管道局部微勵磁盜孔內(nèi)檢測技術(shù)研究

蘇 林，馬雪莉，崔德榮，饒連濤，郝大洋，徐 杰

(1.管網(wǎng)集團(tuán)(徐州)管道檢驗檢測有限公司，江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 材料與物理學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 引言

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，對石油天然氣的需求越來越大，而長輸管道由于其具有運輸量大，且管道大部分埋于地下，占地少，受地形地物的限制少，可以縮短運輸距離，能夠長期穩(wěn)定運行且運輸成本低等特點，在能源運輸上的作用越來越突出，目前已經(jīng)成為了我國油氣資源運輸?shù)闹饕绞健＝鼛啄陣鴥?nèi)長輸管道的建設(shè)規(guī)模逐漸增大，目前已經(jīng)形成了一個龐大的管道運輸網(wǎng)[1-3]。截至2020年底，我國在役油氣管道總里程達(dá)到 16.5萬公里，至2025年，我國長輸管道總里程預(yù)計達(dá)到 24萬公里。

由于管道長期受內(nèi)部介質(zhì)和外部空氣等因素的影響，易產(chǎn)生諸多缺陷而引起能源泄漏，需要定期對管道進(jìn)行無損檢測，并對管道安全性和壽命做出安全綜合評價[4-8]。由于長輸管道地處野外，且管道內(nèi)輸送的為能源介質(zhì)，在管道上打盜孔、埋暗管偷盜油氣資源的非法行為越來越多，導(dǎo)致在管道上遺留了大量的盜油(氣)支管。這些支管的存在是油氣管線安全生產(chǎn)的一項重大隱患，盜孔的存在容易造成管道泄漏，輸油管道泄漏事故除損失大量油品外，同時還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[9-11]。

目前，用于管道盜孔排查的方法主要有外檢測法和常規(guī)漏磁內(nèi)檢測法。外檢測法本質(zhì)是檢測防腐層漏點，誤報率較高，且不能有效識別經(jīng)過絕緣處理的支管。漏磁檢測法能夠準(zhǔn)確識別管道上的盜孔特征，但檢測器磁場強(qiáng)度高、重量大，對管道的清潔度要求較高，且收發(fā)球操作比較困難，檢測成本較高[12]。為了及時排除管道上的盜孔，保證管道的安全運行，通過分析傳統(tǒng)漏磁檢測技術(shù)的原理，開發(fā)一種管道局部微勵磁的長輸管道盜孔專項內(nèi)檢測技術(shù)，并進(jìn)行試檢測應(yīng)用，驗證該方法的可行性。

1 檢測原理

1.1 原理分析

傳統(tǒng)的漏磁內(nèi)檢測技術(shù)為了保證識別管道內(nèi)外表面的特征，并對管壁金屬損失等缺陷的徑向尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確量化，必須采用強(qiáng)磁場對管道進(jìn)行磁化，使管壁內(nèi)部磁場達(dá)到近飽和狀態(tài)[13-16]。而盜孔在管道內(nèi)外表面表現(xiàn)為固定的通孔特征，即存在貫穿管壁的圓孔狀金屬損失。要想實現(xiàn)對盜孔的專項檢測，只需要對管道內(nèi)表面的圓孔特征進(jìn)行識別，而并不需要對孔的深度特征進(jìn)行準(zhǔn)確量化。根據(jù)這一特點和需求，可將傳統(tǒng)漏磁檢測器的整體強(qiáng)磁化的勵磁結(jié)構(gòu)改為局部輕微勵磁的勵磁結(jié)構(gòu)，從而降低檢測器對管道的磁化水平，既保證檢測器能夠識別管道內(nèi)表面平整度的變化，又保證檢測設(shè)備對管道上盜孔的檢測。根據(jù)以上理論分析，確定了管道局部勵磁盜孔的檢測方法，其內(nèi)檢測技術(shù)原理如圖1所示。

