劉清泉

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司特種設(shè)備檢驗所，北京 100013)

0 引言

眾所周知，應(yīng)力集中區(qū)域是因腐蝕、疲勞、強(qiáng)烈塑性變形等因素,而導(dǎo)致材料損壞的主要發(fā)源位置。應(yīng)力集中區(qū)域的出現(xiàn)可以歸入著名的能量守恒法則。任何鐵磁部件在大地磁場和內(nèi)部應(yīng)力雙重條件作用下，會產(chǎn)生出實際的磁質(zhì)特性。其能量的轉(zhuǎn)移就發(fā)生在材料的臨近層之間，以及依照于金屬的結(jié)構(gòu)、處理工藝、熱處理方法和磁致伸縮控制等因素，出現(xiàn)的駐留應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)。對于埋地的鋼制管道來說，能夠檢測出應(yīng)力集中的區(qū)域，那就能夠標(biāo)示出管道可能發(fā)生危害的區(qū)域。

當(dāng)前大多數(shù)管道完整性檢測技術(shù)都是基于對缺陷的物理特征實施檢測，最新的磁力層析檢測技術(shù)在對管道的檢測有了突破性的新進(jìn)展，它通過對鐵磁性材料的磁記憶特征來檢測管體上缺陷應(yīng)力集中區(qū)域。該技術(shù)檢測的是鐵磁性金屬上磁場的強(qiáng)度，這個磁場的分布與應(yīng)力集中有著直接的關(guān)聯(lián)，而應(yīng)力的集中又是由管體上對應(yīng)的缺陷所引起的。高靈敏傳感器和磁力層析診斷軟件的開發(fā)，提供了在不接觸管道的條件下，檢測和診斷鐵磁金屬管道適用性的能力。非接觸式MTM技術(shù)的優(yōu)越性在于對那些不可進(jìn)行內(nèi)檢測的管道進(jìn)行管體缺陷檢測，以及對可內(nèi)檢的管道進(jìn)行驗證性補(bǔ)充性檢測。

1 磁力層析檢測原理

圖1 鐵磁性物質(zhì)的磁彈性效應(yīng)

磁力層析檢測技術(shù)應(yīng)用的是鐵磁性材料的磁記憶現(xiàn)象，而發(fā)生磁記憶現(xiàn)象的根本原因是鐵磁性物質(zhì)具有磁彈性效應(yīng)如圖1。它是指鐵磁性材料在磁力的作用下，物體的形狀發(fā)生變化，反之在外力作用下鐵磁性材料的磁性也會改變。

圖2 管道缺陷處的漏磁場

地球是一個巨大的磁體，鋼制管道埋設(shè)在地球的土壤中會受到地磁場的磁化作用，從而產(chǎn)生磁場具有磁性如圖2。如果埋設(shè)在土壤中的管道存在缺陷，同時管道中有周期性變化的負(fù)荷壓力。那么在壓力增大的過程中，管體的缺陷處就會形成較大的內(nèi)應(yīng)力。由于鐵磁物質(zhì)的磁彈性效應(yīng)，在管道內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，管道缺陷處的磁場增強(qiáng)，產(chǎn)生外漏的磁場也叫漏磁場。當(dāng)管道中壓力減小時，缺陷處的應(yīng)力減小，該處的磁場也隨之變小，但由于鐵磁性材料存在磁滯效應(yīng)，該處的磁場無法恢復(fù)到原來的數(shù)值，而是比原磁場強(qiáng)度少量的增大。

當(dāng)管道壓力發(fā)生周期性變化時，管道缺陷處的磁場就會不斷的增強(qiáng)，管道在這個過程中相當(dāng)于記憶了以前磁場的強(qiáng)度并且不斷的增強(qiáng)，這過程也就是管道的磁記憶的過程。由于管道缺陷處的磁場強(qiáng)度不斷的累計，并且鐵磁性的管道即使在管道中的壓力不復(fù)存在的情況下，也能夠?qū)⒃摯艌龅膹?qiáng)度保持，所以通過靈敏的磁力計，可以在管道的上方檢測該磁場，從而標(biāo)定管道的缺陷位置。

圖3 管道缺陷漏磁場分布

在周期性壓力作用下，管道缺陷處的磁場不斷的增強(qiáng)。如果使用磁力計沿管道路由方向進(jìn)行測量，管道缺陷處的漏磁場分布規(guī)律是在測量的垂直方向上，即圖3中所示的Hp(x)方向漏磁場存在最大值，在平行管道的Hp(y)方向漏磁場存在零值。磁力儀探測和記錄該磁場的垂直和水平分量，再傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，使用專用的軟件進(jìn)行分析，就可以檢測到管道中的應(yīng)力集中區(qū)域，即管道缺陷區(qū)域。

