羅順友，王 鼎，周曉瑩，楊 毅

（1.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河南鄭州 451450；2.中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊 065000；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100010）

基于磁記憶技術(shù)的油氣管道缺陷檢測(cè)研究

羅順友1，王 鼎2，周曉瑩3，楊 毅3

（1.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河南鄭州 451450；2.中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部，河北廊坊 065000；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心，北京 100010）

采用金屬磁記憶方法對(duì)管道缺陷進(jìn)行精確測(cè)定，是當(dāng)前無損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。文章介紹了磁記憶檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)和原理，分析了采用磁記憶儀檢測(cè)油氣管道缺陷的結(jié)果，并對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響因素進(jìn)行了研究。檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，磁記憶檢測(cè)儀能比較準(zhǔn)確地定位管道缺陷；提離對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)的影響比較明顯，隨著提離值的增加，磁場(chǎng)信號(hào)越來越弱；掃描速度對(duì)檢測(cè)信號(hào)影響較??；不同的檢測(cè)姿態(tài)對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征值的影響效應(yīng)存在較大差異，這對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征量的提取極為不利，建議開發(fā)三維探頭進(jìn)行檢測(cè)。

油氣管道；缺陷檢測(cè)；金屬磁記憶；無損檢測(cè)

0 引言

工程實(shí)踐證明，鋼質(zhì)油氣管道在長(zhǎng)期使用后，由于金屬管壁受到流體沖刷、電化腐蝕、疲勞破壞、自然與人為因素以及管材本身潛在缺陷等影響，會(huì)出現(xiàn)管徑變化、機(jī)械裂紋和腐蝕穿孔等問題，最終導(dǎo)致輸送效率降低、輸送介質(zhì)泄漏等惡性安全事故發(fā)生。開展埋地管道綜合檢測(cè)技術(shù)研究，進(jìn)行科學(xué)有效的檢測(cè)以及制訂綜合檢測(cè)技術(shù)與方案，具有重要意義。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是迄今為止在管道早期診斷方面唯一可行的無損檢測(cè)方法。該方法基于地磁場(chǎng)環(huán)境中鐵磁性管道受工作載荷作用出現(xiàn)磁疇組織定向和不可逆取向現(xiàn)象，通過檢測(cè)應(yīng)力集中或變形區(qū)形成的漏磁場(chǎng)變化即可進(jìn)行缺陷的預(yù)報(bào)和檢測(cè)[1]。采用金屬磁記憶方法對(duì)管道缺陷進(jìn)行精確測(cè)定，是當(dāng)前油氣管道狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文深入分析了磁記憶檢測(cè)的基本原理與優(yōu)勢(shì)，對(duì)磁記憶檢測(cè)儀用于油氣管道缺陷檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)磁記憶檢測(cè)的性能及檢測(cè)效果進(jìn)行了分析；研究了磁記憶檢測(cè)儀在檢測(cè)中的影響因素，為磁記憶技術(shù)在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程檢測(cè)中的應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。

1 磁記憶檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

磁記憶檢測(cè)法與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法相比最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以檢測(cè)出構(gòu)件上應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力集中的程度，為檢測(cè)缺陷的存在和發(fā)展、防止災(zāi)難性事故的發(fā)生、進(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命的早期診斷提供依據(jù)。磁記憶檢測(cè)法是目前對(duì)在役設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行早期檢測(cè)診斷唯一可行的檢測(cè)、評(píng)價(jià)方法。

金屬磁記憶檢測(cè)方法與傳統(tǒng)的磁學(xué)檢測(cè)方法相比，具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用地球磁場(chǎng)，無需專門的磁化設(shè)備，從而使檢測(cè)設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、成本低。

（2）不需對(duì)鐵磁性構(gòu)件和被檢設(shè)備的表面進(jìn)行特殊處理，可以減少工序，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短檢測(cè)工期。

（3）在檢測(cè)中可快速確定應(yīng)力集中區(qū)域，適用于大面積的普查，可以快速發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生缺陷的部位。

