非接觸金屬磁記憶檢測在長輸油氣管道上的應(yīng)用

曹 航 高倩鈺 王 真 張曉虎 古家興 劉媛媛

（中冶建筑研究總院有限公司-中冶檢測認(rèn)證有限公司，北京 100088）

0 引言

隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求日益增加，我國的油氣管線里程數(shù)也在逐年遞增。許多長輸埋地的油氣管道因為其結(jié)構(gòu)特征或受敷設(shè)條件復(fù)雜限制，對管道實施內(nèi)檢測不太現(xiàn)實，缺少一種可以經(jīng)濟(jì)有效的檢測手段來判斷管道的應(yīng)力集中位置和應(yīng)力集中程度[1]。按照GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的要求，采取現(xiàn)場使用檢測或試驗等技術(shù)方式來進(jìn)行管道安全性檢測，這是油氣輸送管道完整性評估的重要依據(jù)[2]。目前我國管道外檢測方法比較多，大多是針對管線的涂層、防腐層完整性、陰極保護(hù)有效性等因素進(jìn)行的檢測和評價[3]，無法對管道缺陷進(jìn)行定量檢測和評估，通常需要結(jié)合開挖檢測，不具備普遍意義。

“金屬磁記憶”的概念是俄羅斯學(xué)者杜波夫于1994年第一次提出的[4]，在此之前的技術(shù)文獻(xiàn)里都未曾出現(xiàn)過，該技術(shù)可以對金屬構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力集中檢測，對于長輸管道而言就是可用此技術(shù)對以現(xiàn)有檢測技術(shù)無法進(jìn)行內(nèi)檢測或無法實現(xiàn)缺陷檢測的管道進(jìn)行檢測，管體缺陷處往往伴隨應(yīng)力集中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致缺陷處磁場的改變[5]，因此可以用金屬磁記憶檢測技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力集中檢測，診斷油氣管道的安全性，對管道運維，企業(yè)穩(wěn)定經(jīng)營有著重要意義[6]。

非接觸金屬磁記憶檢測是一種無損外檢測方法，基本原理是利用金屬磁記憶效應(yīng)來檢測部件應(yīng)力集中部位，采集數(shù)據(jù)并開挖驗證即可完成，并可得出較為豐富的缺陷數(shù)據(jù)和評估結(jié)果，達(dá)到部分漏磁檢測效果。各種檢測技術(shù)對比如表1所示。

表1 各種管道檢測技術(shù)功能及需求對比

1 金屬磁記憶檢測技術(shù)介紹

1.1 檢測原理

金屬磁記憶檢測工作的基本原理是記錄和分析產(chǎn)生在制件和設(shè)備應(yīng)力集中區(qū)中的自有漏磁場的分布情況[7,8]。該檢測方法基于逆磁致伸縮效應(yīng)（也被稱為維拉里效應(yīng)），逆磁致伸縮效應(yīng)是指金屬材料在受到機械應(yīng)力時磁化（或磁化率）的產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。

自有漏磁場反映著磁化強度朝著工作載荷主應(yīng)力作用方向上的不可逆變化，以及零件和焊縫在其制造和于地球磁場中冷卻后，其金屬組織和制造工藝的遺傳性。金屬磁記憶方法在檢測中，使用的是天然磁化強度和制件及設(shè)備金屬中對實際變形和金屬組織變化的以金屬磁記憶形式表現(xiàn)出來的結(jié)果[9]。

運用應(yīng)力集中磁檢測儀對管道周圍磁場異常進(jìn)

⑤檢測對象不應(yīng)是人工磁化的金屬，且靠近檢測對象（1米以內(nèi)）不應(yīng)有外部磁場源和電焊場源。

（2）檢測標(biāo)準(zhǔn)：

①GB/T 26641-2011《無損檢測 磁記憶檢測 總則》；

②ISO 24497-1:2020（E）《無損檢測-金屬磁記憶》[14]；

③GB/T 35090-2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》[15]；

④俄羅斯動力診斷公司《采用金屬磁記憶方法非接觸式檢測石油天然氣主干管道及其分支的規(guī)程》；

⑤Д102，俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會《運用非接觸式磁檢測方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南》[16,17]。

