索杏蘭

中國石化西北油田分公司油氣運(yùn)銷部，新疆庫爾勒 841000

為了避免管道發(fā)生腐蝕泄漏失效，采用科學(xué)、有效的檢測技術(shù)對管道防腐層的完整性、管體腐蝕現(xiàn)狀及環(huán)境腐蝕性等進(jìn)行系統(tǒng)、全面的檢測與評價，排查出管道高風(fēng)險段及高后果段應(yīng)力集中狀況，為管道的完整性管理提供可靠依據(jù)[1]。許多在役長輸油氣管道由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或者敷設(shè)條件的限制而無法實(shí)施內(nèi)檢測，對管道的安全運(yùn)行造成了潛在的威脅，長輸油氣管道使用現(xiàn)狀的診斷已經(jīng)成為一個迫切的問題，非接觸式狀態(tài)下如何檢測管道缺陷也是一個亟需解決的問題。

非接觸式磁力檢測技術(shù)是在俄羅斯學(xué)者杜波夫提出的金屬磁記憶概念基礎(chǔ)上發(fā)展起來的埋地管道檢測新技術(shù)[2]，可全面有效地檢驗(yàn)檢測與評估高風(fēng)險區(qū)域管段的應(yīng)力集中、腐蝕、缺陷等現(xiàn)狀，從而實(shí)現(xiàn)在役管道安全、可靠地穩(wěn)定運(yùn)行。

1 非接觸式磁力檢測技術(shù)介紹

1.1 檢測原理

磁應(yīng)力檢測工作的原理基于維拉里效應(yīng)（VILLARI EFFECT，磁彈性效應(yīng)），維拉里效應(yīng)是指由于受到材料變形和內(nèi)部應(yīng)力的影響，鐵磁材料磁化強(qiáng)度發(fā)生變化的物理現(xiàn)象[3]。運(yùn)用磁力計(jì)對磁場異常進(jìn)行識別，磁力計(jì)組件建立在薄膜磁阻傳感器的基礎(chǔ)上，測量空間四個點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，通過獲取因管體缺陷導(dǎo)致的管道漏磁場變化信號，檢測相應(yīng)的金屬應(yīng)力變化和幾何形變，結(jié)合縱向坐標(biāo)（相對于檢測零點(diǎn)）和角坐標(biāo)（相對于管道圓周），確定管道缺陷（群）和位置，達(dá)到以非接觸的方式來診斷油氣管道的目的[4-5]。其檢測原理示意見圖1。

圖1 檢測原理示意

引起管道磁場變化的狀況有局部損傷、裂紋、伴隨金屬損失的腐蝕缺陷、管道工藝缺陷、金屬剝離、折痕、變形引起的幾何形變、連續(xù)性的損失、焊接接頭缺陷等。在檢測過程中，檢測系統(tǒng)會按照所采集到的數(shù)據(jù)制作成相應(yīng)的磁場強(qiáng)度記錄圖，通過解讀該記錄圖中各項(xiàng)參數(shù)的變化來對管道進(jìn)行診斷[6]。

1.2 檢測工具

本次檢測使用的檢測工具為KMD-01M非接觸磁力檢測儀，該設(shè)備是由POLYINFORM專家創(chuàng)建的一種創(chuàng)新設(shè)備，KMD-01M非接觸式磁力診斷系統(tǒng)適用于診斷帶壓干線、油田油氣和輸水鋼質(zhì)管道，不適用于管內(nèi)診斷。KMD-01M系統(tǒng)的作業(yè)是基于記錄和測量由局部損傷和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)改變引起管道磁場振動的參數(shù)，主要有以下優(yōu)勢：

（1）使用基于各向異性磁阻效應(yīng)的高靈敏度變換器。

（2）磁阻納米級變換器具有低噪音的特點(diǎn)，保障高選擇性和抗干擾穩(wěn)定性，可以在電力線路、電力地下電纜、電力電氣設(shè)備附近工作。

（3）能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時診斷過程中觀察到的地磁記錄圖。

（4）結(jié)合磁場圖形矢量結(jié)構(gòu)，應(yīng)用梯度測量方法，以補(bǔ)償?shù)厍虮尘按艌龅挠绊懀y量更多與缺陷相關(guān)的磁場波動參數(shù)。

（5）在管道上高精度定位，精度高達(dá)0.5 m。

（6）采集和處理信息的獨(dú)家軟件保障系統(tǒng)的移動工作模式，還可以使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫處理所得信息。

1.3 檢測條件與檢測遵循的標(biāo)準(zhǔn)