局部微勵磁盜孔內(nèi)檢測通過在檢測探頭內(nèi)部集成一塊永磁鐵，當(dāng)檢測器在管道中運行時，該永磁鐵會使管道內(nèi)表面局部輕微磁化。正常管道內(nèi)表面為光滑的平面，在探頭、磁鐵和管道內(nèi)表面之間會形成相對穩(wěn)定的磁場。當(dāng)管道存在盜孔時，管壁上的通孔破壞了原有磁場的連續(xù)性，致使盜孔位置管道內(nèi)表面的磁場分布產(chǎn)生變化[17-18]。在磁鐵和管壁的中間安裝霍爾元件，并實時采集探頭位置管道內(nèi)表面的磁場信號，盜孔導(dǎo)致的管道內(nèi)表面磁場分布變化被霍爾元件識別并記錄。檢測完成后，通過對霍爾元件采集的信號進(jìn)行分析，即可判斷管道上是否存在盜孔。

1.2 盜孔漏磁場分布的有限元仿真分析

為了驗證上述原理的可行性和有效性，通過有限元模擬的方法，應(yīng)用COMSOL軟件對上述局部微勵磁過程進(jìn)行仿真分析。圖2示出上述過程的有限元模型(考慮有限元分析僅為驗證該方法的可行性，這里采用平板代替管子進(jìn)行幾何模型的簡化分析)，圖3示出無盜孔和有盜孔時有限元模擬計算得到的磁力線分布圖。圖4示出有限元計算得到的磁通密度分布云圖。

(a)

(b)

(a)無盜孔

(b)有盜孔

圖4 有限元計算得到的磁通密度分布云圖

由圖3可以看出，無盜孔時，平板經(jīng)過勵磁后，由于其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，因此，絕大部分磁通從管道內(nèi)通過構(gòu)成回路，即磁力線均勻通過板體，在距平板上表面1 mm處沿平板長度方向提取磁場的磁通密度分布，結(jié)果顯示其值為一條磁通密度近乎為零的水平線；而有盜孔時，孔周邊有明顯的磁力線漏出平板，并且在相同提離值位置(同上取距表面1 mm處)可以看到顯著的漏磁信號(見圖5)?？梢?，采用管道局部微勵磁的方法進(jìn)行盜孔檢測是有效且可行的。

圖5 有、無盜孔時沿平板長度方向的磁通密度分布曲線

2 試驗研究

2.1 探頭組裝

為了進(jìn)一步驗證檢測原理的可行性，參照現(xiàn)有漏磁檢測設(shè)備，設(shè)計了局部微勵磁檢測探頭，該探頭主要由耐磨片、傳感器、永磁鐵、連接器與電纜線、封裝膠等組成。

(1)耐磨片。由于設(shè)備在管道中檢測時探頭需要與管道內(nèi)壁緊密貼合，長距離的滑動摩擦對探頭的耐磨性能提出了很高的要求。探頭的表面與管道接觸的部分必須選取一種高耐磨的材質(zhì)。經(jīng)過多次試驗比選，選取了一種高耐磨、高硬度的厚度為2 mm的陶瓷片，并將其粘合在探頭頂部外表面，使之與管道內(nèi)壁相接觸，延緩探頭的磨損。通過磨損試驗，證實了該耐磨片可連續(xù)使用500公里。

(2)傳感器。探頭中磁場信號采集傳感器選用數(shù)字化三軸霍爾傳感器，該傳感器具有高抗干擾性，傳感器的靈敏度可實現(xiàn)數(shù)字式編程調(diào)節(jié)，探頭的數(shù)據(jù)傳輸為串行通訊，采樣頻率可達(dá)到2 kHz。每個探頭的傳感器物理通道多達(dá)12個，傳感器的周向間距小于6.25 mm，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高清度可視化。

(3)永磁鐵。局部微勵磁檢測探頭中的磁場由一塊永磁鐵勵磁產(chǎn)生。采用牌號N45的釹鐵硼永磁鐵，外形尺寸為23 mm×6 mm×3 mm，剩磁(Br)13.5 kGs，最大磁能積(BH)43～45 MGOe，矯頑力(jHc)≥12 kOe。

(4)連接器與電纜線。由于設(shè)備的使用環(huán)境特殊，探頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間相連接的電纜線采用屏蔽七芯電纜線，抗干擾、耐高溫、耐酸堿、耐腐蝕，可長時間在原油和天然氣中使用。為了實現(xiàn)探頭和主機(jī)之間連接可靠，兩者之間的連接器采用雙排8針連接器，其具有高可靠、高抗震、低阻抗、高靈敏度等優(yōu)點，且該連接器體積小，安裝方便可靠，操作簡單，可多次重復(fù)使用。