2 管道狀況概述

某次高壓A燃?xì)夤艿?，建設(shè)于1998年管道運(yùn)行參數(shù)，見表1。使用單位反映管道的內(nèi)外腐蝕狀況較為嚴(yán)重，急需進(jìn)行一次徹底系統(tǒng)的檢測。對檢測中所存在的問題及時進(jìn)行開挖，根據(jù)管道腐蝕狀況進(jìn)行維護(hù)維修。

表1 管道原始信息

3 磁力層析檢測技術(shù)實踐

3.1 檢測工具

圖4 磁力層析檢測用磁力計

本次檢測使用的檢測工具為磁力層析檢測儀如圖4所示，該儀器為非接觸式磁力掃描裝置，內(nèi)部設(shè)置3組磁通門式磁力計，性能參數(shù)，見表2。

表2 非接觸掃描式磁力計性能參數(shù)

3.2 檢測過程

圖5 管道路由探測

圖6 管道磁力層析檢測

2014年2月檢測人員在北京地區(qū)使用非接觸式磁力掃描儀，對總長度為2.3Km的埋地管道成功實施了磁力層析檢測。首先檢測人員使用管線定位儀對所要檢測的目標(biāo)管線進(jìn)行路由定位如圖5所示，然后使用磁力掃描儀沿著管道的路由進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集如圖6所示。在檢測過程中對管道的標(biāo)示物(測試樁、標(biāo)識樁)、周圍設(shè)施(輸電線路)等進(jìn)行GPS定位，完成現(xiàn)場的磁力層析數(shù)據(jù)的采集后，進(jìn)行將檢測數(shù)據(jù)輸入專用的檢測軟件進(jìn)行分析處理形成檢測結(jié)果，根據(jù)分析的結(jié)果在現(xiàn)場實施開挖驗證工作。

圖7 磁力層析檢測數(shù)據(jù)

圖8 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表3 磁力異常分級

3.3 檢測數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場使用非接觸式磁力計在管道上方沿著路由進(jìn)行檢測，磁力計會獲取磁場矢量數(shù)據(jù)如圖7、8所示。將該檢測數(shù)據(jù)輸入磁力層析檢測的專用軟件后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。根據(jù)管道上方的磁場變化情況，并且結(jié)合現(xiàn)場實際情況，最終形成管道磁異常位置、缺陷類型和等級等結(jié)果。軟件分析結(jié)果為管道異常等級共分為三級，分級情況及維護(hù)建議如表3所示。

3.4 檢測結(jié)果

表4 管道檢測結(jié)果分級

此次燃?xì)夤艿赖拇帕游鰴z測，共檢測管道長度為2.3Km，其中如表4所示：磁力異常評價等級為“一級”的0處；磁力異常評價等級為“二級”的9處，總長度為49m，占整個管線長度的2.13%；磁力異常評價等級為“三級”的24處，總長度為96m，占整個管線長度的4.17%。

3.5 開挖驗證

圖9 管道開挖驗證現(xiàn)場

根據(jù)管道檢測結(jié)果選擇3處異常等級不同的位置進(jìn)行開挖驗證，其中選擇磁力異常評價等級為“二級”的1處；磁力異常評價等級為“三級”的2處。開挖驗證的目的是一方面判斷磁力層析技術(shù)在實施管道檢測時所定位的位置是否準(zhǔn)確；另一方面是檢測評價的等級與直接檢測儀器的結(jié)果是否吻合。

磁力層析技術(shù)方法驗證的過程如圖9，首先，根據(jù)軟件分析的檢測結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場查找，確定磁力異常區(qū)段，現(xiàn)場標(biāo)示該區(qū)段；其次，實施管道開挖工作去除管道防腐層，并對管道管體進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰?；再次，使用接觸式磁力儀對管道上的應(yīng)力情況進(jìn)行檢測，劃分應(yīng)力集中區(qū)域(磁異常區(qū)域)；最后，在該區(qū)域內(nèi)使用超聲波測厚儀對管道壁厚進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果判斷管道金屬損失量。

1#號探坑開挖及測量情況

圖10 管體腐蝕損傷狀況(大面積腐蝕)

圖11 蝕坑深度測量

1號探坑管道埋設(shè)深度為1.34米，管道周圍土壤為黃色粘土，土壤含水率較低。開挖后去除管道上的石油瀝青玻璃布防腐層，對管體進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰ズ?，使用超聲波測厚儀在管道徑向取四個點測量管道壁厚，四次測量的平均為10.1mm。