（1）檢測條件。第一，管道埋深≤10倍管徑；第二，管徑≥100 mm；第三，管內(nèi)輸送介質(zhì)壓力≥1 MPa。

（2）檢測遵循的標(biāo)準(zhǔn)。檢測缺陷危險評估根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F確定，根據(jù)綜合指標(biāo)F，評價檢測到的缺陷危險性。該指標(biāo)是使用POLYINFORM股份公司的專利軟件，考慮到振幅、磁場矢量分布形狀、異常長度、操作和設(shè)計(jì)壓力、管道檢查日期及投產(chǎn)時間，通過特定公式計(jì)算得出的。依據(jù)是俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會批準(zhǔn)制訂的РД102-008-2002《非接觸式磁力掃描方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南》，根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F確定了3個危險等級[7]，并給出了針對3類危險等級應(yīng)當(dāng)采取的維護(hù)策略。磁異常綜合指數(shù)F分級標(biāo)準(zhǔn)和等級見表1。

表1 磁異常綜合指數(shù)F分級標(biāo)準(zhǔn)和等級

Ⅰ級缺陷：是金屬缺陷和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合，相當(dāng)于超過相應(yīng)管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較大。這種管道屬于緊急情況，需要優(yōu)先修復(fù)。

Ⅱ級缺陷：是金屬缺陷和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合，相當(dāng)于超過一定的管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但不會很快發(fā)生事故，這種管道的特點(diǎn)在于可靠性降低，需要列入計(jì)劃修復(fù)。

Ⅲ級缺陷：相當(dāng)于良好的管道技術(shù)狀況（無關(guān)緊要的缺陷或者應(yīng)力集中區(qū)）。這種管道可以在監(jiān)控缺陷發(fā)展和應(yīng)力集中增長的情況下，無需修復(fù)繼續(xù)運(yùn)行。

2 檢測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 管道概況

某油田原油外輸管道于2003年10月建成投產(chǎn)，全長20.8 km，管道規(guī)格D 323.9 mm×7.1 mm，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，管道本體材質(zhì)L360，防腐層采用環(huán)氧富鋅底漆加厚漿型環(huán)氧煤瀝青面漆，防護(hù)層采用聚乙烯夾克層。管道沿線途徑井站8處，穿越季節(jié)性河流1條，穿越溝渠4處，穿越瀝青路4條，穿越砂石路23處。

該管道輸送的原油屬于高含硫化氫重質(zhì)原油，隨著服役時間的延長，在運(yùn)行過程中該管道的內(nèi)外腐蝕情況較為嚴(yán)重，管道腐蝕穿孔的頻率逐年增加，急需進(jìn)行一次徹底系統(tǒng)的檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行維護(hù)、維修。

2.2 檢測過程

檢測人員首先使用管道定位儀對管道進(jìn)行探測定位，同時基于最近基準(zhǔn)點(diǎn)利用GPS進(jìn)行管道路由及距離測量。然后使用KMD-01M檢測儀沿著管道的路由進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，同時標(biāo)記磁異常點(diǎn)位置。在診斷作業(yè)過程中，KMD-01M系統(tǒng)高精度自動綁定檢測到的異常GPS坐標(biāo)，在每個測量周期結(jié)束時生成記錄到的異常坐標(biāo)的電子地圖。在完成現(xiàn)場磁力層析數(shù)據(jù)的采集后，將檢測數(shù)據(jù)輸入檢測軟件進(jìn)行分析處理，形成檢測結(jié)果，確定管道沿線磁異常強(qiáng)度和綜合指數(shù)分布，準(zhǔn)確確定管道金屬缺陷與機(jī)械應(yīng)力綜合作用下的應(yīng)力集中敏感區(qū)域、缺陷狀況與等級，根據(jù)分析的結(jié)果在現(xiàn)場實(shí)施開挖驗(yàn)證工作[8]。

2.3 檢測數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

采用KMD-01M檢測儀對20.8 km管道進(jìn)行檢測，該區(qū)段的地球磁場強(qiáng)度背景值54500 nT（納特斯拉），檢測到的磁場異常幅度為2000～23000 nT。根據(jù)管道上方的磁場變化情況，并且結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，最終形成管道磁異常位置GPS坐標(biāo)、等級維修建議、預(yù)測及檢測到的缺陷狀態(tài)值等結(jié)果[9]，部分磁異常檢測結(jié)果如表2所示。檢測發(fā)現(xiàn)103處磁場異常，其中評價立即修復(fù)的有3處，評價為監(jiān)控降壓使用的有7處，評價為繼續(xù)使用的有93處。

2.4 開挖驗(yàn)證

對管道檢測結(jié)果異常等級不同的位置進(jìn)行開挖驗(yàn)證，目的是一方面判斷磁應(yīng)力技術(shù)在檢測時對異常點(diǎn)的定位是否準(zhǔn)確，另一方面判斷檢測評價的等級與儀器直接檢測的結(jié)果是否吻合[10]。

