饒曉龍，孟永樂，宋日生，胡　博，于潤橋，*

（1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌330063；2.西安熱工研究院有限公司，西安710032；3.中國石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢測研究院，四川廣漢618300）

金屬埋地管道被動式弱磁檢測技術(shù)研究

饒曉龍1，孟永樂2，宋日生3，胡博1，于潤橋1，*

（1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌330063；2.西安熱工研究院有限公司，西安710032；3.中國石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢測研究院，四川廣漢618300）

在埋地金屬管道檢測領(lǐng)域中，常規(guī)檢測手段多采取接觸式的，檢測前需要先對管道進(jìn)行開挖或是停運(yùn)，難以滿足工業(yè)檢測要求。而被動式弱磁檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對埋地管道的非開挖檢測。本研究在介紹被動式弱磁檢測技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，通過改變測磁傳感器與管道垂直方向之間的距離來模擬管道的實(shí)際埋深，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出磁場強(qiáng)度、管道埋深和腐蝕深度之間存在指數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合磁場梯度變化和概率統(tǒng)計(jì)的原理可以得出缺陷判斷的依據(jù)，即當(dāng)磁場梯度在（μ-2σ，μ+2σ）區(qū)間外變化時可判定為缺陷。與常規(guī)檢測手段相比，被動式弱磁檢測技術(shù)無需人為對管道進(jìn)行磁化。在管道非開挖條件下，可以對埋地金屬管道腐蝕狀況進(jìn)行科學(xué)評估，并實(shí)現(xiàn)二維成像。

金屬管道；被動式弱磁檢測；地磁場強(qiáng)度；腐蝕；二維成像

0　引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對能源的需求日益高漲，致使金屬埋地管道在石油石化、城市供暖等行業(yè)的使用越來越廣泛。由于土壤具有腐蝕性，長期埋藏于其中的輸油、輸氣和供暖等金屬管道在長期的運(yùn)行中不可避免的發(fā)生腐蝕，運(yùn)營時間長的甚至可能導(dǎo)致傳輸介質(zhì)的泄漏［1-2］。那么，在漫長的埋地管道中如何經(jīng)濟(jì)、簡便地找出埋設(shè)管道中的腐蝕區(qū)及泄漏點(diǎn)，并對其腐蝕嚴(yán)重性進(jìn)行科學(xué)評估就顯得尤為重要。在國內(nèi)，金屬埋地管道檢測的方法主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇易產(chǎn)生應(yīng)力集中和腐蝕的區(qū)段進(jìn)行開挖，再配合常規(guī)的無損檢測方法來檢測，或是使用超聲導(dǎo)波檢測、渦流檢測和瞬變電磁檢測［3-5］等方法，這些方法難以對管道實(shí)現(xiàn)全檢。盡管現(xiàn)今國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)引進(jìn)了不少國外的檢測設(shè)備，但依舊難以滿足檢測的需要。在國外，對于金屬埋地管道檢測的方法主要有遠(yuǎn)場渦流、低頻導(dǎo)波和管道豬等方法［6-8］，但這些方法都存在較大的局限性，對于金屬埋地管道規(guī)格和管道是否在役等都有嚴(yán)格的要求，以至于在實(shí)際運(yùn)用中都受到很大的限制。因此，對于現(xiàn)代工業(yè)中普遍使用的金屬埋地管道，如何更加經(jīng)濟(jì)、簡便、安全、科學(xué)地檢測就成為當(dāng)今管道檢測業(yè)界的重要課題。因此，本研究對可以實(shí)現(xiàn)非開挖檢測的埋地管道被動式弱磁檢測技術(shù)進(jìn)行了探索。