(5)封裝膠。探頭通過封裝膠將電路板、耐磨片以及電纜線粘合封裝在一起，封裝膠采用一種環(huán)氧樹脂，具有耐高壓、耐高溫、耐油、耐腐蝕、固化時間短、抗老化、使用方便等優(yōu)點。

2.2 探頭檢測性能測試

為了驗證探頭的檢測性能，人工制造了模擬盜孔、盜孔+焊縫以及盜孔+維修補(bǔ)板的板狀試樣(照片見圖6，參數(shù)見表1)。采用檢測探頭分別對3塊試板進(jìn)行掃測試驗，測試檢測探頭對盜孔、焊縫以及補(bǔ)板特征的信號響應(yīng)情況。

圖6 板狀試樣照片

表1 板狀試樣參數(shù)

2.2.1 探頭對盜孔的信號響應(yīng)分析

為了驗證檢測探頭對盜孔的檢測能力，采用探頭對1#試板沿長度方向分別對試板的左側(cè)、中間和右側(cè)進(jìn)行掃查，并記錄探頭采集到的信號曲線，如圖7所示。

圖7 1#試板探頭采集信號曲線

從圖7可以看出，在板材壁厚無變化的區(qū)域，探頭內(nèi)部傳感器位置的磁場信號相對穩(wěn)定，信號曲線無明顯波動；當(dāng)探頭經(jīng)過孔洞位置時，采集到的信號曲線波動明顯，探頭通過孔洞后沿試樣長度方向的磁場信號表現(xiàn)出類似正弦變化規(guī)律的特征，該方向上磁場變化趨勢與有限元仿真計算的結(jié)果一致(見圖5)，說明該方法具備檢測孔洞的能力。

2.2.2 探頭對焊縫的信號響應(yīng)分析

為了驗證檢測探頭對焊縫的檢測能力，采用探頭對2#試板沿長度方向分別對試板的左側(cè)、中間和右側(cè)進(jìn)行掃查，并記錄探頭采集到的信號曲線，如圖8所示。

圖8 2#試板探頭采集信號曲線

由于焊縫余高的影響，探頭在焊縫位置的信號有明顯的波動。在孔洞位置探頭同樣采集到了明顯的磁場變化信號。由于試板焊縫與探頭之間的間距較小，焊縫余高導(dǎo)致的探頭跳動，對孔洞位置的信號質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響，在實際應(yīng)用過程中對焊縫位置的曲線波動要著重進(jìn)行分析。

2.2.3 探頭對孔洞外側(cè)補(bǔ)板的信號響應(yīng)分析

管道盜孔的維修一般采用摘除支管、焊接補(bǔ)板的方式，該種維修方式并未消除管壁上的透孔特征，為了驗證檢測器對管道外壁補(bǔ)板的識別能力，采用探頭對3#試板沿長度方向在孔洞中間以及兩側(cè)進(jìn)行掃測，圖9示出探頭在試板左側(cè)、中間和右側(cè)掃查采集到的信號曲線。

圖9 3#試板探頭采集信號曲線

從圖9中可以看出，探頭能夠采集到管壁上透孔的信號，孔洞外側(cè)補(bǔ)板導(dǎo)致的磁場信號變化比較微弱，說明該方法對管道外壁的補(bǔ)板有一定的檢測能力，但是準(zhǔn)確識別存在一定的困難。

通過以上對探頭檢測性能測試結(jié)果可以看出，本文提出的局部微勵磁檢測方法具備對管道盜孔的檢測能力，能夠用于管道盜孔的檢測，但該方法在近焊縫位置的特征信號存在一定的噪聲，且對管道外壁的特征識別存在一定困難，在應(yīng)用的過程中還需要數(shù)據(jù)分析人員對各種信號波動進(jìn)行認(rèn)真分析，并將分析結(jié)果與管道歷史維護(hù)、維修資料進(jìn)行比對，以減少誤判和漏判。