表2 部分磁異常點(diǎn)明細(xì)

（1）開挖驗(yàn)證的方式。第一，開挖坑長度應(yīng)為以異常點(diǎn)為中心前后各2.0 m，深度應(yīng)至少在管道底部0.5 m以下，并在管道兩旁各留出1.0 m寬度。第二，使用接觸式磁力檢測儀對管道上的應(yīng)力情況進(jìn)行檢測，劃分應(yīng)力集中區(qū)域。第三，去除管道防腐層，通過目測觀察缺陷點(diǎn)周圍狀況，查找缺陷點(diǎn)位置，觀察缺陷點(diǎn)腐蝕產(chǎn)物及狀況等，使用焊縫尺對腐蝕坑深度進(jìn)行檢測。第四，使用超聲波測厚儀對管體3、6、9、12點(diǎn)鐘位置（順著油流方向）進(jìn)行壁厚測量，根據(jù)測量結(jié)果判斷管道金屬損失量。

以下將評定等級為Ⅰ級的磁場異常點(diǎn)8號、31號進(jìn)行開挖驗(yàn)證說明。

（2）8號異常點(diǎn)探坑開挖及測量情況。開挖坑中發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)密集腐蝕坑和管內(nèi)底部點(diǎn)蝕，密集腐蝕坑恰好位于根據(jù)非接觸式診斷數(shù)據(jù)所標(biāo)記的位置上。在焊縫區(qū)，尺寸為200 mm×300 mm，最大深度達(dá)5 mm，位于3～6點(diǎn)鐘位置，最大壁厚損失達(dá)45%；在管內(nèi)底部發(fā)現(xiàn)了壁厚急劇變化區(qū)，根據(jù)超聲波測厚儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)底部點(diǎn)蝕，剩余厚度為3.9～5.5 mm。超聲波檢測值如表3所示，現(xiàn)場檢測圖片如圖2、3所示。

表3 8號異常點(diǎn)超聲波檢測值/mm

圖2 管體6點(diǎn)鐘區(qū)域密集腐蝕坑

圖3 缺陷區(qū)段的磁強(qiáng)度記錄

（3）31號異常點(diǎn)探坑開挖及測量情況。開挖坑中發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)密集腐蝕坑和焊縫機(jī)械損傷。密集腐蝕坑和機(jī)械損傷恰好位于根據(jù)非接觸式診斷數(shù)據(jù)所標(biāo)記的位置上。根據(jù)超聲波測厚儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該坑中全部管體存在輕微腐蝕，最小剩余壁厚為6.8 mm。密集腐蝕坑區(qū)位于焊縫區(qū)，尺寸為300 mm×200 mm，位于12～3點(diǎn)鐘位置，最大壁厚損失不超過10%，但腐蝕面積達(dá)到75%。超聲波檢測值如表4所示，現(xiàn)場檢測圖片如圖4、5、6所示。

表4 31號異常點(diǎn)超聲波檢測值/mm

圖4 管體3點(diǎn)鐘區(qū)域密集腐蝕坑

（4）開挖驗(yàn)證結(jié)論。非接觸式磁力檢測技術(shù)在操作風(fēng)險低、不影響管道本質(zhì)安全的情況下，對缺陷定位準(zhǔn)確，間接檢測缺陷定級與開挖檢測找到的缺陷類型和危險程度基本吻合，磁異常缺陷段檢出率達(dá)到90%以上，磁異常缺陷定位準(zhǔn)確度達(dá)到85%以上（定位誤差在2.0 m范圍以內(nèi)）。

圖5 管體12點(diǎn)鐘區(qū)域焊縫機(jī)械損傷

圖6 缺陷區(qū)段的磁強(qiáng)度記錄

3 結(jié)束語

非接觸式磁力檢測技術(shù)，可以簡便易行地對管道本體的現(xiàn)狀實(shí)施檢測，避免采取在內(nèi)檢測以及其他檢測方式前，需采取管道開挖、管道清管、安裝收發(fā)球裝置等大量準(zhǔn)備工作。該技術(shù)也存在容易受外部鐵磁性材料信號干擾、需要在開挖條件下配合其他無損檢測技術(shù)才能準(zhǔn)確定位缺陷點(diǎn)位置等的局限性[11]?？傊?，非接觸式磁力檢測技術(shù)是一種有效的管道本體直接檢測技術(shù)，可對高風(fēng)險段、高后果段提出維修建議及措施，也可作為管道內(nèi)檢測的驗(yàn)證性、補(bǔ)充性檢測手段，共同實(shí)現(xiàn)管道完整性檢測。