1　被動式弱磁檢測原理

被動式弱磁檢測技術(shù)是一種不需要外界對檢測工件進(jìn)行磁化，利用地球磁場穿過缺陷后產(chǎn)生的磁場變化進(jìn)行無損檢測的新技術(shù)。在國外，俄羅斯一直領(lǐng)跑該領(lǐng)域［9］，國內(nèi)對這一領(lǐng)域研究較少，軍械工程學(xué)院［10-11］、后勤工程學(xué)院［12］和浙江理工大學(xué)［13-14］等高校對此有所研究。被動式弱磁檢測通過高精度的測磁傳感器采集地球磁場穿透被檢工件后的磁場強(qiáng)度，通過分析磁場強(qiáng)度的變化來判斷被檢工件內(nèi)部和表面是否存在缺陷，它是一種完全被動式的檢測技術(shù)，無需人為地對被檢工件施加磁場［15-17］。

假設(shè)被檢工件本身的磁導(dǎo)率為μ，工件內(nèi)部不連續(xù)區(qū)的磁導(dǎo)率為μ'（圖1），若是不連續(xù)區(qū)為高磁導(dǎo)率物質(zhì)，即μ'＞μ，那么在測磁傳感器通過該區(qū)域時，磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線會出現(xiàn)下凹現(xiàn)象；若是不連續(xù)區(qū)域?yàn)榈痛艑?dǎo)率物質(zhì)，即μ'＜μ，那么在測磁傳感器通過該區(qū)域時，磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線會出現(xiàn)上凸現(xiàn)象。

金屬埋地管道中出現(xiàn)的絕大部分缺陷類型是腐蝕減薄，當(dāng)管道某位置發(fā)生腐蝕減薄時，即相當(dāng)于該處介質(zhì)被低磁導(dǎo)率的空氣和土壤等物質(zhì)所替代，這必然影響穿透該區(qū)域的地球磁場，被動式弱磁檢測就是基于此對埋地管道腐蝕等缺陷來進(jìn)行檢測的。

2　試驗(yàn)儀器

采用的試驗(yàn)儀器為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的被動式弱磁檢測儀（圖2）。該檢測儀主要部分有測磁傳感器、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)。為真實(shí)模擬埋地管道現(xiàn)場檢測條件，在實(shí)驗(yàn)室測試中將測磁傳感器置于非鐵磁性材料制做的伸縮梯上，通過調(diào)整伸縮梯的高度來模擬管道的埋深變化。在現(xiàn)場檢測時，為保證測磁傳感器的穩(wěn)定性，將測磁傳感器置于非鐵磁性材料制做的軌道上，軌道置于待測金屬埋地管道的正上方，測磁傳感器沿著軌道滑行。

檢測時，當(dāng)被檢管道本身不存在腐蝕及其他類型缺陷時，檢測曲線變化應(yīng)較為均勻。當(dāng)被檢管道存在腐蝕缺陷時，該區(qū)域磁場變化將發(fā)生異常，該磁場異常區(qū)域經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件處理后可以實(shí)現(xiàn)二維成像，并對腐蝕減薄的位置及深度進(jìn)行定量研究。

圖1　弱磁檢測原理圖Fig.1　Micro magnetic detection principle

圖2　被動式弱磁檢測儀Fig.2　Passive micro magnetic detector

3　試驗(yàn)研究

試驗(yàn)采用一根長1490 mm，外徑59.2 mm，壁厚4.5 mm的輸油管道，其上有人為加工的5個減薄類缺陷以及1個管體本身的自然缺陷。試驗(yàn)管剖面示意圖如圖3所示，各位置缺陷類型和腐蝕深度見表1。

圖3　試驗(yàn)管尺寸圖Fig.3　Size of test tube

表1　試驗(yàn)管的缺陷類型和腐蝕深度Table 1　The defect type of test tube and corrosion depth

為模擬埋地管道現(xiàn)場檢測條件，將非鐵磁性材料制作的伸縮梯升高到1 800 mm，將測磁傳感器置于其上，試驗(yàn)管置于伸縮梯兩肢之間，通過推動伸縮梯前進(jìn)來采集穿透試驗(yàn)管的地球磁場數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)內(nèi)安裝有專門為埋地金屬管道檢測開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件?？紤]到埋地管道檢測的現(xiàn)場因素，測磁傳感器在檢測初始和結(jié)束兩位置會由于其突然的啟動與停止，致使所采集的磁場信號發(fā)生嚴(yán)重的畸變，因此在分析軟件的開發(fā)中將檢測的初始和結(jié)束兩處的信號進(jìn)行一定距離的信號屏蔽，以避免其對整體檢測結(jié)果的干擾。整體采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后顯示原始信號和檢測結(jié)果，如圖4所示。