2 檢測技術(shù)應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場概況

本次檢測的埋地管道為某輸油管道，總長為83.7km，設(shè)計壓力6.3～6.4MPa，管道規(guī)格D159×5mm和D219×6.4mm兩種，均為20號無縫鋼管，管道平均埋深為1.89m。為了更準(zhǔn)確地掌握管道的現(xiàn)狀，采用了非接觸式金屬磁記憶檢測技術(shù)對該管線的埋地管道進(jìn)行了有效的檢測，評估管道金屬本體受力情況及是否存在缺陷和應(yīng)力集中區(qū)域。

輸油埋地管道在實際工程應(yīng)用中不可避免地會受到應(yīng)力集中的威脅。由于管道中腐蝕和微觀缺陷會導(dǎo)致應(yīng)力集中的產(chǎn)生，因此實施磁記憶非接觸式檢測不僅可以檢出腐蝕等缺陷，還可以對管道危險區(qū)進(jìn)行早期預(yù)警[18]。定期監(jiān)測埋地長輸油氣管道磁場的變化，可識別出高風(fēng)險的管段區(qū)域；該技術(shù)可對長輸油氣管道防腐層外檢測和管道內(nèi)檢測手段做進(jìn)一步的補充，特別是對不能進(jìn)行常規(guī)內(nèi)檢測的埋地管道和一些特殊管段是一種很有價值的檢測手段[19]。

2.2 檢測過程及損傷等級評估

圖3為非接觸式金屬磁記憶檢測及分析流程圖，金屬磁記憶技術(shù)在現(xiàn)場的檢測主要分為4個部分：

圖3 非接觸式金屬磁記憶檢測及分析流程圖

（1）首先使用PCM等管道定位儀器對待檢管道路由進(jìn)行定位以及埋深的測量；

（2）檢測人員使用TSC-7M-16應(yīng)力集中磁檢測儀沿著管道路由進(jìn)行現(xiàn)場磁場數(shù)據(jù)采集，出現(xiàn)磁場異常時標(biāo)記位置[10]；

（3）對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析之后，明確開挖校正的數(shù)量及開挖的校驗點的位置；

（4）進(jìn)行開挖驗證，根據(jù)開挖結(jié)果對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的定量分析，出具檢測報告[14]。

對于含有損傷的管段，根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F確定損傷管段的應(yīng)力風(fēng)險等級，F(xiàn)值按下式計算[15]：

式中：A為修正系數(shù)；

G為損傷程度的度量值。

參考GB/T 35090-2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，管道應(yīng)力損傷等級分為3個等級，如表3所示：Ⅰ級為高風(fēng)險，Ⅱ級為中等風(fēng)險，Ⅲ級為低風(fēng)險，磁異常綜合指數(shù)F值范圍與相應(yīng)的管道應(yīng)力損傷等級見表3管道應(yīng)力損傷等級劃分表3[1]、[15]。

表3 管道應(yīng)力損傷等級劃分

2.3 檢測結(jié)果

現(xiàn)場使用PCM和ACVG共檢測出防腐層破損點44處。使用TSC-7M-16應(yīng)力集中磁檢測儀對83.7km輸油管道進(jìn)行檢測，共識別出150處應(yīng)力集中區(qū)域。其中有5個Ⅰ級應(yīng)力異常點，15個Ⅱ級應(yīng)力異常點，130個Ⅲ級應(yīng)力異常點，管道整體狀況比較好，對Ⅰ級應(yīng)力異常點進(jìn)行開挖驗證。

