(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，如何確保熱力管道的安全運行是一個亟待解決的問題。瑞典、德國、芬蘭等歐洲國家都有一系列完整的熱力管道檢測、運行和維護的技術(shù)標準和實施方法。對于直埋式熱管網(wǎng)，這些國家已經(jīng)推廣使用熱力管道的漏點檢測系統(tǒng)(LDS)[1]，其工作原理是泄漏的液體會改變檢測系統(tǒng)的阻抗，同時可以準確、及時地監(jiān)測管道泄漏或管網(wǎng)中涂層損壞引起的漏水問題，從而實施相應(yīng)的維護措施[2]。但是，LDS只能判斷出管體是否存在泄漏點，不能知道未發(fā)生泄漏管體的使用情況，從而埋下安全隱患，而且泄漏的液體沿著管體流動，易降低檢測精度。隨著國內(nèi)供暖事業(yè)的日益發(fā)展，較先進的熱力管道漏點檢測系統(tǒng)采用的是光纖光柵檢測法，其檢測原理是在熱力管道網(wǎng)線的下方放置光纖光柵傳感器，檢測其管線的溫度場分布，熱力管道正常運行時的溫度場分布均勻；當某段熱力管道出現(xiàn)泄漏時，其泄漏部位周圍溫度升高，光纖光柵傳感器能實時監(jiān)測到其溫度變化[3]。通過計算機監(jiān)測系統(tǒng)可準確得知熱力管道網(wǎng)線中發(fā)生泄漏的所在位置，但光纖光柵法存在造價高、維護困難等問題。目前，當這些老舊管道出現(xiàn)管道腐蝕泄漏時，主要采用閥門隔離、閥門聽音、聞氣味及測量地表溫度等方法對管道進行檢測。這些方法主要是依靠有經(jīng)驗的工作人員，他們通過聽管道水流聲音，或者通過閥門控制系統(tǒng)測試、分段試壓、測試挖掘觀測等方法[4]判斷管道的泄漏位置。這些方法雖然能有效判斷熱力管道的腐蝕泄漏位置，但易受外界環(huán)境變化和人員因素的干擾，并且效率較低、成本高、定位也不精準。

筆者提出的瞬變電磁檢測方法是一種有效的在役非開挖檢測技術(shù)。該技術(shù)的探測深度范圍大，抗干擾能力強，可得到管道的壁厚信息[5]，可以實現(xiàn)在不開挖、在役的前提下對城市熱力管道進行腐蝕檢測。其通過接收二次場所含的管體信息，直接由管體金屬量的減少來判定腐蝕程度，從而實現(xiàn)城市熱力管道腐蝕的提前預(yù)警。

1 城市熱力管道瞬變電磁法檢測原理

瞬變電磁法是一種基于以麥克斯韋電磁場理論為核心的電磁感應(yīng)原理的時間域人工源電磁檢測方法。其使用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射脈沖場，即一次場。在激發(fā)狀態(tài)下，熱力管道中激發(fā)的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時間變化的感應(yīng)電磁場，即二次場。在發(fā)射一次場的間隙下，利用接收線圈接收隨時間變化的二次場，提取和分析二次場的感應(yīng)電動勢的瞬時值，該瞬時磁場值可用下式表示。

(t)/I=V(t)/(qI)

(1)

通過傅里葉變化得到

(2)

(3)

(4)

歸一化處理得到的歸一化感應(yīng)瞬態(tài)電壓為

(5)

為了得到熱力管道真實的管體情況，要通過剩余壁厚反演得到管體的壁厚百分比。根據(jù)接收到的二次場感應(yīng)電動勢情況，建立指數(shù)擬合模型

(6)

式中：P為壁厚百分比；D0為熱力管道原始壁厚；K1以及K2為擬合系數(shù)；V為歸一化感應(yīng)電動勢。

由式(2)和式(5)得，熱力管道的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率影響著感應(yīng)電場瞬時值的大小，熱力管道發(fā)生腐蝕的局部區(qū)域的金屬量減少會導(dǎo)致該處管體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，而管道腐蝕的區(qū)域會時刻發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，從而影響管道磁導(dǎo)率的大小，因而接收的感應(yīng)電場的瞬時電壓會發(fā)生改變，由式(6)反演，可得到熱力管道的真實管體情況，從而達到檢測熱力管道的目的。城市熱力管道的瞬變電磁法檢測原理如圖1所示。

