電磁渦流檢測技術(shù)在天然氣管道檢測中的應(yīng)用

胡洪宣，劉 鑫，謝崇文，時 楊，冷吉輝

(1.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司 重慶輸油氣分公司，重慶 400000；2.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650200；3.中國石油西南油氣田分公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610041；4.西南石油大學 油與天然氣工程學院，四川 成都 610500)

0 前 言

管道運輸在近年來得到飛速發(fā)展，管道也因此成為運輸石油、天然氣等能源物資的一種重要方式[1]。但隨著管道在役年限的不斷增加，管道經(jīng)常出現(xiàn)老化、腐蝕、穿孔失效等事故，其事故發(fā)生概率也在逐年增加，這些事故不僅威脅著整個管道運輸系統(tǒng)的安全，而且破壞自然環(huán)境、浪費能源、甚至危及人身安全[2]。因此有必要對管道進行定期檢測，以保障管道安全高效運行。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的管道無損檢測技術(shù)主要有超聲波檢測、漏磁檢測、電磁渦流檢測、射線檢測等[3]，這些方法均能在一定程度上檢測出已存在的宏觀缺陷，取得很好的應(yīng)用效果。其中，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外很多學者從數(shù)值模型、傳感器優(yōu)化方面對電磁渦流檢測技術(shù)進行研究[4-9]，但少有針對小管徑、低壓低流速的環(huán)境下利用電磁渦流檢測技術(shù)對管道進行檢測的研究應(yīng)用，電磁渦流技術(shù)在小管徑、低壓低流速環(huán)境下管道中的適用性未知，需要進一步的研究與探討。

因此，本工作針對小管徑、低壓低流速環(huán)境下的管道進行電磁渦流檢測技術(shù)的適應(yīng)性分析。利用電磁渦流檢測器對目標管道進行檢測，采用C掃檢測儀[10]、DR[11]射線數(shù)字成像技術(shù)對電磁渦流檢測結(jié)果的準確性進行開挖驗證，并結(jié)合檢測數(shù)據(jù)對管道缺陷進行完整性評價，為現(xiàn)場小管徑、低壓低流速管道環(huán)境下電磁渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用提供一定參考。

1 電磁渦流檢測

電磁渦流檢測技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測方法[12]，其檢測原理如圖1所示。檢測線圈通電(I1)時產(chǎn)生交變磁場(H1)，當導(dǎo)體與檢測線圈靠近時，產(chǎn)生與線圈相反的感應(yīng)電流(I2)，稱為渦流。導(dǎo)體的自身因素(尺寸、缺陷等)引起渦流及其衍生磁場(H2)的變化，進而改變線圈的阻抗[13]。通過檢測線圈的阻抗變化或電壓效應(yīng)，間接獲得被測管道的表面缺陷和腐蝕狀況。

圖1 電磁渦流檢測原理圖

電磁理論可解釋渦流的基本特征，麥克斯韋方程微分形式如式(1)、(2)所示，其反應(yīng)了磁場強度、電流密度、電位移矢量、磁感應(yīng)強度、電場強度與時間的關(guān)系：

(1)

(2)

其中：?為哈密頓算子；t為時間，s；H為磁場強度，A/m；J為電流密度，A/m2；D為電位移矢量，C/m2；E為電場強度，N/C；B為磁感應(yīng)強度，A/m。

由式(1)、(2)可知，線圈通入電流，產(chǎn)生的磁場會垂直穿過線圈中心。初級磁場B的大小隨線圈所載電流大小而改變，磁通量φ與感應(yīng)電壓成正相關(guān)。另外磁通量與磁場有關(guān)系式：

φ=?B·dS

(3)

式中：φ為磁通量，V·S；S為有效面積，m2。

由式(3)可知，次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使初級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而初級線圈的總磁場受感應(yīng)電流產(chǎn)生的次級磁通的影響，次級磁通的變化使初級線圈產(chǎn)生電壓，即形成互感現(xiàn)象。檢測中用導(dǎo)體代替次級線圈，被測導(dǎo)體、激勵線圈和檢測線圈之間互感，從而引起磁通發(fā)生變化，根據(jù)磁通差值，得到被測導(dǎo)體表面的特征。

φe=φ1-φ2

(4)

式中：φe為有效磁通，V·S；φ1為初級磁通，V·S；φ2為次級磁通，V·S。

電磁渦流檢測可以測定材料電導(dǎo)率，檢查材料尺寸、形狀等，對導(dǎo)電材料的缺陷檢測精度高，可應(yīng)用范圍廣，易于實現(xiàn)管道的高速、自動檢測；同時可用于高溫等其他檢測方法不使用的場合[14]。