（4）原理可靠，特征信號(hào)明顯，檢測(cè)速度快，適合于在線檢測(cè)，去除人為因素，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性高。

（5）與超聲波檢測(cè)相比，傳感器與被測(cè)表面之間不需要填充耦合劑，因此不存在耦合劑污染的問題。

（6）檢測(cè)時(shí)探頭與被檢測(cè)工件不接觸，且檢測(cè)靈敏度高于其他磁性檢測(cè)方法。

（7）與漏磁檢測(cè)相比，磁記憶檢測(cè)的激勵(lì)源為大地磁場(chǎng)，因此磁記憶檢測(cè)不需要專門的磁化設(shè)備，并且靈敏度相當(dāng)高。而漏磁檢測(cè)需要一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)作為激勵(lì)源，并且要求能夠?qū)Ρ粰z工件進(jìn)行飽和磁化，這就決定了漏磁檢測(cè)設(shè)備比磁記憶檢測(cè)設(shè)備要復(fù)雜得多。

2 磁記憶檢測(cè)的原理

圖1為處于地磁作用下的鐵磁工件，在載荷的作用下，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)Hp的變化。

圖1 磁記憶檢測(cè)原理示意

從圖1可以看出，漏磁場(chǎng)的水平分量Hp（x）關(guān)于y軸對(duì)稱，而垂直分量Hp（y）關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱且過零值點(diǎn)，因而在σmax即應(yīng)力最大位置處有：Hp軸向=Hpmax， Hp徑向=0， 即表面漏磁場(chǎng)的切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。通過檢測(cè)構(gòu)件表面的宏觀漏磁場(chǎng)即可檢測(cè)到試件內(nèi)部應(yīng)力集中的存在及應(yīng)力集中的程度。實(shí)際中通過漏磁場(chǎng)法向分量Hp（y）的測(cè)定，便可以準(zhǔn)確地推斷工件的應(yīng)力集中區(qū)。

漏磁場(chǎng)Hp與機(jī)械應(yīng)力的變化Δσ之間的關(guān)系為[2-3]：

式中 Δσ——應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度/MPa；

μ0——真空磁導(dǎo)率/（N/A2）；

λH——磁彈性效應(yīng)的不可逆分量/（A/MPa），它是一個(gè)取決于機(jī)械應(yīng)力、外磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度的函數(shù)，如果測(cè)得某鋼種在常溫下的λH值，并測(cè)量試件的磁記憶信號(hào)后，則可利用上述公式，就可以導(dǎo)出缺陷部位周圍的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度；

R——管道試件的半徑/m；

Hp——漏磁場(chǎng)強(qiáng)度/（A/m）；

Δz——試件徑向尺寸/m。

3 采用磁記憶檢測(cè)儀檢測(cè)油氣管道缺陷結(jié)果分析

金屬磁記憶檢測(cè)儀主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他輔助部件組成。傳感器主要由磁敏傳感器、溫度傳感器、測(cè)速傳感器等組成，是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，將磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由CPU系統(tǒng)、濾波器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器、顯示及鍵控裝置等組成。

為盡可能地貼近輸油管道缺陷的實(shí)際情況，利用直徑為219 mm的無縫鋼管加工試驗(yàn)掛片。用管道切割器將2 m的輸油管道切割成5段，每段長(zhǎng)400 mm，采用線切割和電火花加工工藝方法在試驗(yàn)管道上加工制作不同形狀、不同深度和不同方向的人工缺陷，模擬管道的腐蝕坑、裂紋缺陷。缺陷加工完成后對(duì)管道試驗(yàn)掛片進(jìn)行退磁處理，消除加工過程中產(chǎn)生的剩磁。在萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試驗(yàn)管道施加125 kN后卸載，然后再次加載，反復(fù)上述過程10次，完成試驗(yàn)管道的應(yīng)力加載。

