基于磁梯度測量的金屬管道焊縫與缺陷檢測實驗研究

曲 杰，王懷江，陳秋華，李國立，黃 堯，劉仁杰，劉 雙，胡祥云

(1.中海石油技術檢測有限公司，天津 300459；2.中國地質(zhì)大學 地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

能源的開采和運輸對于國家的發(fā)展有重大的意義。隨著國家能源戰(zhàn)略的逐步實施，油氣管道等設備在運輸過程中的安全可靠性正日益引起人們的注意。一旦發(fā)生油氣管道泄漏，會給人民群眾的人身財產(chǎn)安全帶來巨大隱患，給當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響[1]。為維護油氣管線安全，預防油氣管道泄漏，保護環(huán)境和能源，必須定期對油氣管道進行安全檢測[2]。

目前用于管道無損檢測的方法有：渦流檢測、射線檢測、超聲檢測、漏磁檢測、探地雷達[3]、高密度電阻率法[4]、金屬磁記憶檢測等。金屬磁記憶檢測作為一門新興的無損檢測技術，不僅能夠檢測宏觀損傷，還能有效評價應力集中區(qū)與微觀損傷。因此被廣泛地應用于油氣管道的裂隙損傷檢測[5]。

金屬磁記憶檢測技術是一種利用金屬磁記憶效應來檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法。該方法最早在20世紀90年代由俄羅斯的杜波夫教授提出，它能夠克服傳統(tǒng)無損檢測的缺點，主要運用磁分量掃描裝置進行測量，能夠?qū)﹁F磁性金屬構件內(nèi)部的應力集中區(qū)，即微觀缺陷和早期失效和損傷等進行診斷，防止突發(fā)性的疲勞損傷。

金屬磁記憶的原理目前還比較模糊，只涉及磁信號極值與應力集中區(qū)域的關系，要深刻理解金屬磁記憶現(xiàn)象，就要建立磁信號、管道缺陷、應力集中間的具體物理模型，研究其作用機制。磁記憶信號與被檢測管道缺陷的類型和大小關系尚不明確，要能通過磁記憶信號定性和定量判斷缺陷存在位置、類型和大小。目前磁記憶法的特征識別只包括法向磁場強度是否過零點和磁梯度是否出現(xiàn)峰值，如何更充分地利用所測得的漏磁場信息對缺陷進行定量分析，尚需進行深入的研究[6,7]。

2 金屬磁記憶檢測原理

在管線探測中，磁法是以目標管線與周圍介質(zhì)的磁性差異為基礎，通過觀測管線受地磁場磁化后產(chǎn)生的磁異常的形態(tài)和變化來探查地下管線的一種方法。金屬磁記憶法是以磁法在管線探測中的應用為基礎，將其擴展到無損檢測領域的一種新型無損檢測方法[8]。

金屬磁記憶檢測技術主要是基于鐵磁材料在地磁場和應力作用下的力磁效應機理。在應力和變形集中區(qū)域內(nèi)會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，而且這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留,還與最大作用力有關[9]。金屬磁記憶檢測的原理示意圖如圖1所示。

鐵磁材料發(fā)生損壞的原因主要是由于應力集中。在應力集中區(qū)域，由于金屬管道受到地磁場的作用，在該處的金屬材料表面會產(chǎn)生漏磁場，導致該處磁場強度增大。因此通過檢測金屬材料表面的磁場強度分布特征，觀測磁場強度和磁場強度梯度的極值就可以發(fā)現(xiàn)應力集中區(qū)，預測管道缺陷位置[10]。

3 實驗場地及觀測設備

本次的實驗材料為中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司天津港碼頭金屬管道缺陷檢測實驗室的油氣管道。對3條尺寸分別為8寸、10寸、12寸的油氣管道(每條管道整體由八段管道焊接而成)進行焊接和人工制造缺陷。其中制造的缺陷的類型有針孔腐蝕、軸向溝槽、環(huán)向溝槽、軸向開槽、環(huán)向開槽、腐蝕坑、普通缺陷，并且在施工時將制造的缺陷呈等距分布。實驗管道連接方式如圖2所示。

