磁應(yīng)力檢測技術(shù)在長輸油氣管道環(huán)焊縫排查工程中的應(yīng)用

丁疆強(qiáng)，姜永濤，毛 建，白 楊，高志貴，金兆波

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司，上海 200122

2.天津市嘉信技術(shù)工程公司，天津 300384

3.大慶市匯通建筑安裝工程有限公司，黑龍江大慶 163311

因焊口開裂引起的油氣管道泄漏事故，嚴(yán)重影響管道的正常運(yùn)行并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境破壞，威脅生命財(cái)產(chǎn)的安全。通過采用有效的技術(shù)手段排查出缺陷焊縫，及早采取維修措施是應(yīng)對這類安全隱患的合理途徑。目前，針對管道缺陷焊縫的檢測手段不能完全滿足工程的需要，內(nèi)檢測手段雖然能夠準(zhǔn)確檢測出焊縫及其對應(yīng)的管道里程位置，但很難在地面上精確定位開挖出有缺陷的焊縫，因此油氣管道企業(yè)迫切需要一種能夠在非開挖條件下探測出缺陷焊縫并精確定位的技術(shù)手段。

磁應(yīng)力檢測也稱金屬磁記憶技術(shù)，是一種基于逆磁致伸縮效應(yīng)的無損檢測方法。20世紀(jì)末由俄羅斯學(xué)者杜波夫首先提出，已發(fā)展成為無損檢測領(lǐng)域的一門新興學(xué)科。該技術(shù)通過檢測和分析產(chǎn)生在工件應(yīng)力集中區(qū)的漏磁場分布，來發(fā)現(xiàn)早期應(yīng)力集中和宏觀缺陷，在石油化工、電力、鐵路、航空等方面得到了廣范應(yīng)用[1]。隨著磁記憶檢測設(shè)備在油氣輸送領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了非開挖條件下埋地鋼質(zhì)管道缺陷焊縫的定位檢測，并能夠?qū)缚p的缺陷實(shí)現(xiàn)分級評價。

非接觸式磁應(yīng)力技術(shù)在長輸油氣管道異常環(huán)焊縫定位及焊縫分級評價中的應(yīng)用實(shí)踐，驗(yàn)證了該技術(shù)在環(huán)焊縫缺陷排查、地面精確定位以及缺陷分級評價方面的可行性。磁應(yīng)力檢測技術(shù)和設(shè)備在缺陷焊縫排查工程中的應(yīng)用將為應(yīng)對焊縫開裂風(fēng)險提供技術(shù)支持。

1 缺陷焊縫位置探測的原理

鐵磁材料在外力作用下，部分應(yīng)力集中區(qū)域因?yàn)榇艑?dǎo)率發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致材料漏磁場發(fā)生畸變[2]。通過檢測材料的漏磁場變化可以表征缺陷情況[3]。

埋地鋼質(zhì)管道在制造、安裝以及運(yùn)行過程中內(nèi)部積累的磁彈性能量將導(dǎo)致應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大，使得缺陷在地磁場中的磁化程度發(fā)生明顯差異，通過靈敏的傳感器陣列便可檢測到這個差異。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證管道焊縫缺陷所造成的應(yīng)力變化及磁場畸變特征比常規(guī)管體缺陷更加明顯，故通過測量焊縫周邊區(qū)域內(nèi)磁場畸變特征可甄別出缺陷所在位置，實(shí)現(xiàn)缺陷焊縫位置的精確探測[4]。由于焊接不合格導(dǎo)致焊縫中含有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、凹坑、咬邊、焊瘤等情況導(dǎo)致的應(yīng)力，表現(xiàn)出在應(yīng)力峰值點(diǎn)的上方，磁場切線方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量（Bx）為最大，而在管道徑向上磁感應(yīng)強(qiáng)度分量（By）為零的特點(diǎn)，缺陷位置磁場特征如圖1所示。

圖1 缺陷焊縫的磁場特征

2 焊縫缺陷的分級評價原理

應(yīng)用磁機(jī)械效應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)從缺陷焊縫的漏磁場分布到應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力分布的計(jì)算[5]。在模型中，在應(yīng)力作用下磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生的不連續(xù)變化、磁化的不可逆成分的情況可以表示為：

式中：Mirr為不可逆磁化強(qiáng)度，A/m；W為單位體積的彈性能量，J；Man為無磁滯磁化強(qiáng)度，A/m；ξ為單位體積內(nèi)各維能量的系數(shù)，Pa，它與不可逆的磁化對彈性能的導(dǎo)數(shù)相關(guān)，而彈性能則是引起從無磁滯磁化到不可逆磁化的偏移。

