埋地輸氣管道弱磁應力外檢測技術(shù)研究

陳 元，劉艷軍，吳 翔

(1. 西南石油大學機電工程學院，四川成都 610500；2. 塔里木輸油氣分公司，新疆庫爾勒 841000)

0 前 言

管道運輸是傳統(tǒng)運輸方式之外的重要運輸手段，也是最安全最有效的運輸方式，已成為國民經(jīng)濟和社會生活中不可或缺的生命線[1，2]。在管道的使用過程中，由于自身存在的質(zhì)量問題與環(huán)境因素，會產(chǎn)生各種類型的管體缺陷，這些缺陷大多都由微觀應力集中演變而來，宏觀缺陷的出現(xiàn)對管道的安全運行有較大的影響[3，4]。為降低事故風險，避免管道危害的發(fā)生，需要對管道定期做應力檢測。傳統(tǒng)的無損檢測手段只能檢測到管道本體的宏觀體積缺陷，無法預測危害的發(fā)生。由于埋地輸油氣管道幾乎是鐵磁性金屬材料，具有良好的剛度和韌性，管道發(fā)生破壞要經(jīng)由應力集中到屈服變形的過程[5]，因而對材料應力應變情況進行微觀檢測，可以預測管道危害的發(fā)生，并可作為評價管道應力集中程度的依據(jù)。

管道的弱磁檢測方法是一種基于漏磁場理論的非接觸式外檢測技術(shù)。弱磁檢測技術(shù)以金屬磁記憶效應和逆磁致伸縮效應為基礎(chǔ)，在非勵磁條件下(地磁環(huán)境下)，通過檢測鐵磁材料在應力作用狀態(tài)下的外部弱磁場大小及分布特征來判斷材料的應力變形及損傷狀態(tài)[6-8]。金屬磁記憶技術(shù)由杜波夫教授提出，20世界90年代在NDT(無損檢測)行業(yè)引起強烈反響，至今已被證實為唯一能檢測出構(gòu)件早期應力集中的技術(shù)。該技術(shù)設備操作簡單，檢測速度快，不受管徑限制，不需要勵磁設備，可以實現(xiàn)管道缺陷的早期診斷[9-12]。近年來，管道弱磁檢測技術(shù)的工程應用與研究越來越多[13-18]。針對埋地管道應力檢測，楊理踐等[19]通過位錯理論與能量平衡理論分析了材料在塑性變形時弱磁場的變化規(guī)律，并分析了多次變形之后材料的磁導率變化規(guī)律。王締[20]利用有限元仿真技術(shù)研究了外界磁場對應力弱磁檢測的影響，明確了應力與磁性的關(guān)系和外磁場在弱磁檢測環(huán)境下的影響規(guī)律。馬惠香等[21]通過金屬磁記憶掃描裝置，研究了磁感應強度大小與鋼筋內(nèi)部應力大小的對應關(guān)系，以及提離度對弱磁信號的影響。

為了在非開挖條件下評估輸氣管道的應力水平，本工作利用管道弱磁應力外檢測技術(shù)檢測了長慶油田公司某輸氣管道，結(jié)合磁偶極子模型來識別管道的應力集中區(qū)域，通過磁應力綜合指數(shù)來評估管道的應力水平，并通過接觸式應力檢測技術(shù)來驗證檢測結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性。

1 技術(shù)原理

埋地鐵磁管道處于微弱的地磁場中，在達到居里溫度之前，常用的金屬管道都具有一定的磁性，在內(nèi)部介質(zhì)和非工作載荷的長期作用下，材料晶體的磁疇將發(fā)生不可逆的重新取向，使管道磁化，在管道周圍形成漏磁場(SMFL)，從而產(chǎn)生弱磁信號[22]。當管道存在宏觀缺陷或微觀結(jié)構(gòu)缺陷時，大多出現(xiàn)局部應力集中，而應力集中將會引起局部弱磁信號突變。埋地輸氣管道弱磁應力外檢測技術(shù)通過空間分布的三維磁敏傳感器采集管道上方的弱磁信號，根據(jù)應力異常所對應的磁場分布特征來識別管道的應力集中區(qū)。

2 仿真計算

管道的宏觀缺陷一般由微觀的應力集中演變而來，根據(jù)杜波夫教授的觀點，對于微觀的應力集中區(qū)域，可通過磁偶極子模型來進行分析，模擬出管道應力集中區(qū)外圍的磁場分布特征，結(jié)合傳感器采集到的弱磁信號，即可判斷管道應力集中缺陷[23]。

