脈沖渦流技術(shù)在保溫層下管道腐蝕檢測的應(yīng)用研究

何婷婷 馮翠寧 韓雪艷 閆化云

（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

保溫層下腐蝕（簡稱CUI）是指發(fā)生在包裹保溫材料的管道或設(shè)備外表面上的一種腐蝕現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計，在石油化工行業(yè)中，超過60%的管道故障是由CUI引發(fā)的，而且每年由于CUI引發(fā)設(shè)備和管道發(fā)生故障導(dǎo)致的危險產(chǎn)品泄漏、設(shè)備非正常運行甚至人員傷亡等一系列嚴(yán)重問題所造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)十億美元[2]。石油工業(yè)中大部分設(shè)備和管道都是由碳鋼和不銹鋼制造而成的，由于安裝、操作、性能及外界因素造成外防護層、密封膠或防腐層的破損，會在保溫材料和管道間形成局部的電化學(xué)腐蝕環(huán)境，空氣和水等介質(zhì)與金屬管道接觸會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致CUI的發(fā)生，CUI難以通過保溫層的外表面發(fā)現(xiàn)，常規(guī)檢測手段需要拆除管道外部保溫層，使運營維護費用增加[3]。工業(yè)上常用的CUI檢測技術(shù)主要有：目視、射線實時成像技術(shù)（OpenVision）、IRIS檢測技術(shù)、RCS電導(dǎo)技術(shù)、長距離導(dǎo)波技術(shù)、溫度場分布技術(shù)、脈沖渦流檢測技術(shù)等[4]。其中脈沖渦流技術(shù)作為一種新型的無損檢測技術(shù)，不需要將探頭與測試表面進行接觸，不用使用耦合劑，所以在CUI檢測中無需剝離管道的保溫層，滿足管道腐蝕缺陷的在線檢測需求，在CUI管道篩選領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

本文對常規(guī)的CUI檢測技術(shù)進行了詳細(xì)的介紹，同時重點闡述脈沖渦流技術(shù)對保溫層下管道腐蝕缺陷的檢測原理，并對具有腐蝕缺陷的保溫層下管道進行試驗測試，為CUI檢測提供技術(shù)借鑒。

1 CUI檢測技術(shù)

目前常用的CUI檢測技術(shù)的類型、檢測原理和技術(shù)特點如表1所示，其中脈沖渦流技術(shù)采用一定的占空比的方法向激勵線圈通入方波，因方波中含有豐富的頻率成分，檢出信號中包含很多關(guān)于試件缺陷信息，具有檢測穿透力強、頻譜范圍廣、能力強、速度快、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點[5]。近年來脈沖渦流技術(shù)逐漸成為廣大學(xué)者的研究熱點，RaoK S[6]等提出來一種基于脈沖渦流響應(yīng)的脈沖時間常數(shù)和電壓參數(shù)可用于檢測表面6mm以下的缺陷，能夠區(qū)別內(nèi)外表面缺陷。趙番[7]等人設(shè)計了一套渦流檢測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確的區(qū)分出金屬管道的內(nèi)外壁缺陷。Rudlin J[8]設(shè)計了脈沖渦流周向分布式探頭，可用于包覆層管道檢測。CHEN X[9]等人研究了通過包覆層和保溫層時壁變薄的脈沖渦流測試，研究結(jié)果表明在關(guān)閉磁電流的一段時間內(nèi)，磁場信號的衰減行為幾乎僅與管道壁厚有關(guān)。

表1 CUI檢測技術(shù)類型

表1 （續(xù)）

2 脈沖渦流技術(shù)管道檢測原理

脈沖渦流檢測技術(shù)又稱瞬變電磁法，其測量主要包括發(fā)射回線和接收回線兩部分，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。圖1是脈沖渦流檢測帶包覆層管道的檢測原理，如圖1所示，給發(fā)射回線中通以階躍電流，發(fā)射電流突然下降到零，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回線中電流突然變化必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次磁場；一次磁場在周圍傳播過程中，如遇到導(dǎo)電性良好的待檢管道，將在其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流；由于二次電流隨時間變化，因而在其周圍又產(chǎn)生新的磁場，稱為二次磁場。二次磁場由接收回線觀測，通過對觀測的數(shù)據(jù)進行分析和處理，可對待檢管道的相關(guān)物理參數(shù)進行解釋，當(dāng)管道有腐蝕等損傷情況時，分布在管道上的渦流會發(fā)生變化，由渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，因而根據(jù)接收到的電磁場變化就可準(zhǔn)確檢測到管道的損傷情況、損傷類型和損傷程度。

