管壁的腐蝕情況進行成像，檢測前首先對檢測區(qū)域進行手動網(wǎng)格劃分。根據(jù)漏磁內檢測對管道腐蝕的檢測結果，確定檢測區(qū)域為沿管壁軸向200 mm和周向100 mm的區(qū)域，根據(jù)傳感器的尺寸，確定網(wǎng)格大小為20 mm×20 mm。檢測區(qū)域如圖2所示。

圖2 檢測區(qū)域

檢測時將傳感器依次放置在劃分好的網(wǎng)格點上，并沿回折形的掃查路徑對檢測區(qū)域內的每一網(wǎng)格點進行掃查，最終獲取檢測區(qū)域內每一網(wǎng)格點的管壁厚度值。檢測區(qū)域的網(wǎng)格劃分和掃查路徑如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分及掃查路徑

2 試驗研究

2.1 工程背景

新疆某在役埋地原油外輸管線于2012年5月投入使用，管線全長80.3 km，無縫鋼管公稱尺寸為?168.3 mm×7.5 mm，材質為20鋼，設計壓力為10 MPa，設計輸量為45×104t/a。外防腐層為單層熔結環(huán)氧粉末，保溫層采用50 mm硬質聚氨酯泡沫塑料，外保護層為5 mm聚乙烯材料的包覆層。為了解管線腐蝕狀況，消除管道隱患，對該段管線進行漏磁內檢測。

2.2 漏磁內檢測

漏磁檢測技術是利用永磁體將鐵磁性鋼管飽和磁化，當管壁沒有缺陷時，磁力線位于管壁之內；當管壁存在缺陷時，磁力線從缺陷處泄漏產(chǎn)生漏磁，利用磁敏探頭檢測漏磁信號，通過對漏磁信號的分析，進而獲得缺陷的具體信息[18]。通過漏磁內檢測，可以根據(jù)管道在不同位置的漏磁信號變化來判斷其是否存在缺陷，并通過對漏磁信號進行進一步的分析，從而得到管道內壁的缺陷信息[19]。目前的管道漏磁內檢測技術，是將管道漏磁內檢測的數(shù)據(jù)繪制成彩色線圖，通過人工進行判讀，觀察出缺陷及腐蝕程度，因而難以準確直觀地描繪出管道缺陷的形貌并實現(xiàn)對管道缺陷的量化分析[20]。

通過對管線全段進行漏磁內檢測，發(fā)現(xiàn)管線有6個位置存在信號異常，表現(xiàn)為管壁有不同程度的金屬損失，初步判斷為腐蝕缺陷，每個位置處經(jīng)過截取和局部放大后的漏磁信號如圖4所示。通過對漏磁內檢測信號進行分析，可以得到管壁在6個信號異常位置的金屬體積損失的深度、長度、寬度、環(huán)向位置等信息，如表1所示。

圖4 管道漏磁內檢測在不同位置處的漏磁信號

通過檢測距離和環(huán)向位置，可以實現(xiàn)對缺陷的粗略定位，后續(xù)使用電磁超聲C掃描進行管道復檢時，以該位置信息作為參考，在一定的檢測區(qū)域內對管道進行掃查。通過對缺陷的長度、寬度和深度信息進行分析，可以得出管道在位置6處的腐蝕最為嚴重，腐蝕面積(軸向長度×周向寬度)為22 mm×33 mm，最大減薄量為1.43 mm。在位置5處也存在大面積的腐蝕缺陷，腐蝕面積為20 mm×24 mm，最大減薄量為0.75 mm。在管道的其他位置處，管壁存在不同程度的輕微腐蝕，管壁的情況較為良好。

表1 漏磁內檢測結果

2.3 電磁超聲C掃描復檢

2.3.1 檢測系統(tǒng)

本次檢測系統(tǒng)由自主研制的電磁超聲測厚儀(型號為CSEI-UTM)、常溫型電磁超聲傳感器(?18.25 mm的環(huán)形線圈)和上位機組成。在上位機的軟件界面設置儀器參數(shù)，控制測厚儀激勵換能器產(chǎn)生信號，對管道壁厚進行檢測。在本次所使用的檢測系統(tǒng)條件下，電磁超聲傳感器檢測管道壁厚的不確定度(測量誤差限)為±0.01 mm。針對本次的檢測對象，電磁超聲傳感器的最小探測面積為直徑4 mm的圓形區(qū)域面積。