如圖1所示，假設在某段管道內(nèi)僅存在一處應力集中缺陷，該缺陷等效體積為V，反映應力集中區(qū)范圍；x方向(沿著管道軸向)表示切向；y方向(豎直垂直管道軸向)表示法向；自然地引入應力集中特征量J=VBρ，Bρ大約為1 T；應力集中區(qū)在表面下的深度為h，且在y軸上。

將管道的局部應力集中區(qū)域等效為磁偶極子時，根據(jù)電磁波與電磁場理論結(jié)合磁技術(shù)理論，構(gòu)件的應力集中區(qū)在空間二維平面點P所產(chǎn)生的磁感應強度法向分量By與切向分量Bx可表示為公式(1)和(2)[24]：

(1)

(2)

式中μ——材料的初始磁導率

By—— 應力集中區(qū)的體積，mm3

Bρ—— 應力集中區(qū)的剩磁，T

ρ—— 應力集中區(qū)距離探頭的距離，mm；

h—— 應力集中區(qū)距離地面高度，mm

β—— 應力集中區(qū)磁化方向與法向的夾角，(°)

使用Matlab軟件對切向分量與法向分量進行數(shù)值模擬，材料的初始磁導率為200，應力集中區(qū)的體積為0.001 mm3，應力集中區(qū)的剩磁取1 T，應力集中區(qū)距離地面高度為6 mm。模擬結(jié)果如圖2所示，其中圖2a表示空間點P處磁場的法向分量隨管道軸向x與夾角β的變化規(guī)律；圖2b表示切向分量隨管道軸向x與夾角β的變化規(guī)律。

當β=90°時，繪制應力集中區(qū)外圍空間點P處的法向分量與切向分量沿管道軸向x的變化規(guī)律圖，可得出當磁化方向與軸向一致時，波形出現(xiàn)經(jīng)典分量特征，即法向分量By符號變化且過“零點”，切向分量Bx出現(xiàn)極值，仿真結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)磁偶極子模型所模擬出圖3a和3b的弱磁信號變化特征，結(jié)合儀器所采集到的空間磁場分布，可有效識別埋地輸氣管道的應力異常。

3 應力異常評價方法

從獲得的管道弱磁信號中提取異常磁信號，通過公式(3)求取損傷部位的G值，根據(jù)G值來評估應力集中損傷程度。其中G>0，G值越大表示損傷程度越高。

(3)

式中G—— 應力損傷程度大小的度量值

i——x、y、z方向

dHi——i方向排列的傳感器之間磁矢量i分量的梯度值，這里處理成梯度值可有效地減小地磁場的干擾

dl—— 采集步長增量值，即沿管道軸向微分

為方便等級評價，引入應力異常綜合指數(shù)F[25]，F(xiàn)由公式(4)表示。根據(jù)F值的大小可將應力損傷劃分為3個風險等級，如表1所示。

F=exp{-AG}

(4)

式中A—— 修正系數(shù)

G—— 損傷程度大小的度量值

表1 管道應力損傷程度等級劃分

修正系數(shù)A可根據(jù)數(shù)據(jù)庫所擬合的A關(guān)于磁信號特征量的方程計算出初始值，通過取樣檢驗可得出A的終值。特別地，為了使應力損傷等級評與其他檢驗方式一致，可多次取樣，不斷優(yōu)化A值。

4 工程驗證

4.1 管線基本信息

檢測管線為長慶油田所轄的南七線部分輸氣管道，管線位于陜西省西安市境內(nèi)，檢測里程2 km，母材焊縫種類為螺旋焊縫。被檢管道的外徑為406 mm，壁厚為8.8 mm，管道材質(zhì)為L360MCS，輸送介質(zhì)為天然氣，設計壓力為6.3 MPa，運行壓力為4.8 MPa。

結(jié)合現(xiàn)場管道的實際情況，管道弱磁檢測流程順序依次為基礎(chǔ)資料的收集與分析、管線勘察與環(huán)境條件分析、管道路由及埋深測繪、管道上方弱磁信號采集、分析數(shù)據(jù)確定取樣坑、異常區(qū)域開發(fā)驗證及依據(jù)取樣位置的數(shù)據(jù)特征給出全管段的損傷程度評價。通過對管道的路由及埋深測量并計算，被檢測管道平均埋深1.83 m，符合管道弱磁信號有效性最大檢測高度要求。