圖2 實驗管道連接圖Fig.2 Experimental pipeline connection diagram

本次實驗所獲得的數(shù)據(jù)主要來自于11-12W 型掃描裝置，如圖3所示。

圖3 11-12W型掃描裝置Fig.3 Type 11-12W scanner

11-12 W型掃描裝置是集成有4個三分量的磁探測傳感器和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的專用高靈敏度掃描裝置,分辨率為0.1 A/m，用于埋深2～3 m油、氣管道的無接觸式磁測診斷。該掃描裝置可分別測量磁場法向分量與兩個切向分量，四個傳感器按水平布置，每個傳感器含三個測量通道。掃描裝置設計成伸縮桿式，長度可調(diào)節(jié)，傳感器間距、方向也均可調(diào)節(jié)，有扣緊裝置，且?guī)в嫈?shù)器接口。其中桿長度和傳感器之間距離的調(diào)整取決于被檢測管道的直徑。儀器放置方式及測量磁場強度分量方向[11]如圖4所示。

圖4 儀器放置方式及磁測分量圖Fig.4 Instrument placement and magnetic component diagram

4 磁異常數(shù)據(jù)處理

為了分析探頭遠近、氣壓大小、管道尺寸等諸多因素對管道缺陷處的金屬磁記憶檢測的影響，分別進行了多組對比實驗。其中，分別采用8寸、10寸、12寸的管道進行實驗，管道內(nèi)徑各不相同，用以研究管道尺寸對金屬磁記憶強度的影響。每個規(guī)格的管道都在探頭分別位于管道上方30 cm、71 cm、152 cm三個垂直高度時進行實驗，用以研究儀器與被檢查管道之間的距離對金屬磁記憶強度的影響；另外還對管道分別加壓0 MPa、5 MPa、10 MPa，研究管道在不同壓力狀態(tài)下對于金屬磁記憶檢測的影響，加壓方式為管內(nèi)加壓，油氣管道布設環(huán)境條件復雜，受壓不同反映了管道不同的壓力背景，有一定的實際意義。

本次11-12 W型掃描裝置能夠直接采集的數(shù)據(jù)分別有磁場強度分量Hx(軸向)、Hy(垂向)、Hz(徑向)，磁一階梯度分量dHx/dx、dHy/dx、dHz/dx，本次研究主要用磁一階梯度三分量來進行數(shù)據(jù)處理和缺陷位置的預測。

(1)

(2)

式中：Q代表歸一化磁異常梯度模量，無單位；T、Tmax、Tmin分別是測點的磁異常梯度模量、整段最大的磁異常梯度模量、整段最小的磁異常梯度模量,單位是(A/m)/mm。

磁異常綜合指數(shù)F[13]為：

(3)

其中，Qa指的是實測磁力梯度模量；Qn指的是平均梯度模量；系數(shù)A代表了管道應力缺陷對磁性特征的影響，系數(shù)A由開挖時的應力檢測所確定，此處將A值設為1；F無單位。

5 磁異常觀測結果

本次實驗主要研究焊縫和管道缺陷兩種缺陷類型，探究在不同外部條件下金屬磁記憶法預測兩種缺陷的效果，并分析適合進行缺陷檢測的條件。

實驗結果如下列圖像所示，其中紅色區(qū)域為預測管道缺陷位置，焊縫位置可直接由曲線極值判斷。為方便起見，用小寫字母按順序來分別表示8段管道間的焊縫，而每段管道中的管道缺陷則用數(shù)字符號來表示。

如圖5所示，在對11-12 W型掃描裝置的數(shù)據(jù)進行初步的分析后發(fā)現(xiàn)，只有dHx/dx、dHy/dx、dHz/dx三個分量對異常有較好的分辨能力。三個分量的梯度有明顯極值且分布規(guī)律，這是進行異常識別的基礎。磁場強度分量梯度的極值表示該處磁場強度分量發(fā)生劇烈變化，即產(chǎn)生了磁異常，因此可以利用金屬磁記憶檢測原理來預測缺陷位置[14]。

圖5 10寸管道加壓5 MPa探頭距管道71 cm原始數(shù)據(jù)Fig.5 Original data chart of 10 inch pipeline pressurized 5 MPa with probe 71 cm away from pipeline

計算管道數(shù)據(jù)的T、Q、F值并繪制曲線。如圖6所示，在T、Q兩幅圖中，均出現(xiàn)了多次極大值，而根據(jù)金屬磁記憶原理，應力集中部位會出現(xiàn)導磁率減小，金屬管道表面的漏磁場增大的現(xiàn)象。在應力集中處，磁場y方向梯度分量會達到極值[15]，相應地，磁異常梯度模量T到達極值，因此T模量與Q模量的極大值對應于8段管道之間的焊縫處；而對于F參數(shù)，F(xiàn)參數(shù)值越靠近于零值，則說明該處F值與F平均值偏差越大，可以判斷為應力集中區(qū)。

