張傳隆，張書紅，蔡 彪，米書麗

中國(guó)石油冀東油田南堡油田作業(yè)區(qū)，河北唐山 063200

管道運(yùn)輸具有低成本、高效率、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為能源運(yùn)輸?shù)闹饕绞健Ｊ澜缟辖?00%的天然氣、85%以上的原油運(yùn)輸是通過管道輸送實(shí)現(xiàn)的，我國(guó)現(xiàn)有在役石油天然氣管道十幾萬(wàn)千米，遍布全國(guó)二十多個(gè)省市以及渤海、黃海、南海等廣大海域[1-2]。隨著國(guó)家對(duì)石油及天然氣等能源產(chǎn)品需求量的迅速增加和國(guó)家戰(zhàn)略儲(chǔ)備的需要，長(zhǎng)距離油氣輸送管道的建設(shè)仍在加速發(fā)展[3]，因此維護(hù)管道的安全運(yùn)行，掌握管道的在役狀況尤為重要。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是保障油氣管道安全運(yùn)行的重要手段，對(duì)于管道的安全管理具有重要意義。近幾年，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（超聲波、磁粉、射線、滲透） 發(fā)展已經(jīng)比較成熟，在質(zhì)量控制、安全保障、事故預(yù)防等方面發(fā)揮了重要作用。但是這些檢測(cè)方法均是檢測(cè)已存在的缺陷，而對(duì)于預(yù)測(cè)缺陷產(chǎn)生的部位、因材料疲勞產(chǎn)生突發(fā)性破壞問題則無(wú)能為力。

本文介紹一種半定量的管道本體腐蝕的檢測(cè)方法——非接觸式磁應(yīng)力（以下簡(jiǎn)稱PMT） 檢測(cè)技術(shù)。該檢測(cè)方法不影響管道正常運(yùn)行，不需要停輸，且對(duì)管道收發(fā)球裝置、管輸壓力等無(wú)要求，總體數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，也能給出腐蝕缺陷大小的范圍分級(jí)，為管道運(yùn)營(yíng)單位提供維護(hù)、維修和使用的決策依據(jù)。

1 PMT檢測(cè)技術(shù)

PMT檢測(cè)技術(shù)基于金屬磁記憶檢測(cè)的原理，利用金屬磁記憶效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)部件應(yīng)力集中部位的快速無(wú)損檢測(cè)。該檢測(cè)技術(shù)能夠在不對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行清理的情況下對(duì)鐵磁性金屬構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)，即微觀缺陷、早期失效和損傷等進(jìn)行診斷，防止突發(fā)性的疲勞破壞，是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一種新的檢測(cè)手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道進(jìn)行長(zhǎng)距離、大范圍的無(wú)損檢測(cè)。

1.1 基本原理

當(dāng)鐵磁性構(gòu)件受到外部載荷作用時(shí)，受地球磁場(chǎng)激勵(lì)，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，磁疇組織的重新取向會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生新的磁狀態(tài)，金屬構(gòu)件表面的這種磁狀態(tài)記憶了微觀缺陷或應(yīng)力集中的位置，即所謂的磁記憶效應(yīng)。

通過在地面沿管道上方實(shí)施檢測(cè)并記錄這些磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)缺陷處管道的受力狀況進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)管道局部應(yīng)力級(jí)別的相應(yīng)變化來評(píng)估缺陷，得出缺陷處管道的應(yīng)力水平、危險(xiǎn)程度、最大允許操作壓力、維修等級(jí)、估算缺陷尺寸和類型等信息，進(jìn)而給出修復(fù)建議。

1.2 缺陷危險(xiǎn)評(píng)估

管道缺陷危險(xiǎn)評(píng)估根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F 來確定：

式中：A為矯正系數(shù)，表示管道缺陷對(duì)磁場(chǎng)變化的影響，在校驗(yàn)程序完成之后確定；Qφ、QaH為在異常區(qū)沿管道軸線方向及背景“靜區(qū)”中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m，由曲線部分的長(zhǎng)度確定。通過相應(yīng)的異常長(zhǎng)度和背景部分相結(jié)合，對(duì)磁場(chǎng)梯度進(jìn)行積分計(jì)算[4]。

磁異常綜合指數(shù)F對(duì)應(yīng)的等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)見表1。

表1 管道檢測(cè)等級(jí)判定情況[5]

2 PMT檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況

2.1 工程概況

PMT 檢測(cè)技術(shù)自2008 年開始在國(guó)內(nèi)逐漸開展應(yīng)用，2010 年左右趨于成熟。南堡油田在2018 年開始應(yīng)用此項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)，主要對(duì)管轄區(qū)內(nèi)（包括陸岸至NP1-1D 輸油管道、NP1-1D 至南堡聯(lián)合站輸氣管道在內(nèi)） 的7 條外輸管道開展PMT 檢測(cè)。

