朱圣平 許 航

廣西天然氣管道有限責任公司, 廣西 北海 536000

0 前言

石油、天然氣管道用鋼多為低合金鋼,這類材料具有優(yōu)良的強度及塑韌性,在失效斷裂前往往會出現(xiàn)塑性形變和局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。導致管道應(yīng)力集中發(fā)生的原因很多,一方面施工過程控制不嚴、強行組對、管溝底部石塊擠壓管道、回填時管道下方懸空、彈性敷設(shè)曲率半徑過小、土體沉降等都會導致管道宏觀意義上的應(yīng)力集中[1];另一方面,管材本身缺陷、焊接帶來的熱應(yīng)力及組織應(yīng)力、腐蝕形成腐蝕坑等材質(zhì)的不均勻性都會造成管道微觀應(yīng)力集中。在管內(nèi)交變壓力的長時間作用下,材料的疲勞極易在這些應(yīng)力集中區(qū)引起管道失效開裂[2-3]。所以對管線鋼來說,在產(chǎn)生可檢測到的裂紋或缺陷之前,就可能因為焊接、腐蝕、外力、材質(zhì)本身及工作載荷等因素產(chǎn)生了應(yīng)力集中,這些區(qū)域往往就是材料后期失效的萌生點[4]。因此,通過對應(yīng)力集中區(qū)的檢測可以找到管體破壞的根源,提前對問題管段進行處理,避免事故的發(fā)生,這對國家經(jīng)濟和能源安全有著重要意義[5-6]。

1 非接觸式磁檢測技術(shù)原理

管道施工期間的檢測以射線、超聲和磁粉檢測等方法為主,針對的是材料內(nèi)部、表面及近表面的缺陷,以檢出宏觀體積缺陷或裂紋為主要目的,對事故產(chǎn)生了一定的預(yù)防作用。在管道服役期,主要通過漏磁檢測對管道進行檢測,同樣也是針對材料表面或近表面的宏觀體積缺陷,這種方法需要比較嚴格的清管和磁化條件,只有當外加磁場方向最大限度地同管體的缺陷正交時,才能產(chǎn)生最大的漏磁場,從而通過檢測儀發(fā)現(xiàn)管體缺陷,在一定程度上檢測出問題管段,但是其抗干擾能力差、容易出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù),往往會造成不必要的開挖[7-8]。傳統(tǒng)的檢測方法對管道的缺陷檢測起到了一定的作用,但無法早期發(fā)現(xiàn)因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的裂紋萌生點[9-10]。

本文檢測金屬應(yīng)力的非接觸式磁檢測技術(shù)與金屬磁記憶檢測儀都是利用金屬磁記憶的檢測方法。金屬磁記憶可以準確地檢測出埋地管道的應(yīng)力集中區(qū)和塑性形變區(qū),并根據(jù)磁異常綜合指數(shù)判斷其相應(yīng)的危險程度[11-13]。鐵磁性材料埋設(shè)后受到地磁場的磁化,會在相應(yīng)位置產(chǎn)生疊加于地磁場之上的附加磁場。地磁場的梯度與管道附加磁場的梯度相比顯得非常微弱,因此用檢測儀采集的空間磁場梯度數(shù)據(jù)主要是由埋地管道激勵出來的附加磁場的信息。在應(yīng)力作用下鐵磁性材料的磁疇組織會發(fā)生定向和不可逆的重新取向,宏觀上影響了鐵磁材料的磁化率,并在應(yīng)力集中區(qū)形成最大地漏磁場變化,進而引起管道外一定范圍內(nèi)磁場變化,非接觸式磁檢測技術(shù)正是通過捕捉這部分變化的空間磁場,從而確定鐵磁材料的應(yīng)力集中區(qū),并根據(jù)磁場變化形態(tài)來決定缺陷的危險程度[14-17]。相較于漏磁檢測,金屬磁記憶檢測無需停輸、表面處理及額外磁化,設(shè)備簡單,更加適于新建或在役管道的應(yīng)力檢測[18]。

金屬磁記憶檢測儀的技術(shù)較為成熟,在國內(nèi)外多條管道上已得到應(yīng)用,不足之處是該技術(shù)需要對管道進行開挖,貼近管道采集數(shù)據(jù),只能在可能的風險較大點開挖驗證,無法對全段管道進行研究分析。非接觸式磁檢測技術(shù)正是針對于此而開發(fā)出來的新型管道磁特征數(shù)據(jù)采集方法,可以避免管道開挖且對全線管道進行檢測,降低了管道外檢的費用。

為進一步驗證非接觸式磁檢測技術(shù)在實際檢測工作中的可行性,本次試驗選取了一段新建埋地長輸管道,檢測該段管道的應(yīng)力集中點并根據(jù)磁異常綜合指數(shù)判斷其相應(yīng)的危險程度,最后通過開挖檢測對結(jié)果進行驗證[19]。