圖6 10寸管道無加壓探頭距離30cm的T、Q、F參數(shù)對比Fig.6 Comparison diagram of T, Q and F parameters of 10 inch pipeline without pressure but with probe 30 cm away from it

根據(jù)得到的圖像，可以明確地判斷管道之間的焊縫位置。經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的對比計算發(fā)現(xiàn)，T,Q,F三個參數(shù)反映管道焊縫位置均有一定效果，但F圖像噪音較大，不易進行去噪處理，噪聲較大是由于F采用了指數(shù)函數(shù)的形式，根據(jù)F參數(shù)公式(3)，只要實測磁力梯度模量不接近于平均梯度模量，曲線就會發(fā)生劇烈抖動，而管道本身設置了眾多缺陷，因此這種情況經(jīng)常發(fā)生，曲線形態(tài)較為雜亂。但同時，F(xiàn)曲線極值較為明顯，能明顯反映焊縫處帶來的磁記憶效應，仍然是可靠的磁異常識別量。Q是T歸一化之后的模量，比T模量更加方便對比。所以為了在同一標度下進行比較，使圖像更為簡潔直觀，下面的圖像主要采用歸一化磁異常梯度模量Q來進行分析。

如圖7所示，在10寸管道5 MPa壓力下，探頭距離不同時Q參數(shù)曲線圖發(fā)生了不同的變化。其中探頭距離從30 cm變?yōu)?1 cm時，曲線變化幅度較小，并且均能較好地識別管道焊縫處位置，極值明顯且分布較為規(guī)律。當探頭與管道距離進一步增大至152 cm時，Q參數(shù)曲線出現(xiàn)了多處極值，無法與焊縫位置一一對應，且雜亂無章。因此推測探頭距管道距離不同會對測量結果造成影響，探頭距管道越遠，異常識別越困難。原因可以解釋為探頭距管道較近時，磁探頭采集的數(shù)據(jù)基本可以反映管道的磁性特征。一旦距離變遠，受到外部影響就會增大，缺陷異常幅值與焊縫異常幅值差變小，不利于預測焊縫位置。

圖7 10寸管道5 MPa壓力探頭距管道不同距離的Q參數(shù)對比Fig.7 Q parameter comparison diagram of different distances between probe and pipeline in 10 inch pipeline with 5 MPa pressure

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，在氣壓不同時，三條曲線的極值位置均不同。隨著氣壓增大，管道缺陷的異常幅值越來越小，只能觀測到管道焊縫的異常。推測可能是由于對管道整體加壓后，由于管道焊縫的異常值較大而管道缺陷的異常值較小，后者在壓力較大的背景場下被壓制，導致管道缺陷難以識別。由此可見，外部壓力給利用Q參數(shù)極值預測焊縫位置帶來困難，在實際數(shù)據(jù)處理中要盡量減小壓力對于數(shù)據(jù)的影響[16]。

圖8 10寸管道探頭距管道30 cm的不同氣壓的Q參數(shù)對比Fig.8 Q parameter comparison diagram of different pressure in 10 inch pipeline with probe 30 cm away from it

圖9對8寸，10寸，12寸管道分別預測了各自的焊縫位置。其中8寸管道第一段距離過長，推測原因可能是采集數(shù)據(jù)時未能嚴格勻速對管道進行掃描；10寸管道預測第二段焊縫和第三段焊縫間存在一處較大極值，且其他焊縫位置有伴生極值出現(xiàn)，認為是對管道進行人工制造缺陷過程中部分缺陷設置不當，規(guī)模較大，影響了焊縫的識別；12寸管道識別效果較好，極值分布均勻且噪音較少，但部分極值較小，不易區(qū)分。

圖9 加壓5 MPa探頭距管道71 cm的Q參數(shù)對比Fig.9 Q parameter comparison diagram of pipelines of different sizes pressurized 5 MPa with probe 71 cm away from pipes

由上述結果可知，本次實驗采用的歸一化磁異常梯度模量能夠很好地識別管道焊縫。圖10為每段管道間提前布設好的管道缺陷識別情況。分別計算10寸管道中每一段數(shù)據(jù)的Q參數(shù)值并繪制曲線，去掉焊縫位置處的極值以便于判斷管道缺陷的位置。

