金屬磁記憶應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)在海底管道中的應(yīng)用

楊 松，楊東凌，盧 進(jìn)，徐 龍

（1.中海油深圳分公司，廣東 深圳 518087；2.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，天津 300450）

引言

作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)方法，磁記憶檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外檢測(cè)相關(guān)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是此技術(shù)在油氣管道完整性方面的應(yīng)用則僅僅十余年，特別是在海底油氣管道的應(yīng)用方面幾乎還是空白[1]。2000年，南昌航空大學(xué)任吉林教授在國(guó)內(nèi)首先引入了金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)及儀器[2]。2009年，黃曉亮等人將磁記憶檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于埋地原油管道無(wú)損探傷中[3]。而中海油則真正將金屬磁記憶技術(shù)應(yīng)用于海底管道的檢測(cè)中，2020年，中海石油（中國(guó)）有限公司某分公司為對(duì)某28寸天然氣海管確認(rèn)管線(xiàn)疑似變形點(diǎn)附近區(qū)域管線(xiàn)的狀態(tài)，采用了水下鋼質(zhì)管道遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)（MTM）。2021年中海石油（中國(guó)）有限公司某分公司采用MTM檢測(cè)設(shè)備對(duì)海管中滯留的漏磁檢測(cè)器進(jìn)行定位。

1 金屬磁記憶基本原理

鐵磁性組織金屬材料零部件在進(jìn)行材料加工和組裝時(shí)，由于其能夠承受觀(guān)測(cè)到的磁場(chǎng)載荷和當(dāng)?shù)刂車(chē)艌?chǎng)的共同應(yīng)力影響，在磁場(chǎng)應(yīng)力和其定向變形較為集中的一個(gè)區(qū)域內(nèi)就可能會(huì)自然出現(xiàn)一個(gè)分別帶有定向磁導(dǎo)和磁性伸縮兩種特征的磁性或疇磁性組織定向和非常變或不可逆的重新運(yùn)動(dòng)取向，這種在鐵磁性組織狀態(tài)下的不變或可逆定向變化在被動(dòng)件工作時(shí)的載荷大大減弱后不僅沒(méi)有能夠使其得到永久保留，還與其最大的磁場(chǎng)作用力和應(yīng)力密切相關(guān)。金屬結(jié)構(gòu)中的物體在其表面的這種磁性狀態(tài)“記憶”著一個(gè)物體微觀(guān)上的物理缺陷或者是應(yīng)力使它聚焦在子集巾的所在位置，即我們通常稱(chēng)之為磁狀態(tài)記憶效應(yīng)ISO 24497-1-2007《無(wú)損檢測(cè)-金屬磁記憶》。

金屬結(jié)構(gòu)的各類(lèi)主要微觀(guān)結(jié)構(gòu)缺陷和對(duì)其局部整體應(yīng)力的集中，有可能直接導(dǎo)致整個(gè)金屬燃?xì)夤艿谰植拷Y(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)備的安全失效甚至是有可能直接發(fā)生安全事故（國(guó)內(nèi)外金屬資料測(cè)量統(tǒng)計(jì)中對(duì)其局部整體應(yīng)力的最大集中率均是可能造成金屬管道結(jié)構(gòu)失效的主要構(gòu)成原因約70%以上）。鐵磁金屬材料在長(zhǎng)期經(jīng)歷了各種諸如徑向拉力、壓力和軸向剪切等應(yīng)力等多種不同外力的相互作用下，其鐵磁材料內(nèi)部的磁磁場(chǎng)疇特性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致磁場(chǎng)的特性結(jié)構(gòu)發(fā)生了密切相應(yīng)的線(xiàn)性變化，這種致變現(xiàn)象又可以稱(chēng)為逆磁特性致變或伸縮相變效應(yīng)。當(dāng)物體處于非接觸式工作地磁負(fù)載環(huán)境下的諸如鋼筋或者鐵皮等磁性金屬構(gòu)件在物體接觸或移動(dòng)受制于工作地磁負(fù)載的特殊情況下，由于附加金屬磁場(chǎng)的記憶效應(yīng)，在具有應(yīng)力較高的強(qiáng)度集中和較大變形率的區(qū)域內(nèi)就會(huì)逐漸產(chǎn)生最大的軸向附加金屬磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)法向上的分量因此改變了方向符號(hào)且經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)切向上的分量則因此會(huì)逐漸出現(xiàn)最高值。根據(jù)構(gòu)件周?chē)拇艌?chǎng)學(xué)原理來(lái)準(zhǔn)確判斷應(yīng)力集中的程度主要可以認(rèn)為有兩種不同的判斷方式，一種就是通過(guò)磁場(chǎng)法向分量的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行判斷，二種就是通過(guò)利用磁場(chǎng)法向分量的梯度值進(jìn)行判斷，也就是說(shuō)利用磁場(chǎng)法向分量在較小應(yīng)力集中點(diǎn)時(shí)會(huì)使構(gòu)件周?chē)霈F(xiàn)很大的梯度值這一技術(shù)特點(diǎn)。埋設(shè)于地表附近的鐵磁性管路接收到地磁場(chǎng)被強(qiáng)烈磁化后，在其相應(yīng)的位置內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疊放在地磁場(chǎng)之上、反映其應(yīng)力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的附加磁場(chǎng)。表1反應(yīng)了應(yīng)力集中程度對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、安全狀況和給出的維修建議。