2 檢測應(yīng)用

試驗管段位于廣西天然氣管道山背嶺閥室至花屋洞閥室之間,全長18.5 km,管道材質(zhì)為X 70 M,外徑為813 mm,壁厚為14.2 mm,外防腐為3 PE,設(shè)計壓力為10 MPa。非接觸式磁檢測技術(shù)采用非接觸式三維高精度磁應(yīng)力檢測儀對管道正上方的空間磁場梯度數(shù)據(jù)進行采集,并確定磁異常點分布和綜合應(yīng)力水平。

在用PCM檢測完埋地管道的走向和埋深后,探管小組利用PMDT探測儀沿著管道正上方采集空間磁場梯度數(shù)據(jù),并通過式(1)對各點的磁異常綜合指數(shù)進行計算,將計算結(jié)果與表1對照,發(fā)現(xiàn)試驗管道存在2個Ⅱ級應(yīng)力集中點及1 120個Ⅲ級應(yīng)力集中點,沒有發(fā)現(xiàn)Ⅰ級應(yīng)力集中點。

(1)

式中:F為磁異常綜合指數(shù);A為矯正系數(shù),表明了管道缺陷對磁場變化的影響;QɑH,Qφ為異常區(qū)沿管道軸線方向及背景“靜區(qū)”中磁場強度分部密度[20],A/m。

表1 磁異常綜合指數(shù)及其異常等級

磁異常綜合指數(shù)異常等級管道狀況0

1號Ⅱ級應(yīng)力集中管段位于3 249.2～3 255.8 m之間,長6.6 m,通過式(1)計算F值為0.53,其空間磁場波形圖見圖1。

圖1 1號Ⅱ級應(yīng)力集中點上方空間磁場波形圖

2號Ⅱ級應(yīng)力集中管段位于3 944.6～3 952.8 m之間,長8.2 m,通過式(1)計算F值為0.54,其空間磁場波形圖見圖2。

圖2 2號Ⅱ級應(yīng)力集中點上方空間磁場波形圖

3 開挖驗證

為了準確獲得管段的應(yīng)力集中信息,利用8通道TSC-2 M-8金屬磁記憶檢測儀對檢測出的高風險磁異常點進行開挖驗證。根據(jù)非接觸式磁檢測的磁異常分布特征,結(jié)合管道工況和現(xiàn)場開挖條件對2個危險性較大的Ⅱ級磁異常管段進行開挖驗證。

1號Ⅱ級應(yīng)力集中管段驗證坑長度3 m,寬2 m,深3.2 m,開挖后用電火花檢測儀和超聲波測厚儀對外防腐層進行檢測,防腐層外觀完好且無減薄。用金屬磁記憶檢測儀對其進行磁場檢測,金屬磁記憶曲線見圖3。

2號Ⅱ級應(yīng)力集中管段驗證坑開挖長度3 m,寬2 m,深2 m,開挖后用電火花檢測儀和超聲波測厚儀對外防腐層進行檢測,防腐層外觀完好且無減薄。用金屬磁記憶檢測儀對其進磁場檢測,金屬磁記憶曲線見圖4。

根據(jù)TSC-2 M-8金屬磁記憶檢測儀檢測結(jié)果,計算dH/dx值:1號異常管段整體dH/dx值為20 A/(m·mm),在開挖點起點0.07 m處存在磁異常,其dH/dx值為130 A/(m·mm);2號異常管段整體dH/dx值為20 A/(m·mm),在開挖點起點0.4 m和0.93 m處存在磁異常,其dH/dx值分別為75和103 A/(m·mm)。根據(jù)金屬磁記憶檢測的dH/dx值分類,100 A/(m·mm)≤dH/dx<300 A/(m·mm)為Ⅱ級缺陷，可見驗證結(jié)果與非接觸式磁檢測技術(shù)中的磁異常綜合指數(shù)F結(jié)果一致。

圖3 1號Ⅱ級應(yīng)力集中點金屬磁記憶檢測曲線圖

圖4 2號Ⅱ級應(yīng)力集中點金屬磁記憶檢測曲線圖

4 結(jié)論

本文以新建的埋地輸氣管道為試驗對象,應(yīng)用非接觸式磁檢測技術(shù)通過非開挖的方式對管道進行了試驗性的外檢測工作,并且通過技術(shù)較為成熟的金屬磁檢測儀對兩個風險較大點進行了開挖驗證,與試驗結(jié)果完全一致。因此非接觸式檢測技術(shù)可以作為一種新型的檢測長輸管道的有效手段,與傳統(tǒng)的內(nèi)外檢測技術(shù)相互配合驗證,作為確定管道腐蝕率、損傷率和修復(fù)時間的依據(jù),此外該技術(shù)費用較低,不需要開挖就可以得到更加全面的管道信息,也可以作為一種定期監(jiān)控缺陷部位的技術(shù)手段。本次試驗只進行了1次充分性試驗,作為發(fā)展中的新技術(shù)今后還應(yīng)進行更多的充分性和必要性驗證。