整體磁化對彈性能的導(dǎo)數(shù)可以通過式（2）來求得：

式中：M為磁化強(qiáng)度，A/m；c為可逆系數(shù)；σ為初始應(yīng)力，Pa；ε=（Eξ）1/2為多維應(yīng)力的系數(shù)，Pa。

式（2）用于從檢測磁場分布求解缺陷處的應(yīng)力分布。儀器測得磁感應(yīng)B的變化，可以應(yīng)用公式B=μ0（H+M）以及Ban=μ0（H+Man）來確定公式中的磁化強(qiáng)度。其中μ0為真空磁導(dǎo)率，通常取4π×10-7H/m；H為背景磁場的磁場強(qiáng)度，A/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；Ban為無磁滯磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

對焊縫缺陷等級進(jìn)行定量分析的關(guān)鍵在于對管道焊縫上檢測信號進(jìn)行特征量的提取。通過研究分析局部空間軸上的信號曲線中波峰-波谷之間的距離△L以及波峰-波谷之間的差值△H表明：△L與缺陷的長度基本成正比關(guān)系，缺陷在管道軸向中的長度越大，△L也就越大，而△H與缺陷的長度基本無關(guān)，但缺陷的深度對△H的影響較大，隨著缺陷深度的增加△H逐漸減小，焊縫缺陷與檢測信號對應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖2 焊縫缺陷的信號特征示意

3 焊縫定位及缺陷程度評價結(jié)果分析

選取某在役管道近8 km管段作為現(xiàn)場驗(yàn)證對象，該管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，管徑1 016 mm，區(qū)段內(nèi)包含已掌握具體情況的目標(biāo)焊口100道。依照管道規(guī)格、沿線地貌、敷設(shè)方式、干擾環(huán)境、埋深等多種影響因素，將管道分為13個獨(dú)立區(qū)段進(jìn)行測試。本次焊縫定位的驗(yàn)證過程統(tǒng)一采用國家2000大地坐標(biāo)系，以開挖出的焊口位置坐標(biāo)作為真值。在定位準(zhǔn)確性評價過程中考慮了兩方面的因素：一是在開挖驗(yàn)證過程中，能夠通過管線儀對管道中線進(jìn)行精確定位，只需測量焊縫定位點(diǎn)與真實(shí)焊口位置沿管道軸向的偏差；二是當(dāng)管道呈東西走向時與大地坐標(biāo)X軸方向一致，直接使用X軸上的偏差作為準(zhǔn)確性評判依據(jù)即可，南北走向亦然。

應(yīng)用磁應(yīng)力方法進(jìn)行環(huán)焊縫定位及缺陷程度評價時，根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)及檢測環(huán)境，確定試驗(yàn)管道的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：鋼質(zhì)管道，管徑不低于86 mm；埋深不超過15倍管徑；帶壓運(yùn)行2年以上；一年內(nèi)未做過漏磁內(nèi)檢測。

采用金屬磁記憶檢測設(shè)備與管道焊縫缺陷定位儀對100道目標(biāo)焊縫進(jìn)行磁應(yīng)力檢測，然后對此100道環(huán)焊縫處進(jìn)行開挖，以驗(yàn)證技術(shù)準(zhǔn)確性。其結(jié)果是：焊縫測定點(diǎn)與真實(shí)位置最小偏差為0.002m，最大為2.168 m，偏差±0.5 m以內(nèi)的占比為56%，偏差1 m以內(nèi)占比為84%。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 環(huán)焊縫定位偏差統(tǒng)計(jì)

對水平偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫的定位偏差呈現(xiàn)以平均偏差0.16 m為中心，標(biāo)準(zhǔn)差為0.74 m的正態(tài)分布，統(tǒng)計(jì)分析如圖3所示。環(huán)焊縫位置偏差在-1.38～1.061 m之間的置信度為90%。

圖3 100處焊縫位置偏差分布

為了進(jìn)一步驗(yàn)證磁應(yīng)力方法進(jìn)行環(huán)焊縫缺陷程度評價的準(zhǔn)確性，由磁應(yīng)力檢測儀對由管道焊縫缺陷、金屬缺陷或管道彎曲應(yīng)力引起的磁場異常進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用評價模型對焊縫缺陷進(jìn)行分級評價。通過圖形發(fā)現(xiàn)，在區(qū)段一中相對里程為 9.6、 22.11、 35.01、 48.18、 58.18、 67.57、77.73、85.07 m的8處位置存在明顯的磁異常，如圖4所示。