圖1 城市熱力管道的瞬變電磁法檢測原理

2 城市熱力管道的失效分析

我國北方城市管道運營時間較長，大部分城市熱力管道已經(jīng)老化，失效頻率高。城市熱力管道失效的主要原因有腐蝕失效、第三方破壞失效和管道缺陷。

腐蝕失效是城市熱力管道失效的主要原因，腐蝕失效分為外腐蝕和內(nèi)腐蝕。防腐層的完整性對外腐蝕失效的影響最大。城市熱力管道長期處于復(fù)雜的地下環(huán)境中，通過對發(fā)生腐蝕的城市熱力管道進行分析，發(fā)現(xiàn)管體周圍土壤的含水量、酸堿度、含氧量、含鹽量、溫度、pH值等對外腐蝕起主要作用[6-7]。不僅如此，還發(fā)現(xiàn)在電氣化軌道附近的城市供熱管線的腐蝕更為嚴重。城市軌道交通會產(chǎn)生雜散電流，周圍埋設(shè)的管道也會影響與之相連的市政管網(wǎng)，甚至造成事故。內(nèi)腐蝕主要是熱力管道在供熱期和非供熱期受到內(nèi)部介質(zhì)腐蝕的現(xiàn)象，在供熱期，管道內(nèi)處在一個高溫高壓的環(huán)境中，管道內(nèi)壁時刻發(fā)生著復(fù)雜的化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)，又由于供熱期管道內(nèi)水循環(huán)量大，富含大量的氧和二氧化碳，氧腐蝕和酸腐蝕是造成管內(nèi)壁腐蝕的主要原因；在非供熱期，管道內(nèi)水量較供熱期大幅減少，管道內(nèi)出現(xiàn)氣水分界面，使得水中的氧和二氧化碳增加，加速了管道內(nèi)壁的腐蝕。

第三方破壞是城市熱力管道失效的第二大原因，無論施工破壞、違章占壓，還是車輛沖擊，都屬于外力環(huán)境引起的防腐層破損，管道才會發(fā)生腐蝕失效。

管道缺陷也很容易導(dǎo)致管道故障，主要包括管材原有的缺陷(包括制造缺陷和運輸過程中的損傷)、焊接或熔接缺陷，以及不合理的早期管道鋪設(shè)引起的缺陷。偶爾會發(fā)現(xiàn)管道的原始缺陷，但管道失效的情況非常少；然而，焊接缺陷導(dǎo)致管道失效的情況卻時常發(fā)生，主要是早期施工的不合理、不規(guī)范，施工質(zhì)量控制不嚴，焊工無證上崗和盲目趕工期所致。通過分析發(fā)現(xiàn)，焊縫處的破壞主要是腐蝕，因為焊縫處的防腐層品質(zhì)遠不如管道的原始防腐層品質(zhì)。

圖2 瞬變電磁檢測儀組成部分的外觀

3 檢測儀器及檢測方法

采用的檢測儀器為WTEM-1QⅡ/GPS瞬變電磁檢測儀(見圖2)，該檢測儀主要由3個部分組成：瞬變電磁儀主機、方形線圈傳感器以及傳輸線纜。發(fā)射機和接收機集成在主機上，主機左半部分為發(fā)射機，右半部分為接收機。發(fā)射部分為發(fā)射線圈提供不同頻率的雙極性正弦方波信號，接收部分為接收線圈采集信號。傳輸線纜負責(zé)檢測系統(tǒng)與線圈傳感器的連接，其由8個接線口和一個阻尼電阻組成，阻尼電阻可消除接收回路的震蕩，其中阻尼電阻設(shè)置為200 Ω，經(jīng)驗證檢測效果較好。

檢測方法：① 記錄現(xiàn)場檢測環(huán)境信息；② 連接發(fā)射機、接收機及檢測探頭；③ 將掌上電子計算機和接收機通過藍牙連接，并在掌上電子計算機里設(shè)置采集數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)；④ 校對，初步檢測并采集數(shù)據(jù)，作最后調(diào)整；⑤ 正式檢測并采集數(shù)據(jù)，并記錄試驗參數(shù)；⑥ 分析數(shù)據(jù)并對熱力管道進行安全評估。

4 工程實際應(yīng)用

4.1 檢測前期準備工作

在開始檢測之前，需要對管道和檢測環(huán)境進行全面的信息采集和記錄。需要向待檢熱力管道運營單位人員了解管道的相關(guān)信息，如：管道埋深、管徑及原始壁厚，管道防腐及維修情況，管道材料，地表檢測環(huán)境等。管道埋深和管徑大小有助于對激勵源及線圈傳感器的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，確保接收到最佳的管體信息。

全面了解相關(guān)的檢測信息及現(xiàn)場條件后，制定檢測方案。由于管道鋪設(shè)年代久遠，熱力管道運營方可能無法提供準確的管道走線，為了保證線圈傳感器經(jīng)過管道正上方，且采集的信號是管體信息，實際檢測時，有必要確定管道的正確走向，采用RD8000管線探測儀探測管線的位置，在地面做好相應(yīng)的標識，以便后續(xù)檢測工作的高效展開。調(diào)試好瞬變電磁儀，線圈傳感器工作參數(shù)如表1所示。