2 工程應(yīng)用

2.1 檢測對象及作業(yè)流程

檢測管道為井口至集氣總站的集輸管道，輸送介質(zhì)為含硫濕天然氣，檢測長度20.036 km，全線共計16處穿跨越。管道材質(zhì)為無縫鋼管20鋼，管規(guī)格為φ219.0mm×7.9 mm，設(shè)計壓力8.0 MPa，外涂3PE防腐層，管道采用強制電流陰極保護。管道當前運行壓力1.55 MPa，當前輸量3×104m3/d，流速0.6 m/s，常溫輸送。

電磁渦流檢測器運行作業(yè)流程如圖2所示，在使用檢測器之前需對管道是否符合檢測實施條件進行測試，進行管道中線測繪，對管道的平面和高程位置進行測量，為檢測管道缺陷定位做好輔助工作；同時為保證檢測作業(yè)的順利進行，在實施檢測措施前需進行6次清管道作業(yè)，評價檢測器及檢測數(shù)據(jù)是否完整。

圖2 電磁渦流檢測器運行作業(yè)流程圖

2.2 檢測結(jié)果分析

電磁渦流檢測器在小管徑低壓低流速管道環(huán)境中進行檢測后，通過對檢測數(shù)據(jù)進行分析處理，共計檢出內(nèi)部金屬損失102處。根據(jù)表1分析可知，管道內(nèi)部金屬損失深度主要集中在20%wt(wt為壁厚)～40%wt范圍內(nèi)，數(shù)量為55處，占比為53.920%；其次，深度范圍為20%wt以下的深度缺陷數(shù)量為34處，占比為33.330%，深度范圍為60%wt以上內(nèi)部金屬損失較重區(qū)域有1處，占比為1.098%。

表1 管道內(nèi)部金屬損失深度統(tǒng)計表

為了分析管道內(nèi)部金屬損失在里程上的分布情況，繪制了管道內(nèi)部金屬損失分布平面圖，如圖3所示。由圖3可知，管道內(nèi)部金屬損失分布區(qū)域主要集中在0～4 km、6～10 km、14～18 km范圍內(nèi)，而在其余管段并未檢測出有內(nèi)部金屬損失現(xiàn)象，由此可縮小監(jiān)控范圍，對這3段管段進行重點監(jiān)管。

圖3 管道內(nèi)部金屬損失分布平面圖

此外，為了更好地分析內(nèi)腐蝕發(fā)生的原因，將管道內(nèi)部金屬損失缺陷與管道高程結(jié)合分析得到金屬損失在管道高程上的分布圖，如圖4所示。由圖4可知，管道內(nèi)部金屬損失主要分布在管道低洼處(圖4中方框處)和上坡段，因此初步可以判斷該段管道在低洼處和上坡處存在內(nèi)腐蝕的可能性較大。

圖4 管道內(nèi)部金屬損失高程分布圖

2.3 缺陷開挖驗證

為了驗證電磁渦流檢測技術(shù)在小管徑低壓低流速管道環(huán)境下的準確性，現(xiàn)采用各具優(yōu)勢的C掃技術(shù)和DR數(shù)字成像技術(shù)對檢測結(jié)果中比較典型的11處進行了現(xiàn)場開挖驗證，現(xiàn)場開挖驗證取點表如表2所示，其中前5個缺陷點通過C掃技術(shù)進行開挖驗證，后6個缺陷點采用DR數(shù)字成像技術(shù)進行開挖驗證。

表2 現(xiàn)場開挖驗證取點表

2.3.1 C掃驗證

利用C掃檢測儀器(PHASGAN 32/128PR)對已開挖缺陷點D25、D26、D33、D36、D39進行驗證，由于C掃儀器對缺陷深度很敏感[15]，而對長寬不敏感，因此本次對比驗證主要對比深度指標，C掃驗證結(jié)果如表3所示，括號中數(shù)據(jù)為C掃實測缺陷處真實壁厚。

表3 C掃驗證結(jié)果對比表

以開挖缺陷點D36為例經(jīng)C掃描對管道進行面投影，分析得到該管道D36處有內(nèi)壁厚度不均勻的情況，所測數(shù)據(jù)最小值為5.8 mm(與公稱壁厚相差2.1 mm)。由于本次電磁渦流檢測器的檢測精度為±20%，從表3中的驗證結(jié)果分析，D25、D26、D33、D36、D39缺陷的深度誤差最大為18.68%，最小為-0.32%，因此，C掃檢測結(jié)果驗證電磁渦流檢測滿足精度指標要求。

C掃檢測法驗證發(fā)現(xiàn)，5個缺陷點的深度指標皆滿足電磁渦流檢測器的精度指標要求，說明該檢測器對于內(nèi)部缺陷的量化是可靠的，也說明該項檢測技術(shù)對于油氣田技術(shù)管道的內(nèi)腐蝕檢測具有有效性及準確性。從C掃實際檢測數(shù)據(jù)與電磁檢測數(shù)據(jù)深缺陷度對比來看，C掃結(jié)果數(shù)據(jù)偏小，這是因為C掃檢測數(shù)據(jù)的準確性與探頭耦合狀況、水層氣泡、管壁平整度都有關(guān)，若耦合效果不佳會造成數(shù)據(jù)不真實，氣泡的存在則會造成數(shù)據(jù)偏小。但從檢測手段結(jié)果來看，電磁渦流檢測技術(shù)的檢測精度能滿足檢測精度指標要求。