表1 應(yīng)力集中程度對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、安全狀況及維修建議表

MTM檢測(cè)基于磁記憶原理，作業(yè)采用ROV搭載無(wú)接觸式掃描力計(jì)進(jìn)行水下作業(yè)。通過(guò)攜帶超短基線(xiàn)USBL定位系統(tǒng)對(duì)海底管道進(jìn)行測(cè)量，對(duì)查明海底管道內(nèi)外腐蝕、幾何變形劃傷等情況進(jìn)行檢測(cè)定位。其適用條件是：探測(cè)距管道垂直距離≤20倍管徑，水平距離≤4倍管徑；管道存在變形嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通球，不能實(shí)施內(nèi)檢測(cè)的管道；管道內(nèi)部雜質(zhì)較多無(wú)法進(jìn)行通球的管道；登陸管道；管道嚴(yán)重變形點(diǎn)的查找；底管道嚴(yán)重腐蝕點(diǎn)的驗(yàn)證

2 漏磁檢測(cè)器的定位

結(jié)合上海某海底天然氣管線(xiàn)漏磁球定位實(shí)例。檢測(cè)管段為上海某海底天然氣管線(xiàn)，采取ROV搭載MTM檢測(cè)設(shè)備的方式完成，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是ROV利用管道已知定位數(shù)據(jù)在管道正上方掃描，通過(guò)臍帶纜將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳回控制間進(jìn)行檢測(cè)，由于漏磁檢測(cè)器搭載的永久性磁鐵會(huì)在檢測(cè)器卡堵位置產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁異常，MTM檢測(cè)器識(shí)別該強(qiáng)烈的磁異常信號(hào)，該信號(hào)明顯區(qū)別與管道本體缺陷的磁異常，從而定位該檢測(cè)器。

在管線(xiàn)上方進(jìn)行了四次掃描，結(jié)合管線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)的圖紙，根據(jù)MTM設(shè)備在管道上方掃描的磁場(chǎng)分布示意圖，最終判斷了管道附件及漏磁球滯留的位置，如圖1所示。

3 海底管道變形點(diǎn)檢測(cè)

中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司對(duì)某28寸天然氣海管路由勘察，發(fā)現(xiàn)該28寸海管KP276.8-279.885段（總長(zhǎng)3 085 m）向西南方向位移，最大位移量約79 m，位于KP278附近。為確認(rèn)管線(xiàn)疑似變形點(diǎn)附近區(qū)域管線(xiàn)的狀態(tài)，擬就西湖28寸海管KP276.8-279.885段開(kāi)展管道實(shí)際狀態(tài)水下探摸，對(duì)位移3 km管道應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)區(qū)域海管開(kāi)展鋼質(zhì)管道遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)。