表1 瞬變電磁儀線圈傳感器工作參數(shù)

4.2 城市熱力管道的瞬變電磁檢測案例

2017年8月，對某熱力管道(稱為熱力管道1)進行檢測?，F(xiàn)場采用RD8000管線探測儀對管道走向、埋深等進行勘探，該路段待檢熱力管道原始壁厚為8 mm，管道埋深為1.5 m。根據(jù)現(xiàn)場條件與檢測長度設(shè)置測量點及測量點間距，設(shè)置起測點為管線探測的起始點，檢測長度為33.0 m，測點間距為0.25 m，共計133個測量點，現(xiàn)場檢測示意如圖3所示。

對檢測到的數(shù)據(jù)進行處理，得到接收線圈的歸一化感應(yīng)電動勢剖面圖如圖4所示。

圖3 熱力管道1的瞬變電磁檢測現(xiàn)場示意

圖4 接收線圈的歸一化感應(yīng)電動勢剖面圖(熱力管道1)

通過剩余壁厚反演得到壁厚百分比，該熱力管道的壁厚百分比如圖5所示。

圖5 熱力管道1的壁厚百分比

處理全部數(shù)據(jù)，選取末尾合適時窗進行分析，可以看出在16～36測點范圍內(nèi)存在異常增大信號，金屬含量增加到160%，對應(yīng)檢測長度為現(xiàn)場所標的58 m；在測點96116測點范圍內(nèi)存在異常信號，金屬增量達到60%，對應(yīng)檢測長度為現(xiàn)場所標的24.529 mm。根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境來看，距檢測探頭0.5 m處存在一輛汽車，長度約為2 m；距檢測探頭0.3 m處存在三四輛三輪車；同時，觀察原始信號曲線，發(fā)現(xiàn)在7181測點范圍內(nèi)存在異常增大信號，對應(yīng)長度為1820 m。

針對整體信號中的7181測點處存在的異常信號，進行信號處理，剔除兩個幅值較大的異常信號，選擇4096測點范圍進行研究分析。測點4096的感應(yīng)電動勢剖面圖如圖6所示，測點4096的壁厚百分比如圖7所示。

圖6 熱力管道1測點4096的感應(yīng)電動勢剖面圖

圖7 熱力管道1測點4096的壁厚百分比

經(jīng)過分析可知，在7080測點范圍內(nèi)存在異常信號，呈增大-減小-增大的趨勢，故判斷此范圍內(nèi)存在腐蝕。通過壁厚反演計算，得到原始壁厚為8 mm，此處的檢測壁厚約為5.8 mm，腐蝕為27%左右。現(xiàn)場開挖后，用超聲測厚儀對缺陷處進行判斷驗證，得到剩余實際壁厚為5.54 mm，與檢測結(jié)果相差0.26 mm。實際腐蝕為30%，誤差在10%以內(nèi)。

2017年10月，在熱力管道供熱期之前，運用瞬變電磁檢測法對另一熱力管道(稱為熱力管道2)進行在役檢測。管道原始壁厚為8.0 mm，管道埋深為1.75 m。設(shè)定起測點為管線探測的起始點，檢測長度為8.0 m，測點間距為0.25 m，共計33個測點。

將采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到接收線圈的感應(yīng)電動勢剖面圖如圖8所示。通過剩余壁厚反演得到該段的壁厚百分比(見圖9)。

圖8 熱力管道2的歸一化感應(yīng)電動勢剖面圖

圖9 熱力管道2的壁厚百分比

結(jié)合圖8，9，測點10處的歸一化電動勢和壁厚百分比存在輕微的信號增大，金屬含量增多，增多得較低，判斷存在電纜或者小塊金屬物體；在測點24～28間，信號異常增大，在測點25處存在一個明顯的波峰，根據(jù)瞬變電磁檢測原理，在測點25處，因金屬含量增多引起的感應(yīng)電動勢存在一個峰值，判斷此處存在交叉管線或修補，經(jīng)開挖驗證發(fā)現(xiàn)此處確實存在交叉管線，因而管道的感應(yīng)電動勢和壁厚百分比異常增大。

5 結(jié)語

(1) 瞬變電磁法檢測技術(shù)對城市熱力管道有較好的檢測效果，能夠得到較為準確的管道剩余壁厚信息，誤差在10%以內(nèi)。

(2) 在實際檢測的環(huán)境中，經(jīng)過或停靠的汽車、排水井蓋、交叉管等都會對檢測結(jié)果造成影響，經(jīng)信號處理，排除這些干擾信號，瞬變電磁法檢測對特殊工件、管道腐蝕有較高的檢測率。

(3) 利用瞬變電磁法得到較為準確的管道剩余壁厚信息，為管道使用單位提供了可靠的參數(shù)，既有利于城市熱力管道的安全評估，又有利于對管道進行及時必要的維護。