2.3.2 DR驗證

利用DR射線數(shù)字成像技術(shù)對D43、D45、D46、D72、D73共計5處缺陷點進行開挖驗證，DR檢測技術(shù)對缺陷深度不敏感，因此不考慮深度指標[16]，只考慮長和寬的指標。DR檢測驗證結(jié)果如表4所示。

表4 DR檢測驗證結(jié)果對比表

以開挖缺陷點D46為例，經(jīng)DR檢測，在該管道D46處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷長度和寬度均為1.66 mm。從表4中DR驗證結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，DR檢測的5處缺陷中，D45的寬度指標和D73的長度指標超出了±45 mm的誤差范圍，其余的指標均在誤差范圍內(nèi)。超出誤差的原因可能是在管道檢測時，由于氣壓不穩(wěn)定造成電磁渦流檢測器時走時停導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差，或檢測器探頭脫落、損壞對數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響。

2.4 缺陷完整性評價

金屬損失特征被描述為導(dǎo)致局部壁厚減小的體積性缺陷。該類缺陷由腐蝕行為或制管/管道建設(shè)過程所造成。當特征能夠明確地被確定為由于制造所致時，該特征即被識別為制造缺陷。為便于對缺陷進行評估，將所有被標為金屬損失的特征都保守地假定其為腐蝕成因，并對其進行相應(yīng)的評估。

2.4.1 內(nèi)腐蝕增長速率分析

若管道中含有微量水，管道中的游離水在管壁上形成親水膜，管道輸送介質(zhì)中含硫，溶于水，形成原電池，進而導(dǎo)致了電化學腐蝕，造成管壁大面積減薄或形成一系列深坑，易導(dǎo)致腐蝕穿孔。

使用全壽命腐蝕速率方法分析內(nèi)部腐蝕增長速率。該方法假定管道內(nèi)腐蝕環(huán)境未發(fā)生較大變化，內(nèi)部腐蝕是活性的，并且自從管道開始投產(chǎn)時就已開始線性增長。通過式(5)計算全壽命腐蝕速率：

(5)

式中：PD為深度百分比，%wt；wt為壁厚，mm。

根據(jù)腐蝕速率計算公式計算繪制出腐蝕速率分布圖，如圖5所示，從圖5可知，管道內(nèi)部腐蝕全壽命最大增長速率和平均增長速率分別為0.452 mm/a和0.074 mm/a。

圖5 腐蝕速率分布圖

同時，假定管道內(nèi)腐蝕環(huán)境未發(fā)生變化，依據(jù)每個內(nèi)腐蝕特征自有的腐蝕速率按全壽命方法發(fā)展，得到5 a后管道內(nèi)腐蝕深度沿管道長度方向的分布圖，如圖6所示，依據(jù)腐蝕速率發(fā)展，5 a后管道相對壁厚的最大內(nèi)腐蝕深度損失將可能由61%wt增長到89.58%wt。

圖6 5 a后內(nèi)腐蝕深度分布圖

2.4.2 缺陷剩余強度評價

檢測管道設(shè)計壓力為8 MPa，當前運行壓力為1.55 MPa，管道壁厚為7.9 mm，材質(zhì)為20號鋼。用ASME B31G-2012評估方法對內(nèi)腐蝕分別進行檢測時的缺陷剩余強度評價、5 a后缺陷剩余強度評價，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 檢測時缺陷剩余強度評價 Fig.7 Residual strength evaluation of defects during inspection

圖8 5 a后缺陷剩余強度評價

從圖7可以看出，檢測時并未有缺陷超出安全評定曲線，若腐蝕環(huán)境未發(fā)生變化，則5 a后會出現(xiàn)一部分缺陷超出安全評定曲線的情況，如圖8所示，因此在檢測后5 a內(nèi)需進一步對管道進行檢測和維修措施。

3 結(jié) 論

本工作主要探討了電磁渦流檢測器對于小管徑、低壓低流速的油氣田集輸管道的適用性，并進行了缺陷完整性評價。通過C掃技術(shù)和DR成像技術(shù)對電磁渦流檢測數(shù)據(jù)進行驗證，結(jié)果表明電磁渦流檢測器對于管道內(nèi)部金屬損失缺陷深度較為敏感，能夠有效識別出金屬減薄，但對缺陷長度、寬度存在一定的誤差。通過缺陷完整性評價結(jié)果分析，管道運行5 a后，管道最大內(nèi)腐蝕深度損失將可能由61%wt增長到89.58%wt，此外，缺陷剩余強度將會超過安全評定界線，需在檢測后5 a內(nèi)采取進一步的檢測和維修措施。