漏磁場(chǎng)的具體分布見圖2和圖3。

圖2 漏磁場(chǎng)垂直分量Hp（y）

圖3 漏磁場(chǎng)水平分量Hp（x）

圖中橫坐標(biāo)表示檢測(cè)的長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示漏磁場(chǎng)垂直分量Hp（y）；C點(diǎn)是試驗(yàn)管道缺陷的中心位置；從檢測(cè)結(jié)果來看，漏磁場(chǎng)的垂直分量Hp（y）曲線關(guān)于缺陷表面中心位置是基本對(duì)稱的，漏磁場(chǎng)Hp在缺陷兩側(cè)距離缺陷中心15 mm左右的位置出現(xiàn)峰值；峰值大小分別為Hpmin=-128 A/m；Hpmax=156 A/m，即圖中的A點(diǎn)和B點(diǎn)。圖中圓圈位置是信號(hào)Hp過零值點(diǎn)的位置，與缺陷中心線相差6～7 mm；隨著與峰值點(diǎn)距離的增加，漏磁場(chǎng)垂直分量迅速減小。而圖3中的磁場(chǎng)水平分量曲線是關(guān)于缺陷位置的軸對(duì)稱，在缺陷的表面中心位置有極大值，隨著與表面中心位置距離的增加，漏磁場(chǎng)垂直分量迅速減小為負(fù)值，然后緩慢增大，趨于零。

檢測(cè)結(jié)果表明，磁記憶檢測(cè)儀能比較準(zhǔn)確定位管道缺陷。

4 磁記憶檢測(cè)的影響因素研究

目前利用智能磁記憶檢測(cè)儀對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)識(shí)別和缺陷重構(gòu)是難點(diǎn)，而造成這一難點(diǎn)的是磁記憶檢測(cè)的影響因素多，影響效應(yīng)繁雜。因此，研究金屬磁記憶檢測(cè)各因素對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響效應(yīng)對(duì)推動(dòng)磁記憶檢測(cè)定量化研究和缺陷識(shí)別具有重要的意義。本文研究了提離值、檢測(cè)速度及檢測(cè)姿態(tài)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。

4.1 提離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

提離對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)的影響是比較明顯的，如圖4所示，隨著提離值的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量Hpmax、Hpmin及其梯度Kpmax越來越小，并且開始時(shí)減小的速度比較快，隨著提離值增大，減小的速度變慢，即磁場(chǎng)強(qiáng)度及其梯度曲線越平緩。Hpmax、Hpmin和Kpmax在提離值為4 mm時(shí)開始趨于平緩，并且在4～7 mm之間信號(hào)比較明顯，提離值大于7 mm后信號(hào)較弱，不利于檢測(cè)信號(hào)特征值的分析判斷，即磁記憶檢測(cè)過程中的最佳提離范圍為4～7mm。磁

圖4 磁記憶檢測(cè)信號(hào)和隨提離值的變化趨勢(shì)

4.2 掃描速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

在其他條件相同的情況下，只是掃描速度不同，使用磁記憶檢測(cè)儀，對(duì)管道試件進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，檢測(cè)速度分別設(shè)為10 mm/s、30 mm/s、50 mm/s 和 70mm/s， Hpmin、 Hpmax、 Kpmax的數(shù)值變化見表1。

表1 Hpmin、Hpmax以及Kpmax隨掃描速度的變化關(guān)系

從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看到，掃描速度對(duì)Kpmax、Hpmax及Hpmin有一定的影響，但是影響較??；該影響可能與試件表面的粗糙度有關(guān)；總的來說，掃描速度對(duì)磁記憶檢測(cè)的效果影響很小。檢測(cè)速度的確定要依據(jù)被測(cè)試件表面的狀況，要保證檢測(cè)時(shí)傳感器與試件表面的距離保持定值。磁記憶檢測(cè)儀受掃描速度影響較小的原因在于磁記憶檢測(cè)的信號(hào)是試件自身的散射磁場(chǎng)，其檢測(cè)速度只受試件表面狀況以及掃描傳感器和信號(hào)處理元件的反應(yīng)速度的影響。

