鄧茂云，秦明旺，陳 浩

（西南石油大學(xué) 工程學(xué)院，四川 成都 610500）

1 背景

非接觸式磁記憶檢測(cè)技術(shù)能夠在不接觸檢測(cè)管道的情況下，通過探棒探測(cè)管道的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況，對(duì)這些磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出管道上的異常應(yīng)力變化，既能對(duì)形成的宏觀裂紋進(jìn)行檢測(cè)，又可發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部的微觀缺陷以及異常應(yīng)力集中，探測(cè)管道的早期隱型損傷。尤其在近兩年，非接觸式金屬磁記憶技術(shù)在埋地油氣管道的缺陷檢測(cè)、微裂紋檢測(cè)上開展了較多應(yīng)用，該技術(shù)優(yōu)于其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的這種方便、準(zhǔn)確、快捷的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。但也正是因?yàn)檫@門技術(shù)的新穎性，目前缺乏對(duì)各種不同管道的磁記憶信號(hào)的研究，缺乏相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，限制了該技術(shù)在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，因此有必要開展相關(guān)研究。

2 非接觸式管道磁記憶檢測(cè)技術(shù)原理

非接觸式磁記憶檢測(cè)方法所測(cè)量的是位于管道周圍的磁場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，檢測(cè)儀器信號(hào)接收器需水平握持，儀器軸向垂直于管道走向，如圖1所示。

圖1 非接觸式管道磁記憶檢測(cè)示意圖

根據(jù)鐵磁材料的原始應(yīng)力磁化模型計(jì)算出管道缺陷的磁化強(qiáng)度：

式（1）中：M為磁化強(qiáng)度，A/m；Hg為地磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；μ0為真空磁導(dǎo)率，T·m/A；α，c 為與材料的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；Man為無(wú)磁滯的磁化強(qiáng)度，A/m。

測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信號(hào)為磁感應(yīng)強(qiáng)度的三個(gè)分量沿X方向的變化量為△Bx、△By、△Bz，經(jīng)過公式推導(dǎo)，得到磁場(chǎng)的梯度模量：

埋地鐵磁管道被地磁場(chǎng)磁化后產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)主要反映該處的應(yīng)力變化，而管道各種應(yīng)力變化主要由缺陷、焊縫引起，分析這些數(shù)據(jù)，就可以得到環(huán)焊縫的位置。

3 埋地鐵磁管道焊縫定位檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用“非接觸式管道磁記憶檢測(cè)方法（ZL 201310020694.0）”檢測(cè)儀器，根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會(huì)頒布的《運(yùn)用非接觸式磁檢測(cè)方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南》（PД 102），利用高精度三維磁場(chǎng)梯度測(cè)試系統(tǒng)確定管段的磁異常分布特征、綜合應(yīng)力水平，探尋環(huán)焊縫的位置。

3.1 檢測(cè)步驟

利用LD8000 進(jìn)行管線路由及埋深測(cè)繪、管線勘察與條件分析、管線正上方磁信號(hào)采集、基礎(chǔ)資料收集和分析、磁信號(hào)數(shù)據(jù)分析與定位。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)dz處于波峰或者波谷時(shí)，另兩條曲線的波動(dòng)也比較大，由金屬磁記憶檢測(cè)的一般缺陷定性判斷方法，在管道環(huán)焊縫位置，也符合磁信號(hào)曲線的切向分量有最大值，法向分量過其曲線波動(dòng)的零值點(diǎn)且改變符號(hào)，較有力地證明了此位置即環(huán)焊縫的位置。

4 埋地管道環(huán)焊縫力磁效應(yīng)仿真分析

4.1 建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)管道焊接國(guó)標(biāo)《焊接工藝規(guī)程》（GB/T 19866—2005）、《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》（GB/T 31032—2014），得到環(huán)焊縫的大小、形狀數(shù)據(jù)，建立環(huán)焊縫模型。非接觸磁記憶檢測(cè)結(jié)果如圖2所示?？紤]環(huán)焊縫附近應(yīng)力集中，對(duì)此處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，如圖3所示。

圖2 非接觸磁記憶檢測(cè)結(jié)果曲線

圖3 管道環(huán)焊縫幾何實(shí)體模型

材料基本屬性如表1所示。

表1 材料基本屬性

4.2 加載及求解

埋地鐵磁管道受到內(nèi)部壓力和外面土壤的壓力，引起管道內(nèi)部的變化。

將土體外表面以及管道端面定義約束，添加重力場(chǎng)，管道內(nèi)部壓力為4 MPa。在環(huán)焊縫處，焊材與管材不同，因焊接高溫引起兩材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化不同，環(huán)焊縫處就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在內(nèi)部壓力的作用下環(huán)焊縫呈現(xiàn)由內(nèi)而外應(yīng)力逐漸減小，如圖4所示。

內(nèi)表面力最大，越往外，反而越小，根據(jù)鐵磁試件磁疇 組織隨應(yīng)力變化的相關(guān)理論，猜測(cè)管道內(nèi)部由于應(yīng)力引起的磁疇組織變化，從而產(chǎn)生的磁場(chǎng)其在軸線方向上的分量會(huì)達(dá)到最大值。

管道與土壤接觸面的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖4 環(huán)焊縫應(yīng)力分布云圖

圖5 與土壤接觸面應(yīng)力云圖

管道受到土壤的壓力，其表面的壓力在環(huán)焊縫處有明顯的集中現(xiàn)象?？拷艿蓝瞬浚瑧?yīng)力最小。

5 檢測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比聯(lián)合檢測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果，如圖6所示。

圖6 檢測(cè)結(jié)果和應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比

檢測(cè)結(jié)果分析出環(huán)焊縫的位置，同應(yīng)力分析結(jié)果，環(huán)焊縫處應(yīng)力集中最大。

根據(jù)金屬磁記憶檢測(cè)原理，應(yīng)力變化引起磁疇組織變化，在檢測(cè)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果都正確的基礎(chǔ)上，說明非接 觸式金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以用來進(jìn)行埋地鐵磁管道環(huán)焊 縫的定位，為埋地鐵磁管道的檢測(cè)奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

通過磁場(chǎng)分析得到的結(jié)果與金屬磁記憶檢測(cè)一般缺陷判斷原則，在應(yīng)力集中位置切向分量有極大值，法向分量過0 值點(diǎn)，管道環(huán)焊縫的磁場(chǎng)信號(hào)符合判斷準(zhǔn)則。對(duì)比應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果和磁記憶檢測(cè)的缺陷曲線顯示圖，符合磁疇組織變化，引起應(yīng)力變化，最終產(chǎn)生磁場(chǎng)的相關(guān)理論，說明本次數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確。說明非接觸式金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以用來進(jìn)行埋地鐵磁管道環(huán)焊縫的定位，為埋地鐵磁管道的檢測(cè)提供了依據(jù)。