圖1 脈沖渦流對CUI管道的檢測原理

圖2是脈沖渦流技術(shù)對CUI管道檢測的工作原理。如圖2所示，在管道檢測過程中，激勵回線裝置向待檢管道發(fā)送一次周期脈沖磁場，產(chǎn)生一次磁場信號。線圈周圍空間受激勵產(chǎn)生衰變渦流，形成與初始磁場方向相同的感應(yīng)衰減磁場，即二次磁場信號。隨時間衰減的二次磁場強度影響接收裝置中回路電流的數(shù)值變化，利用接收回線中電壓動態(tài)，可反映二次磁場衰減過程。通過提取和分析響應(yīng)的電壓信號，可判定待檢管道的腐蝕損傷情況。

圖2 脈沖渦流檢測CUI管道的工作原理

3 CUI管道檢測試驗

3.1 設(shè)備與器材

選擇三段參數(shù)相同的5-1/2寸、壁厚為7.3mm的N80套管。分別對三段套管進行了不同程度的孔洞、裂縫、腐蝕環(huán)等缺陷制造，套管參數(shù)及損傷類型如表2所示，套管損傷的形貌如圖3（a）所示。將套管1/2/3進行首尾接箍連接，并利用巖棉作為保溫層材料，鋁皮為外包覆層包裹套管進行保溫層下管道的組裝，將脈沖渦流檢測技術(shù)的探測儀器置于外包覆層的上方進行保溫層下腐蝕缺陷的檢測，試驗測試如圖3（b）所示，可以看出該探測儀器采用的是6個陣列分布的環(huán)貼式探頭，可通過旋轉(zhuǎn)探頭的方式實現(xiàn)管道的周向檢測。將套管進行組合后的測試管道缺陷位置如圖4所示。

表2 套管參數(shù)及損傷類型

圖3 （a）套管損傷形貌和（b）脈沖渦流檢測技術(shù)試驗測試示意圖

圖4 測試管道缺陷位置示意圖

3.2 試驗條件

將檢測探頭置于Φ25mm孔洞的正上方，探頭與套管的距離是提離高度，提離高度的示意圖如圖5所示。通過增加保溫層的厚度，增加檢測工具的提離高度，將提離高度分別設(shè)置為30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm，探究提離高度對檢測（探頭5）的信號強度的影響。同時分別固定保溫層厚度30mm、40mm、50mm、60mm的提離高度對接箍組裝完成的保溫層下的管道進行缺陷測試。試驗測試中發(fā)射探頭采用的是480ms發(fā)射頻率的雙極性脈沖的電壓信號，其電壓幅值為5V。

圖5 提離高度示意圖

3.3 試驗結(jié)果

圖6 為提離高度對檢測信號強度影響的趨勢圖，從圖6可以看出，隨著探頭與管道之間提離高度的增加，探頭接收信號強度逐漸減小；當(dāng)提離高度在60 mm內(nèi)變化時，信號波動幅度 較大，可對孔洞損傷進行有效識別；當(dāng)提離高度持續(xù)增大時，信號強度變得很小，信噪比較差，對于孔洞的識別能力降低。

圖6 提離高度對檢測信號強度的影響

將探測儀器平穩(wěn)放置在30、40、50、60mm保溫層厚度的管道的上方，采用0.041 m/s的測試速度勻速拖動儀器，從測試管道的左端（套管3）緩慢移動至管道右端（套管1）時，依次對三段套管進行試驗測試，觀察儀器在經(jīng)過具有接箍和腐蝕缺陷的管道過程中測試曲線的變化。緩慢勻速移動探頭的測試結(jié)果如圖7和圖8所示，從上到下依次對應(yīng)探頭1～6的測試數(shù)據(jù)，0～1m的測試數(shù)據(jù)表示套管3缺陷的測試結(jié)果，1～2m的測試數(shù)據(jù)表示套管2缺陷的測試結(jié)果，2～3m的測試數(shù)據(jù)表示套管1缺陷的測試結(jié)果。