圖10是10寸管道的Q參數(shù)圖像，無外部加壓，探頭與管道垂直距離為30 cm。作圖方式為先根據(jù)預測焊縫位置計算出每一段管道的T值并繪制曲線，去掉兩端焊縫處的極值并且對T進行歸一化,進而得到每一段管道中的Q參數(shù)值。這樣可以明顯觀測到管道缺陷的異常值點，壓制焊縫異常幅值，增大管道缺陷異常幅值。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這種方法可以識別出每一段管道中的大部分管道缺陷。

圖10 10寸管道無加壓探頭距管道30 cm的每一段Q參數(shù)放大圖像Fig.10 Q parameter magnified diagram of every paragraph in 10 inch pipeline without pressure and with probe 30 cm away from it

具體而言，1、3、4、5、7段管道異常極值較明顯且基本分布均勻，每段管道均能識別出6處異常。對樣本管道進行缺陷處理時，每一段管道中均設置了5處缺陷，多識別了1處缺陷。推斷原因是由于管道缺陷與焊縫處距離較近，焊縫形狀不規(guī)則，極值范圍較大，影響了管道缺陷的識別。第2段管道識別出5處異常，但最后一處異常與之前相距較遠；第6段和第8段管道識別出5處異常，第6段第一處異常距上一焊縫較遠，整體異常值偏??；第8段第一處異常距上一焊縫較遠，整體異常值較大。

除此之外，另外提出一種特征量，將梯度模量整體取對數(shù)lg運算再進行歸一化得到歸一化對數(shù)異常梯度模量參數(shù)(L)，L無單位，它的優(yōu)勢在于能夠在一張圖中同時展示出管道焊縫位置和管道缺陷位置，更為簡潔明了。

其中，Q表示測點處的歸一化磁異常梯度模量;Qmax和Qmin分別表示整段中Q模量的極大值與極小值;lg表示取以10為底的對數(shù)運算。

如圖11所示，英文字母表示焊縫位置，每段焊縫間有異常極值，即表示管道缺陷位置。

圖11 10寸管道無加壓探頭距管道30 cm的L參數(shù)異常識別Fig.11 L parameter anomaly recognition diagram of 10 inch pipeline without pressure and with probe 30 cm away from it

通過以上實驗，總結出金屬磁記憶檢測不僅能識別出管道焊縫位置，在一定條件下也能識別管道缺陷。表1～表3為本次研究總結出的預測缺陷位置表以及缺陷評價等級。其中，管道焊縫為Ⅰ級缺陷，管道缺陷為Ⅱ級缺陷[17]。

表1 8寸管道預測缺陷參數(shù)

另外，基于磁梯度的金屬磁記憶檢測對于焊縫的識別精度明顯高于人工制造缺陷，這是因為缺陷檢測基于磁參量極值，焊縫規(guī)模大于人工制造缺陷。實驗中識別了管道的全部焊縫位置，10寸管道中識別了45處缺陷位置。人為共設置40處缺陷，預測缺陷數(shù)大于實際缺陷數(shù)，這是因為部分人工缺陷靠近焊縫，導致磁參量曲線在其附近異常值較大，錯誤識別了多處缺陷?？傮w而言，磁梯度測量的金屬磁記憶檢測發(fā)現(xiàn)與識別裂隙缺陷的精度較高。

表2 10寸管道預測缺陷參數(shù)

續(xù)表2

表3 12寸管道預測缺陷參數(shù)

6 結 論

本文利用金屬磁記憶檢測技術，對油氣管道的焊縫和缺陷進行檢測。在實地實驗分析中驗證得出，相比于只利用磁場強度分量的傳統(tǒng)方法，利用磁一階梯度分量dHx/dx、dHy/dx、dHz/dx的歸一化磁異常梯度模量Q更能清晰地表征磁異常特點，找出異常區(qū)域。

然后通過對比實驗發(fā)現(xiàn)各種實際因素對異常識別的影響如下：

1)探頭距管道越近，越易發(fā)現(xiàn)異常的位置。但是距離較近時干擾也會更強，甚至將真正的缺陷位置覆蓋。

2)加壓實驗表明管道的壓強越大干擾越強，給管道的缺陷識別造成了困難。

3)管道的自身尺寸越大，越能突出表現(xiàn)缺陷的位置。

最后發(fā)現(xiàn)焊接點的歸一化總梯度模量值與管道缺陷異常值相比過大，會嚴重干擾管道缺陷的識別。于是對其做對數(shù)化處理，得到了可以同時表現(xiàn)管道焊縫異常和管道缺陷異常的歸一化對數(shù)異常梯度模量參數(shù)L。