圖4　提離高度為1 800 mm的檢測Fig.4　Detection of lift-off 1 800 mm

被動式弱磁檢測過程中所獲得的磁信號處理常用的方法是對信號進(jìn)行梯度處理，這一方法有利于缺陷信號的識別?？臻g磁場梯度表示磁場強(qiáng)度沿著空間某方位的變化率，用表示。磁場梯度為矢量，其方向?yàn)榇艌鰪?qiáng)度變化最大的那個方向。在均勻磁場中，在非均勻磁場中0。埋地金屬管道被動式弱磁檢測儀所采集的磁信號為被檢管道正上方空間磁場信號。本研究通過磁場梯度與概率統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法來分析所采集到的磁場信號?？臻g磁場強(qiáng)度的磁場梯度在（μ-2σ，μ+2σ）區(qū)間上的概率為0.9545，這一原理可以用來識別缺陷信號。當(dāng)磁場梯度超過所設(shè)定缺陷判斷閾值限時則設(shè)定其為缺陷。根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的原理，若原始磁信號為H，原始磁信號均值為，信號方差為σ，缺陷判定依據(jù)為:

由原始信號可發(fā)現(xiàn)，在A、B、C、D、E和F六個位置處發(fā)現(xiàn)明顯的磁異?，F(xiàn)象（圖4a），通過數(shù)據(jù)處理軟件分析得出檢測結(jié)果（圖4b）。對該試驗(yàn)管分3個不同提離高度分別進(jìn)行3次檢測，結(jié)果如表2所示。

表2　試驗(yàn)管多次測試數(shù)據(jù)匯總Table 2 Detection data summary of test tube

埋地金屬管道被動式弱磁檢測儀中設(shè)置有多個測磁傳感器，分別記錄管道上方各位置的空間磁場強(qiáng)度。檢測的數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件擬合后可以得到管道腐蝕深度d、管道埋深h和磁場強(qiáng)度H之間滿足指數(shù)關(guān)系。

若埋地金屬管道被動式弱磁傳感器組中單個測磁傳感器數(shù)為n，那么，第i號測磁傳感器所得的腐蝕深度為:

則最終得出的腐蝕深度為:

通過多次的試驗(yàn)可以得出，埋地金屬管道被動式弱磁檢測技術(shù)最小可檢測占壁厚1/8的腐蝕，檢測裂紋缺陷時，最小可檢測1 mm深的裂紋類缺陷。

通過表2的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合試驗(yàn)管實(shí)際缺陷參數(shù)可以得出，該檢測技術(shù)對管道的腐蝕減薄缺陷的檢出率較高，缺陷定位及缺陷深度定量還存在誤差，這主要是由于人工推動伸縮梯的過程中難以保證全過程速率不變。從檢測的檢出率及重復(fù)性的角度來說，該檢測技術(shù)還是可信的。

4　現(xiàn)場試驗(yàn)

2015年1月，在東北某地使用該系統(tǒng)對在役埋地輸油管道進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，管道埋地深度為1500 mm，管壁厚度為7 mm，管外徑為323 mm，單次掃查長度為6000 mm。使用探管儀找到管道埋設(shè)走向后，通過在管道上方架設(shè)非鐵磁性材料制作軌道，讓測磁傳感器在軌道上駛過管道上方，連續(xù)測試多次，測試結(jié)果都是大致相同的。在約3100 mm位置發(fā)現(xiàn)磁場異常信號，現(xiàn)場檢測結(jié)果及開挖驗(yàn)證如圖5所示。在降低檢測靈敏度后發(fā)現(xiàn)該處檢測信號依舊存在，因此判斷該處異常是由對接焊縫造成。開挖驗(yàn)證證實(shí)了這一判斷。