4.2 檢測數(shù)據(jù)分析

檢測儀器的磁信號采集傳感器分布為水平垂直管道軸線方向，即每組數(shù)據(jù)都有6個磁場分量，為方便觀察，只取法向和切向分量做研究。將采集數(shù)據(jù)導入相應分析軟件，可得管道上方的By和Bx。分析所繪制的波形圖，按照管道上方應力集中區(qū)信號特征，切向分量Bx出現(xiàn)最大值，法向分量By出現(xiàn)過零點現(xiàn)象來評價管道應力集中位置。特別地，峰值的正負只是相位差造成的，不影響埋地鐵磁管道應力集中的評價。應力損傷程度和等級評判參照式(3)和式(4)。

從數(shù)據(jù)處理后形切向分量與法向分量隨著里程的變化波形曲線中，結(jié)合應力集中區(qū)的磁信號特征，選取其中2處特征點作為取樣點，特征點1和2的波形圖如圖4所示。其中特征點1的應力異常位置距離檢測起點264.2 m，特征點2的應力異常位置距離檢測起點960.7 m，根據(jù)式(3)和式(4)，特征點1的F值為0.48，特征點2處的F值為0.35，初步判斷特征點1和2處的應力損傷等級為二級。

4.3 取樣校驗

選取對確定的特征點1與特征點2進行開挖取樣校驗，選用8通道的接觸式金屬磁記憶檢測儀TSC - 2M - 8對特征點1的±0.75 m和特征點2的±0.65 m進行管體應力檢測，測量結(jié)果如圖5所示。

圖中dH/dx表示空間磁場強度沿管道軸向的變化率，間接地表征了管道應力變化水平，可根據(jù)dH/dx峰值來判斷應力異常位置。對于特征點1所檢測的1.5 m范圍內(nèi)總體dH/dx水平在42 A/(m·mm)左右，在距離起點位置0.58 m處存在應力異常，dH/dx值達到了179 A/(m·mm)；特征點2所檢測的1.3 m范圍內(nèi)總體dH/dx水平在28 A/(m·mm)左右，在距離起點位置0.62 m處存在應力異常，dH/dx值達到了199 A/(m·mm)。根據(jù)金屬磁記憶劃分的等級，100 A/(m·mm)≤dH/dx<300 A/(m·mm)，該處應力異常屬于二級缺陷，與管道弱磁應力檢測結(jié)果F值判定的應力異常等級相互吻合。由MMM的檢測結(jié)果可知，初始設置的修正系數(shù)在合理范圍之內(nèi)，由該修正系數(shù)可評價管道應力損傷情況，除去檢測途中的干擾源，共檢測出6處二級應力損傷，14處三級應力損傷，無一級損傷。其中在6處二級應力損傷中，結(jié)合管道建設時期的資料與近期內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析，有2處應力異常位置對應的是焊縫位置，1處應力異常為管道內(nèi)壁金屬損失缺陷。

除此之外，如若MMM檢測結(jié)果與管道弱磁應力外檢測技術(shù)檢測結(jié)果所評定的應力損傷等級不一致，可取多個開挖坑來調(diào)整修正系數(shù)A的值，由此可得出除取樣坑外的其他位置較為合理的應力損傷情況。

5 結(jié) 論

(1)基于等效管道應力集中區(qū)的磁偶極子模型，結(jié)合數(shù)值模擬出的波形特征，可用于分析含有應力損傷缺陷的管道的弱磁信號分布規(guī)律。

(2) 通過對長慶油田所轄南七線2 km進行弱磁檢測之后，選取了2個特征點取樣驗證，基于現(xiàn)場使用的MMM檢測數(shù)據(jù)與弱磁應力外檢測的數(shù)據(jù)做分析對比，接觸式金屬磁記憶檢測與管道弱磁應力外檢測結(jié)果相互吻合，結(jié)合近期管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，該技術(shù)的應力集中檢出率在80%以上，檢測結(jié)果表明，管道弱磁應力外檢測技術(shù)能夠有效地檢出并評價管道應力損傷情況，尤其是對管道的宏觀缺陷起一定的預判作用，該技術(shù)可為管道安全管理提供可靠有效的依據(jù)。

(3)管道弱磁應力外檢測技術(shù)針對應力異常區(qū)域有較好的辨別性，除了能檢測微觀應力集中之外，還能檢測由管內(nèi)腐蝕以及焊接區(qū)域的殘余應力引起的應力異常。