圖7 厚度為（a）30mm、（b）40mm的保溫層下管道測試結(jié)果

圖8 厚度為（a）50mm、（b）60mm的保溫層下管道測試結(jié)果

圖7 （a）、（b）分別是30mm、40mm厚度的保溫層下管道的測試結(jié)果。由圖7（a）可以看出，探頭1～6的測試曲線位于0.9～1.1m和1.9～2.1m的兩個“凸峰”分別對應(yīng)的是連接被測套管的2處接箍的信號峰；探頭1～6的測試曲線中位于0.35～0.45m和0.55～0.65m的兩個“凹峰”分別對應(yīng)10×1腐蝕環(huán)和10×1.5腐蝕環(huán)；探頭1/2在0.75～0.85m處的“凹峰”是3.5×80橫縫的信號峰；探頭3/4在1.7～1.8m處的“凹峰”是2×60斜縫的信號峰；探頭5在2.3～2.4m處的“凹峰”信號對應(yīng)的是Φ15的孔洞；探頭5/6在2.5～2.6m和2.8～2.9m處的兩個“凹峰”信號分別對應(yīng)的是Φ25孔和3×40橫縫。圖7（b）的測試的峰值結(jié)果與圖7（a）相比，各探頭測試缺陷的感應(yīng)電動勢峰值降低，信號變?nèi)?。同時探頭6在2.5～2.6m處的沒有檢測出Φ25孔洞的信號峰。

圖8（a）、（b）分別是50mm、60mm厚度的保溫層下管道的測試結(jié)果。對比圖7和圖8可以看出，隨著保溫層厚度的增加，探頭與管道之間提離高度的增加，探頭對于不同形態(tài)的管道腐蝕缺陷的檢測信號的接受能力變?nèi)?，信噪比逐漸減小，儀器所能檢測的信號強度也逐漸減弱。當(dāng)提離高度提高到60mm時，除了接箍的“凸峰”信號外，對于其余腐蝕缺測試的感應(yīng)電動勢的峰值基本都在0.1V以下，在信噪比較差的情況下，測試信號容易被噪聲淹沒，對不同程度不同類型的損傷缺陷，識別能力較弱。

圖7 和圖8中對于套管3的2.5×10橫縫、套管2的Φ5孔洞、套管1的Φ10孔洞的探測信號峰均不明顯，考慮到是提離高度影響的原因。同時套管2的2×40和2×50的豎縫也都沒有檢測出信號，這是由于豎縫與儀器探測信號的方向一致，使得探測儀器難以對豎縫實現(xiàn)有效的識別。

4 結(jié)論與建議

（1）脈沖渦流技術(shù)不需要將探頭與測試表面進行接觸，也不需要耦合劑，檢出信號中包含很多關(guān)于試件缺陷的信息，而且在CUI檢測中管道的保溫層不需要剝離，可以滿足管道腐蝕缺陷的在線檢測；

（2）脈沖渦流探測儀器能夠較為靈敏地識別60mm以內(nèi)厚度保溫層下的管道腐蝕缺陷，其中對于接箍和腐蝕缺陷有非常明顯的識別能力。但隨著保溫層厚度和提離高度的增加，檢測探頭對于管道腐蝕缺陷的檢測信號的接收能力逐漸變?nèi)?，信噪比逐漸減小，儀器所能檢測的信號強度也逐漸減弱；

（3）脈沖渦流技術(shù)能夠準(zhǔn)確識別不同類型的管道損傷缺陷，由于提離高度的影響，對于較小的腐蝕缺陷，檢測結(jié)果存在一定的誤差，但其總體檢測精度已超越現(xiàn)有技術(shù)的水平，在海上平臺保溫層下管道損傷檢測的實際工程中具有很大的應(yīng)用前景。