管道管體檢測 人員經(jīng)視覺檢測發(fā)現(xiàn)，在管道的焊縫處管體有大面積較為均勻的腐蝕如圖10所示。管體腐蝕面積為管道軸向最長為15.4cm，管道徑向最長為11.2cm，最大的蝕坑深度為2.1mm如圖11所示。磁異常評價為“三級”，腐蝕損傷量為21%，符合磁異常評價分級中金屬的損失比例。

2#號探坑開挖及測量情況

圖12 管體腐蝕蝕坑

圖13 管體變形下陷

2號探坑管道埋設(shè)深度為1.52米，管道周圍土壤為黃色粘土，土壤含水率較低。開挖長度為4.3m，開挖后去除防腐層，對管體進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰ズ?，使用超聲波測厚儀在管道徑向取四個點測量管道壁厚，四次測量的平均為9.9mm。

管道經(jīng)視覺檢測發(fā)現(xiàn)，在該處管道有1處管體蝕坑如圖12所示，最蝕坑深度為2.3mm；有管體下陷1處如圖13所示，下陷深度5mm。磁異常評價為“三級”，腐蝕損傷量為23%，符合磁異常評價分級中的金屬損失比例。

3#號探坑開挖及測量情況

圖14 管體腐蝕蝕坑

圖15 蝕坑修復(fù)

3號探坑管道埋設(shè)深度為1.47米，管道周圍土壤為黃色粘土，土壤含水率較低。開挖長度為5.2米，開挖后去除防腐層，對管體進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰ズ?，使用超聲波測厚儀測量管道壁厚，測量值為9.9mm。

管道經(jīng)視覺檢測發(fā)現(xiàn)，在該處管道有2處管體蝕坑如圖14所示，1處蝕坑深度為3.6mm，腐蝕損傷量為36%，由于管道管體腐蝕減薄嚴(yán)重，管道管理方組織施工人員對管體進(jìn)行修補(bǔ)如圖15所示；有管體下陷1處下陷深度1.3mm，腐蝕損傷量為13%。磁異常評價為“二級”符合磁異常評價分級中的金屬損失比例。

3.6 結(jié)論

對磁力層析檢測技術(shù)所檢測結(jié)果的3次開挖驗證證明，磁力層析檢測技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)管道的應(yīng)力集中區(qū)域，通過管道上應(yīng)力集中區(qū)域可以判斷出管道存在的問題，造成管道應(yīng)力集中的原因除腐蝕外，還包括管道制造或施工造成的缺陷；同時磁力層析檢測技術(shù)對管道磁異常評價中金屬損失比率的判定也符合實際檢測的結(jié)果。

4 結(jié)束語

磁力層析檢測技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)的管道管體檢測技術(shù)，它能夠在非開挖的情況下對無法實施內(nèi)檢測的管道進(jìn)行管體檢測。并且與內(nèi)檢測技術(shù)相比較，檢測前無需對管道實施清官作業(yè)，對管道的幾何尺寸幾乎沒有要求，同時檢測過程中對管道的運(yùn)行狀態(tài)沒有影響，可在任何需要檢測的管段進(jìn)行檢測。該檢測技術(shù)應(yīng)用靈活受限極少，十分適合油田、燃?xì)夤镜裙艿拦芾矸綄λ牴艿肋M(jìn)行檢測。它所應(yīng)用的非接觸式磁力計能夠檢測管道周圍的磁場變化情況，通過磁場的變化來判斷管道由于缺陷等造成的磁力異常，即可實現(xiàn)管道缺陷位置定位。另外該檢測技術(shù)還能夠檢測出漏磁內(nèi)檢不能發(fā)現(xiàn)的疑似裂紋、應(yīng)力變形等缺陷。通過大量的開挖及驗證表明，該檢測技術(shù)缺陷結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。但是該檢測技術(shù)在應(yīng)用的過程中也存在不足，它對不同的缺陷類型無法進(jìn)行明確的區(qū)分；檢測所定位的缺陷為區(qū)段，需要開挖的范圍較大，增加了開挖的難度及費(fèi)用。不過相信通過腐蝕行業(yè)科技的不斷進(jìn)步和廣大同仁對新技術(shù)的不斷開發(fā)和應(yīng)用，逐步完善該檢測技術(shù)，進(jìn)一步的提高檢測的精度，最終能夠解決該技術(shù)的不足。

通過本次磁力層析檢測技術(shù)在次高壓燃?xì)夤艿郎系膶嵺`應(yīng)用，管道管理方對管道的整體狀況有了深入的掌握，同時通過開挖驗證證明該檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性。檢測人員通過對該檢測技術(shù)的實踐，加深了對檢測技術(shù)的了解，未來能夠更好的應(yīng)用該檢測技術(shù)，對所管轄的管道實施檢測，確保管道的安全運(yùn)行。

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