本次被檢測(cè)管段敷設(shè)于環(huán)渤海地區(qū)，地勢(shì)平坦，機(jī)械應(yīng)力缺陷較少；管段周圍土壤電阻率較低；通過資料審查及運(yùn)行狀態(tài)分析，本管段存在的缺陷類型主要為腐蝕。

2.2 典型異常點(diǎn)（段）分析

磁場(chǎng)檢測(cè)按序進(jìn)行，經(jīng)過磁應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)處理和濾波分析，共發(fā)現(xiàn)121 處異常點(diǎn)（段），其中，II 級(jí)磁異常點(diǎn)（段）12 處，III 級(jí)磁異常點(diǎn)（段）109 處，未發(fā)現(xiàn)I 級(jí)異常點(diǎn)（段）。

按區(qū)段選取一處典型異常點(diǎn)段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖1 為D89mm外輸油管道1號(hào)II級(jí)異常點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，紅、綠、藍(lán)三條曲線分別代表了空間X、Y、Z三個(gè)方向的分量，紫色曲線代表總磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度，即磁場(chǎng)在空間方向的矢量和的絕對(duì)值，檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)在距離起點(diǎn)大約1288m 處，出現(xiàn)了4.5m的磁異常區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度為320nT/m；其埋深約為1.55m，如圖2 所示。通過計(jì)算，該處的磁異常綜合指數(shù)值F為0.523，屬于II 級(jí)異常段。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)選取10處II級(jí)異常點(diǎn)和1處Ⅲ級(jí)異常點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證。采用超聲C 掃描檢測(cè)技術(shù)，對(duì)管道壁厚進(jìn)行精細(xì)掃查，得到掃查范圍內(nèi)每一異常點(diǎn)的詳細(xì)剩余壁厚數(shù)據(jù)，從而判斷管道的母材壁厚減薄情況及減薄趨勢(shì)，與PMT 檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對(duì)比，驗(yàn)證PMT 檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 異常點(diǎn)開挖驗(yàn)證情況統(tǒng)計(jì)

以D89-1處異常點(diǎn)為例，開挖后超聲C 掃描結(jié)果表明壁厚呈均勻減薄狀態(tài)，最大剩余壁厚值為3.9mm（設(shè)計(jì)壁厚4.0mm），減薄率為2.5%；最小剩余壁厚出現(xiàn)在4 點(diǎn)鐘至7 點(diǎn)半鐘區(qū)域內(nèi)，最小值為3.0mm，減薄率為25%，符合PMT 檢測(cè)評(píng)級(jí)。

以D457/323-1 處異常點(diǎn)為例，開挖后超聲C掃描結(jié)果表明壁厚呈均勻減薄狀態(tài)，最大剩余壁厚值為7.0mm（設(shè)計(jì)壁厚7.1 mm），減薄率為1.4%；最小剩余壁厚出現(xiàn)在3 點(diǎn)鐘至8 鐘點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，最小值為5.6mm，減薄率為21.1%，符合PMT檢測(cè)評(píng)級(jí)。

以D219-1 異常點(diǎn)為例，開挖后超聲C 掃描結(jié)果表明最大壁厚減薄率為2%，但是現(xiàn)場(chǎng)開挖發(fā)現(xiàn)，該處為管道對(duì)接處，存在1.5mm 焊縫錯(cuò)位，如圖3 所示，管道對(duì)接處相當(dāng)于損失壁厚25%，符合PMT 檢測(cè)評(píng)級(jí)。

圖1 D 89mm外輸油管道1號(hào)II級(jí)異常點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度曲線

圖2 D89mm外輸油管道1號(hào)II級(jí)異常點(diǎn)埋深

圖3 D219-1異常點(diǎn)焊縫錯(cuò)位

通過選取11 處異常點(diǎn)的開挖驗(yàn)證，8 處與PMT 檢測(cè)結(jié)果一致，3 處不一致，評(píng)級(jí)符合率為73%。

3 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式磁應(yīng)力（PMT） 檢測(cè)技術(shù)采用外檢測(cè)的方式，對(duì)管道磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，給出較為豐富的管道本體缺陷數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果。該檢測(cè)技術(shù)適用于長(zhǎng)距離管道的腐蝕缺陷檢測(cè)，無(wú)需接觸管道本體，即可獲得管道的評(píng)級(jí)情況，簡(jiǎn)單快捷。在冀東油田對(duì)7 條管道進(jìn)行PMT 檢測(cè)時(shí)，對(duì)其中11 個(gè)檢測(cè)異常點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)PMT 檢測(cè)技術(shù)的符合率為73%，能夠較好地判斷管道的腐蝕情況，對(duì)下一步具體驗(yàn)證與開挖治理提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。