2015年3月，在華北某地區(qū)利用該系統(tǒng)對埋地輸油管道進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，管道埋深800 mm，管壁厚度為4.5mm，管外徑為68mm，其中一段檢測區(qū)域長度為3.8 m。使用探管儀找到管道埋設(shè)走向后，通過在管道上方架設(shè)非鐵磁性材料制作軌道，讓測磁傳感器在軌道上駛過管道上方，連續(xù)測試多次，測試結(jié)果大致相同，現(xiàn)場檢測結(jié)果及開挖驗(yàn)證如圖6所示。在293、1 026、2 198、2 481、2931、3495 mm位置處顯示出有腐蝕減薄異常。開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在307、1 014 mm兩處有穿孔類缺陷，在2204～3 512 mm范圍內(nèi)存在面積型腐蝕，在這一范圍內(nèi)不同位置腐蝕深度存在差異，除幾處腐蝕較深外，大部分區(qū)域腐蝕深度低于檢測系統(tǒng)的最小檢測深度。開挖結(jié)果與檢測結(jié)果大致對應(yīng)，腐蝕位置存在誤差，產(chǎn)生這一誤差的原因主要是由于測磁傳感器在軌道滑行過程中速度不一致導(dǎo)致的。在現(xiàn)場管道檢測中，這一誤差對于漫長的埋地管道來說是可以接受的。

圖5　東北某地現(xiàn)場檢測Fig.5　Scene test of somewhere in the northeast

圖6　華北某地現(xiàn)場檢測Fig.6　Scene test of somewhere in the north China

5　結(jié)論

1）通過被動式弱磁檢測原理以及測試信號的特點(diǎn)，結(jié)合磁場梯度變化和概率統(tǒng)計(jì)的原理可以得出缺陷判斷的依據(jù)，即當(dāng)磁場梯度在（μ-2σ，μ+2σ）區(qū)間外變化時可判定為缺陷。此外，被動式弱磁檢測采集的管道空間磁場強(qiáng)度、管道埋深和管道腐蝕深度之間滿足指數(shù)關(guān)系。

2）通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證表明，被動式弱磁檢測儀對金屬埋地管道常見腐蝕減薄及管體缺陷有很好的檢出率，對于檢測現(xiàn)場條件也有很好的適應(yīng)性，無須開挖，檢測效率高，相比于其他檢測手段可操作性較好。

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Buried Metal Pipeline Detection Based on Passive Micro Magnetic Technology

RAO Xiao-long1，MENG Yong-le2，SONG Ri-sheng3，HU Bo1，YU Run-qiao1，*
1.Key Laboratory of Nondestructive Testing（Ministry of Education），Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an 710032，China；3.Safety Environmental Quality Supervision Detection Institute of Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Sichuan Guanghan 618300，China）

In the field of the buried metal pipeline detection，most of the conventional detection is a contact.It is necessary to excavate and stop running before detection.So it is difficult to meet the requirements of industrial detection.Passive micro magnetic detection technology can realize the buried pipeline trenchless detection.In the basis of the principle of the detecting technology，the distance between the magnetic sensor measurement and pipes is to simulate the actual depth of the pipe.It is found that the relationship between change of the magnetic intensity，the depth of pipeline，and corrosion depth which through the pipe after a lot of date of experiment are analyzed.On the basis of this，combination of gradient magnetic field and the principle of probability and statistics can draw defect judgment basis，that is when the magnetic field gradient in the interval（μ-2σ，μ+2σ）to change the defects can be judged.The conclusion shows，compared with conventional detection methods，the passive micro magnetic technique doesn't have to artificial magnetize the pipe in advance，which guarantees of buried metal pipeline corrosion condition of scientific assessment and realize the detection of 2D imaging in the condition of non-excavation.

metal pipeline；passive micro magnetic；magnetic intensity；corrosion；detection of 2D imaging

TM154

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.002

1673-6214（2016）02-0072-05

2016年1月16日

2016年3月27日

國家自然科學(xué)基金（51565043）；江西省青年科學(xué)基金（20151BAB216016）

于潤橋（1963年-），男，教授，主要從事電磁檢測等方面的研究。