3 檢測器裝配驗證及其應(yīng)用

3.1 檢測器性能驗證

借鑒常規(guī)內(nèi)檢測器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)檢測原理組裝了一套?529 mm的管道局部微勵磁盜孔檢測器，該檢測器主要由皮碗、鋼制骨架、里程輪、機(jī)芯和探頭組成，其性能指標(biāo)見表2。

表2 檢測器性能指標(biāo)

為了驗證檢測器的檢測性能，制作安裝了一根總長度為4.5 m的試驗樣管，試驗樣管中預(yù)制了不同尺寸、不同樣式的支管、補(bǔ)板、維修扣帽、外壁凹坑等28處與盜孔相關(guān)的管道特征(特征信息見表3)，并在試驗管末端放置了一塊磁標(biāo)記。

表3 牽拉試驗管預(yù)制特征信息

以卷揚機(jī)作為驅(qū)動裝置，牽引檢測器對安裝的試驗樣管進(jìn)行了檢測，檢測數(shù)據(jù)圖譜見圖10(圖中顯示的特征方位關(guān)系為沿管道母線展開后在管道外表面的分布情況)。

圖10 牽拉試驗數(shù)據(jù)圖

對檢測數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析并與實際樣管進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

表4 試驗樣管檢測結(jié)果匯總

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，檢測器能夠準(zhǔn)確識別管道上各種特征中的透孔信息。對于有透孔的支管，由于支管管徑和透孔直徑相差較小，透孔引起的信號波動湮沒了支管引起的信號波動，導(dǎo)致特征透孔信號明顯，外壁支管信號不可見；對于膠粘支管，由于底座和管壁之間膠層的影響，底座邊緣信號不可見；對于維修補(bǔ)板，隨著補(bǔ)板尺寸的增大，中間透孔信號對管道外部補(bǔ)板邊緣信號的影響逐漸減??；對于維修扣帽，隨著扣帽尺寸的增加，可逐漸識別微弱的外壁扣帽信號；對于無透孔的支管，可識別微弱的外壁支管信號，但不能準(zhǔn)確判斷特征類型；對于外壁凹坑，檢測器未能識別到特征信號，對于磁標(biāo)記，檢測器識別到了明顯的信號。

現(xiàn)實中的盜孔中心都是鉆透管壁的通孔，根據(jù)此特征以及牽拉試驗的結(jié)果確定該檢測器能夠用于盜孔的專項檢測，但考慮到該檢測器對管道外壁特征的識別能力有限，應(yīng)用過程中需要對照管道的歷史維修資料對檢測數(shù)據(jù)中已經(jīng)維修處理過的盜孔進(jìn)行排除。

3.2 檢測器應(yīng)用

應(yīng)用該檢測器對某原油管線進(jìn)行了實際檢測，并結(jié)合管道歷史維修資料對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終確定該管道在出站785.5,36 882.0 m兩處特征為疑似盜孔。對兩處疑似盜孔進(jìn)行了開挖，發(fā)現(xiàn)該兩處盜孔均為盜油分子安裝的盜油支管。兩處盜孔的檢測數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

(a)出站785.5 m處

(b)出站36 882.0 m處

4 結(jié)論

(1)通過對局部微勵磁檢測技術(shù)的原理分析、有限元仿真以及基于板狀試樣的盜孔模擬檢測試驗，驗證了該技術(shù)的可行性。

(2)根據(jù)技術(shù)原理組裝了局部微勵磁管道內(nèi)檢測設(shè)備，并通過牽拉試驗驗證了該設(shè)備的檢測能力。應(yīng)用該設(shè)備對某原油管線進(jìn)行了實際檢測，發(fā)現(xiàn)了兩處疑似盜孔特征，并對兩處疑似特征進(jìn)行了開挖，確定其為在管道上安裝的盜油支管。

(3)通過分析可以確定管道局部微勵磁盜孔專項檢測技術(shù)能夠有效地完成管道上盜孔的檢測。管道運維單位為了避免管道上遺留的盜孔造成管道泄漏等事故的發(fā)生，可定期采用該技術(shù)對管道上的盜孔進(jìn)行檢測、排查，該技術(shù)應(yīng)用前景廣泛。