2.3.2 檢測過程

本次電磁超聲C掃描通過電磁超聲測厚儀在預先劃分好的網(wǎng)格區(qū)域對管壁進行測厚，獲取檢測區(qū)域內每一網(wǎng)格點的厚度數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)進行后處理的方法來實現(xiàn)對管道腐蝕區(qū)域的C掃描成像。具體的檢測過程如下。

(1)清管。為了使檢測結果更加準確，應盡可能地保證傳感器與檢測工件表面的清潔，因而在檢測前首先對管道外壁進行清潔處理，主要是對管壁進行擦拭去塵。

(2)網(wǎng)格區(qū)域劃分。根據(jù)漏磁內檢測的結果，確定可能存在腐蝕缺陷的區(qū)域，并以該區(qū)域作為檢測區(qū)域，然后對檢測區(qū)域進行網(wǎng)格化處理。

(3)聲速校準?？紤]到管線不同位置處管壁材料的差異性造成材料聲速的不同，因而在進行管道測厚前，對儀器進行聲速校準。實驗室條件下通過使用相同材料的標準試塊進行聲速校準，現(xiàn)場檢測中由于難以獲取與被檢管道材料相同的標準試塊，因而使用便攜式壓電測厚儀對管壁某一處無缺陷位置的厚度進行重復測量，在測得的厚度值波動不超過0.01 mm時，以該處的厚度為標準厚度，對電磁超聲測厚儀進行聲速校準。

(4)C掃描。將傳感器沿掃查路徑依次放置在檢測區(qū)域內的每一網(wǎng)格點上，對管道的壁厚進行檢測，從而獲取一組檢測區(qū)域內的管道厚度數(shù)據(jù)。檢測過程中，為了在每一檢測點獲得更加準確的管道壁厚值，可以通過調節(jié)儀器的參數(shù)來獲取良好的信噪比，然后再進行測厚。

2.3.3 信號處理

為獲取管道內壁腐蝕后的形貌特征和缺陷的具體信息，對管道不同位置處采集到的C掃描數(shù)據(jù)進行信號后處理，通過管壁腐蝕形貌的三維圖和管壁減薄量的灰度圖來表征管道的腐蝕情況。

在輸油管道中，由于介質的沖刷和腐蝕，會在管道內壁出現(xiàn)一些腐蝕坑，而這些腐蝕坑在介質的運輸中又會發(fā)生一些演化，最終形成連續(xù)的條狀或帶狀腐蝕坑?？紤]管道中的腐蝕多為這類連續(xù)性的腐蝕坑，同時為了彌補實際工況下檢測數(shù)據(jù)量較少的不足，通過后處理的方法對網(wǎng)格進行細化，并予以插值處理，對細化后的網(wǎng)格點對應的壁厚值進行近似評估，實現(xiàn)對檢測區(qū)域內管道腐蝕的成像和定量分析。使用二維插值函數(shù)中的三次樣條插值方法進行插值，插值公式如下：

si(x)=a0(x-xi-1)3+a1(x-xi-1)2

+a2(x-xi-1)+a3

(1)

原始數(shù)據(jù)為20 mm×20 mm的網(wǎng)格大小，經(jīng)過細化后，網(wǎng)格大小為2 mm×2 mm，并通過插值處理對細化后的網(wǎng)格點進行賦值。

通過信號后處理，得到管線在不同位置檢測區(qū)域內的管壁腐蝕和管壁減薄云圖，如圖5，6所示。

圖5 不同位置檢測區(qū)域內的管壁腐蝕云圖

2.3.4 結果與分析

結合管壁腐蝕和管壁減薄云圖，能夠快速發(fā)現(xiàn)管道的缺陷，確定管道腐蝕嚴重的區(qū)域以及管壁腐蝕的最大深度，這將對后續(xù)對管道的腐蝕剩余壽命評估提供一定的參考依據(jù)[21-22]。

在管壁腐蝕云圖(見圖5)中，可以觀察到管道內壁腐蝕的三維形貌特征，為了更加直觀地表現(xiàn)出管壁內表面的腐蝕情況，對管壁內表面進行了局部放大?？梢园l(fā)現(xiàn)，管道內壁的腐蝕主要為伴隨著點狀腐蝕坑的條狀或片狀腐蝕，在點狀的腐蝕坑處管道的腐蝕深度大，此處位置最容易發(fā)生管道的穿孔或泄漏，需進一步分析其腐蝕缺陷的具體信息。管道實際的最大壁厚值為8 mm,已超出管道的公稱壁厚(7.5 mm)，管壁減薄云圖(見圖6)中的負值亦可看出，原因可能是管道的制造誤差導致。