3.1 檢測(cè)結(jié)果

被檢管段共有55處應(yīng)力集中點(diǎn)：

1）共30處的應(yīng)力集中檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別評(píng)級(jí)為一級(jí)，可以正常進(jìn)行工作而不必對(duì)其進(jìn)行任何技術(shù)修復(fù)，可用于在下一次應(yīng)力檢測(cè)時(shí)與其樣品進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)的比對(duì);；

2）共18處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)，應(yīng)當(dāng)被重點(diǎn)監(jiān)控；

3）共7處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，應(yīng)被列為計(jì)劃維修；

4）共0處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為四級(jí)，應(yīng)當(dāng)立即維修。

28寸天然氣海管MTM檢測(cè)危險(xiǎn)等級(jí)分布統(tǒng)計(jì)示意圖計(jì)劃對(duì)西湖28寸海管KP276.5-KP280.2區(qū)間范圍內(nèi)進(jìn)行MTM應(yīng)力檢測(cè)，原則上向位移管道兩側(cè)各延伸至少300 m，具體范圍視現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)管線(xiàn)兩端變形情況局部調(diào)整。

3.2 MTM檢測(cè)目的及內(nèi)容

MTM檢測(cè)作業(yè)將采用ROV搭載無(wú)接觸式掃描應(yīng)力計(jì)進(jìn)行水下作業(yè)，通過(guò)攜帶超短基線(xiàn)USBL定位系統(tǒng)對(duì)海底管道懸空、裸露及三通段進(jìn)行MTM測(cè)量，查明海底管道內(nèi)外腐蝕、幾何變形劃傷等情況，對(duì)海底管道的安全現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為海底管道的安全生產(chǎn)和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

調(diào)查將使用水下無(wú)接觸式掃描應(yīng)力計(jì)、ROV、超短基線(xiàn)USBL定位系統(tǒng)調(diào)查為：

腐蝕情況為內(nèi)外的點(diǎn)腐蝕、面腐蝕；缺陷情況：平面型缺陷、裂紋、未融合和其他類(lèi)型缺陷；幾何變形情況：壓痕、起皺管、橢圓變形、機(jī)械損傷、凹坑、劃傷等情況。

3.3 調(diào)查要求

1）檢測(cè)設(shè)備接收信號(hào)良好，若發(fā)現(xiàn)缺陷等情況，能夠確定缺陷位置；

2）施工現(xiàn)場(chǎng)不超過(guò)5級(jí)風(fēng)、浪高不超過(guò)2 m、涌高不超過(guò)1 m；

3）船舶在該海域沿著管道走向進(jìn)行可控的巡航作業(yè)，巡航軌跡不超過(guò)管道軸線(xiàn)左右，偏差5 m范圍以?xún)?nèi)；

4）ROV在船舶的搭載下，在管道軸線(xiàn)左右偏差1 m、上下偏差1 m的范圍內(nèi)進(jìn)行巡線(xiàn)作業(yè)，航速不大于1節(jié)。

5）被檢管道應(yīng)力集中是由金屬損失（腐蝕缺陷）和制造型缺陷單獨(dú)或者共同作用產(chǎn)生的。

3.4 缺陷類(lèi)型判別依據(jù)

1）根據(jù)缺陷點(diǎn)管道受力方向。軸向受力多數(shù)為金屬損失；環(huán)向受力多數(shù)為制造型缺陷。

2）根據(jù)波形圖對(duì)稱(chēng)與否。波形圖基本對(duì)稱(chēng)的多數(shù)為制造型缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種日趨成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可用于探明海底管道內(nèi)外腐蝕，因其具有適用于無(wú)法通球的管道、無(wú)需人工磁化管道等優(yōu)點(diǎn)，在海底管道檢測(cè)中不斷的應(yīng)用，填補(bǔ)了無(wú)法內(nèi)檢測(cè)管道的完整性管理空白。MTM在海底漏磁檢測(cè)器定位的成功應(yīng)用，為后期解卡奠定了基礎(chǔ)，為海底檢測(cè)器定位提供了新的思路。