4.3 檢測(cè)姿態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

磁記憶管道檢測(cè)儀在管內(nèi)運(yùn)行時(shí)，管道走向的水平狀態(tài)決定了檢測(cè)儀運(yùn)行姿態(tài)，在不同的爬行狀態(tài)時(shí)，與管道軸向保持垂直的磁記憶檢測(cè)探頭與地磁場(chǎng)水平面的角度必然發(fā)生變化，而這種變化必然對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響。試驗(yàn)測(cè)量并分析了檢測(cè)姿態(tài)對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響效應(yīng)，結(jié)果見表2。

表2 Hpmin、Hpmax、Kpmax隨檢測(cè)姿態(tài)的變化

通過對(duì)檢測(cè)姿態(tài)的試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)姿態(tài)對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響效應(yīng)為：Hpmax在水平狀態(tài)和垂直狀態(tài)并沒有特別顯著的變化；Hpmin受檢測(cè)姿態(tài)的影響比較明顯，在水平狀態(tài)信號(hào)比較穩(wěn)定，隨著角度增加，磁記憶檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定特征值ΔHpmin逐漸增大；Kpmax受檢測(cè)姿態(tài)的影響是隨姿態(tài)角度的增加，信號(hào)越來越弱。

由此可見，不同的檢測(cè)姿態(tài)對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征值的影響效應(yīng)存在較大的差異，這對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)特征量的提取極為不利，出現(xiàn)這種情況的主要原因是磁記憶檢測(cè)探頭目前還處于1維和2維檢測(cè)，如果能夠開發(fā)研究3維檢測(cè)探頭，就能夠提取更多有效的特征量，并對(duì)特征量進(jìn)行篩選，更好地避免姿態(tài)角度的影響。

5 結(jié)束語

本文研究了金屬磁記憶檢測(cè)的基本機(jī)理和檢測(cè)信號(hào)的特征量，對(duì)磁記憶檢測(cè)儀用于油氣管道缺陷檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)磁記憶檢測(cè)的性能及檢測(cè)效果進(jìn)行了分析；研究了磁記憶檢測(cè)儀在檢測(cè)中的影響因素，為磁記憶技術(shù)在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程檢測(cè)中的應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。

[1]王麗，馮蒙麗，丁紅勝，等．金屬磁記憶檢測(cè)原理和應(yīng)用[J].物理測(cè)試，2007，25（2）：20-30.

[2]Chechkol I.Using the method of magnetic memory of metal to evaluate the service life of the items of power equipment at the Konakovo District Power Station[J].Thermal Engingeering,2002,49（12）∶1028-1031.

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Study on Defect Inspection of Oil-gas Pipelines Based on Metal Magnetic Memory Technique

LUO Shun-you（Third Engineering Branch of China Petroleum Pipeline Co.,Zhengzhou 451450,China）WANG Ding， ZHOU Xiao-ying， et al.

Applying the metal magnetic memory （MMM）method to accurately inspect pipeline defects is a hotspot and a difficult point in current nondestructive testing research.In this paper,the dominance and principle of MMM inspection method is introduced,the inspection data of oil-gas pipeline defects obtained from the MMM instrument and the factors affecting MMM inspection are analyzed.The experimental results show that the MMM instrument can locate pipeline defects with better accuracy;probe lift-off has an evident effect on MMM inspection and the magnetic field signals become weaker with the increase of probe lift-off;scanning speed has less effect on inspection signals;bigger discrepancy exists among eigenvalues of MMM inspection signals from probe at different poses which affects the pick-up of eigenvalues of MMM inspection signals.It is suggested that the 3D probe should be developed for better MMM inspection.

oil-gas pipelines;defect inspection;metal magnetic memory;nondestructive testing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.014

羅順友 （1974-），男，河南鄭州人，工程師，1998年畢業(yè)于西南石油學(xué)院，主要從事石油地面工程施工及管理工作。

2011-08-29；

2012-06-18