管道途徑區(qū)域大部分為農(nóng)田位置，另有部分管道穿越樹林、果林、雜草叢等儀器無法測量路段，另外管道通過增加套管的方式穿越公路、溝渠、河道等。所測得的應(yīng)力集中區(qū)域已根據(jù)實際情況排查確認(rèn)外部的影響因素，如地下交叉管道、三通、套管、地下金屬裝置等。

2.4 開挖驗證

（1）1#異常點開挖

在1#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)該位置為盜油閥。管道原始壁厚5.5mm，采用超聲波測厚最小壁厚值5.44mm。圖4和圖5分別為1#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線和開挖現(xiàn)場圖；

圖4 1#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線

圖5 1#開挖點現(xiàn)場圖

（2）2#異常點開挖

在2#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)有4處機械劃痕，最深處3mm。管道原始壁厚5.5mm，超聲波測厚最小壁厚值5.15mm。該點有4處機械劃痕，劃痕最深處為3mm，劃痕總長度280mm，寬度200mm。圖6和圖7分別為2#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線和開挖現(xiàn)場圖；

圖6 2#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線

圖7 2#開挖點現(xiàn)場圖

（3）3#異常點開挖

在3#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)管體變形。管道原始壁厚5.5mm，超聲波測厚最小壁厚值5.03mm。該點管體變形，表面有腐蝕坑，有黑褐色腐蝕產(chǎn)物。管體變形長度12cm，寬度8cm，深度1.3cm，凹陷深度占管道直徑的8.18%。圖8和圖9分別為3#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線和開挖現(xiàn)場圖；

圖8 3#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線

圖9 3#開挖點現(xiàn)場圖

（4）4#異常點開挖

在4#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)管道出露位置，打開防腐層后發(fā)現(xiàn)管體有1個長550mm，寬130mm，最大深度為10mm，的管體變形。管體有黑褐色腐蝕產(chǎn)物。管道原始壁厚6.4mm，超聲波測厚最小值為6.37mm。圖10和圖11分別為4#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線和開挖現(xiàn)場圖。

圖10 4#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線

圖11 4#開挖點現(xiàn)場圖

（5）5#異常點開挖

在5#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)有兩處劃痕長大小分別為19×1cm、6×1cm，深度均為1mm。管體外腐蝕有三處，大小分別為25×8cm、20×2cm、24.5×22cm。管道原始壁厚6.4mm，設(shè)計壓力6.4Mpa，超聲波測厚最小值為6.18mm。圖12和圖13分別為5#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線和開挖現(xiàn)場圖。

圖12 5#開挖點非接觸式磁記憶檢測曲線

圖13 5#開挖點現(xiàn)場圖（防腐層破損、管體劃痕）

3 結(jié)語

非接觸金屬磁記憶技術(shù)是一種檢測長輸油氣管道完整性的有效手段，通過理論研究及實際應(yīng)用效果分析，該技術(shù)有如下優(yōu)點：

（1）對受檢對象不要求做任何表面處理，無需人工磁化；

（2）該技術(shù)不僅能檢測停工修理的設(shè)備，也能檢測正在運行的設(shè)備；

（3）能高精度確定金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)，和常規(guī)檢測方法配合能提高檢測精度和效率；

（4）該技術(shù)使用便攜式儀表，重量輕，配有可拆卸電池，續(xù)航時間長；

（5）對金屬制件，該技術(shù)能保證百分之百的質(zhì)量檢測，同時也能進(jìn)行壽命評估。

綜上所述，非接觸金屬磁記憶檢測技術(shù)能夠直接檢測金屬構(gòu)件上的應(yīng)力集中情況，是一種有效的金屬構(gòu)件直接無損檢測技術(shù)，可結(jié)合其他無損檢測技術(shù)，共同實現(xiàn)對長輸油氣管道應(yīng)力集中程度的檢測，同時也是一種對管道完整性檢測的補充，對油氣管道的安全運營有著重要意義。