圖4 8道焊縫的磁曲線

根據(jù)鐵磁學(xué)原理，將檢測獲取的應(yīng)力水平響應(yīng)值進(jìn)行歸一處理，結(jié)合管道埋深、運(yùn)行壓力、管道材質(zhì)、壁厚以及檢測信號特征數(shù)值△L和△H等，獲取環(huán)焊縫缺陷指數(shù)a并構(gòu)建函數(shù)。在缺陷等級劃分上，采取未焊透最大深度作為參考依據(jù)，分為四級，以方便與無損檢測進(jìn)行比對。具體的分級指標(biāo)見表2。

表2 異常焊縫分級評價指數(shù)

對開挖的100道焊縫磁應(yīng)力分級評價結(jié)果與無損檢測結(jié)果進(jìn)行比對。磁應(yīng)力分級評價結(jié)果為：Ⅰ級75道，Ⅱ級7道，Ⅲ級0道，磁應(yīng)力檢測評價結(jié)果為Ⅳ級18道。開挖管道進(jìn)行無損檢測，對磁應(yīng)力檢測評價結(jié)果為Ⅳ級的焊縫進(jìn)行射線評價的結(jié)果為：Ⅳ級的有6道，Ⅲ級的有7道，Ⅱ級的有5道，不合格焊縫為13道，非接觸式檢測評價結(jié)果準(zhǔn)確率為72%。造成分級準(zhǔn)確率不理想的主要原因是：采集的磁場強(qiáng)度中不排除有機(jī)械應(yīng)力引起的部分，它們與板材缺陷、焊接缺陷等環(huán)焊縫的異?；旌显谝黄穑绊懥藨?yīng)力集中評價的結(jié)果。與單純采用無損檢測設(shè)備對缺陷尺寸進(jìn)行檢測相比，磁應(yīng)力的分級結(jié)果更為全面。磁應(yīng)力檢測焊縫異常分級評價的處理建議見表3。

表3 磁應(yīng)力檢測焊縫異常分級評價的處理建議

4 磁應(yīng)力檢測影響因素分析

本次驗(yàn)證過程選取的管段均位于高后果區(qū)，環(huán)境比較復(fù)雜，在部分檢測管段附近的鐵磁性結(jié)構(gòu)等環(huán)境因素對檢測評價造成一定干擾，影響了后期數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至造成誤判、錯判或漏檢等。典型的環(huán)境干擾類型是：鋼筋混凝土路面、管道交叉位置、設(shè)備無法平穩(wěn)行進(jìn)的區(qū)段、鐵磁性構(gòu)筑物位于5 m范圍內(nèi)。

此外，驗(yàn)證過程還發(fā)現(xiàn)以不同的速度進(jìn)行檢測時也會使檢測數(shù)據(jù)有一定變化，但對檢測效果影響較小。

磁應(yīng)力檢測是利用高精度測磁探頭采集管道在工作載荷作用下產(chǎn)生的漏磁場進(jìn)行檢測的。管道在施工及運(yùn)行階段所受到的外力易在彎頭處發(fā)生方向上的改變，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上若彎頭附近的焊縫存在異常，該處產(chǎn)生的磁場畸變將是多種磁信號共同作用的結(jié)果，這對環(huán)焊縫定位以及對其進(jìn)行分級評價會產(chǎn)生一定的干擾和影響。

5 結(jié)束語

本次應(yīng)用磁應(yīng)力檢測技術(shù)進(jìn)行管道焊縫定位和缺陷分級評價，試驗(yàn)結(jié)果為：通過開挖驗(yàn)證以及缺陷焊縫的無損探傷檢測，表明環(huán)焊縫的定位偏差在1.5 m以內(nèi)的占比為90%，焊縫缺陷分級結(jié)果的符合率為72%，證明該技術(shù)在管道焊縫定位及缺陷焊縫分級評價上有良好的準(zhǔn)確性，能夠滿足工程的需要。

由于焊縫處的漏磁場中包含有由機(jī)械應(yīng)力引起的部分，它與板材缺陷、焊接缺陷等異常環(huán)焊縫混合在一起，影響了應(yīng)力集中評價的結(jié)果，與單純采用無損檢測設(shè)備對缺陷尺寸進(jìn)行檢測相比，磁應(yīng)力的分級結(jié)果在原理上更為全面。