圖6 不同位置檢測區(qū)域內的管壁減薄云圖

在管壁減薄云圖(見圖6)中，可以觀察到管道在不同位置檢測區(qū)域內的管壁減薄量(即腐蝕的深度信息)，并通過顏色值來表征腐蝕的程度。為了對檢測區(qū)域內管道的腐蝕進行定量分析，得到管壁在不同腐蝕深度下的腐蝕面積，通過提取邊緣的方法，以0.1 mm的腐蝕量為間距，對不同腐蝕深度下的邊界點進行提取，如圖7所示。以邊界點包圍區(qū)域的面積作為管壁在不同腐蝕深度下對應的腐蝕面積，得到不同腐蝕深度下腐蝕面積所占檢測區(qū)域總面積的比值，如表2所示。

(c)位置3檢測區(qū)域

(d)位置4檢測區(qū)域

(e)位置5檢測區(qū)域

(f)位置6檢測區(qū)域

表2 不同位置檢測區(qū)域的腐蝕缺陷信息

在位置1的檢測區(qū)域內，管壁的最大腐蝕深度為0.31 mm，有2個區(qū)域的腐蝕深度在0.1 mm以上，面積為3 970 mm2，其中深度0.2 mm以上的腐蝕面積為840 mm2，共有3個腐蝕區(qū)域。在位置2的檢測區(qū)域內，管壁的最大腐蝕深度為0.31 mm，有3個區(qū)域的腐蝕深度在0.1 mm以上，面積為4270 mm2，其中深度0.2 mm以上的腐蝕面積為740 mm2，共有2個腐蝕區(qū)域。在位置3的檢測區(qū)域內，管壁的最大腐蝕深度為0.54 mm，深度0.2 mm以上的腐蝕面積為5 080 mm2，其中深度0.3 mm以上的腐蝕面積為1 970 mm2，共有5個腐蝕區(qū)域，深度0.4 mm以上的腐蝕區(qū)域有3個。在位置4的檢測區(qū)域內，管壁的最大腐蝕深度為0.67 mm，有5個區(qū)域的腐蝕深度在0.2 mm以上，面積為5 640 mm2，其中深度0.4 mm以上的腐蝕面積為1 800 mm2，共有2個腐蝕區(qū)域，有一個區(qū)域內的腐蝕深度達到0.6 mm以上。在位置5的檢測區(qū)域內，管壁的最大腐蝕深度為0.63 mm，深度0.2 mm以上的腐蝕面積為8 190 mm2，深度0.4 mm以上的腐蝕區(qū)域有3個，面積為2 650 mm2，其中有一處區(qū)域內存在深度0.6 mm以上的腐蝕點。在位置6的檢測區(qū)域內，管壁的最大腐蝕深度為0.71 mm，深度0.2 mm以上的腐蝕面積為13 680 mm2，檢測區(qū)域內管壁存在大面積的腐蝕，深度0.4 mm以上的腐蝕面積為8 330 mm2，其中深度0.6 mm以上的腐蝕區(qū)域有4個，面積為1 570 mm2，有一個區(qū)域內的腐蝕深度達到0.7 mm以上。

3 結語

在管道缺陷的檢測中，漏磁內檢測的方法可以實現(xiàn)對管道內部缺陷的初步定位，在此基礎上，通過電磁超聲C掃描的方法對開挖后的管道缺陷區(qū)域進行復檢，可以進一步得到管道內部缺陷的具體信息。通過對電磁超聲C掃描的信號進行后處理，得到了管道檢測區(qū)域內腐蝕缺陷的形貌、深度、面積等信息，為后續(xù)對管道的腐蝕剩余壽命評估提供了依據(jù)。

由于目前使用的檢測系統(tǒng)尚未配備專用掃查裝置，在檢測過程中需手動劃分網(wǎng)格和移動傳感器，檢測效率較低，難以實現(xiàn)對管道的大面積精細化檢測。在接下來的研究中，將對檢測系統(tǒng)進行改進，配以自動掃查裝置，從而對管道進行更加精細的自動化電磁超聲C掃描檢測。