廖柯熹，何騰蛟，李明紅，何國璽

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500; 2.中國石油西南管道公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展形勢下，國家對石油及天然氣等能源產(chǎn)品的需求在不斷增加，埋地鋼制管道輸送是目前油氣輸送的主要手段[1]。但是，埋地油氣管道在服役期間會因?yàn)槭艿骄植枯d荷的作用，使其在受力位置產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，該區(qū)域的存在容易誘發(fā)裂紋[2]，導(dǎo)致管道失效乃至發(fā)生事故。因此，對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行檢測與評估，可以起到對鐵磁管道早期診斷的作用，有力保障管道的安全運(yùn)行。

磁力檢測技術(shù)是一種有效檢測鐵磁管道應(yīng)力集中的方法，在地磁場磁化作用下，管道應(yīng)力集中區(qū)域會產(chǎn)生自漏磁場的畸變，通過檢測突變磁場可以判斷應(yīng)力集中情況[3]。在國內(nèi)，賈東等[4]通過不同載荷水平下的板材拉伸實(shí)驗(yàn)，得到試件表面磁場長度方向分量極值、法向分量梯度值以及合成矢量的變化規(guī)律；楊梅芳等[5]設(shè)計(jì)研制一款基于磁導(dǎo)率檢測原理的高靈敏傳感器，用于檢測鐵磁試件應(yīng)力集中狀態(tài)。任尚坤等[6]通過循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)研究了磁信號隨拉應(yīng)力的變化規(guī)律，建立了磁化強(qiáng)度與拉應(yīng)力的關(guān)系模型。在國外，Sablik等[7]分別建立了塑性變形和雙軸應(yīng)力下鐵磁材料的磁化理論和模型；Wilson等[8]通過對磁記憶信號空間三分量的實(shí)驗(yàn)研究，得出磁場強(qiáng)度切向分量與應(yīng)力之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性；Roskosz等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了殘余應(yīng)力與剩磁之間的關(guān)系，建立了磁場梯度與殘余應(yīng)力之間定量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)算法。

國內(nèi)外學(xué)者在應(yīng)力檢測裝置研制以及應(yīng)力與磁場參數(shù)的定量關(guān)系研究等方面做了一些工作，但針對工程實(shí)際應(yīng)用的檢測方法研究較少；因此，本文提出一種有效的磁力檢測方法用于檢測埋地油氣管道的應(yīng)力集中位置和評價(jià)應(yīng)力集中程度，并在中石油某長輸輸氣干線利用非接觸式磁力檢測大范圍排查應(yīng)力集中管段，然后對應(yīng)力集中嚴(yán)重管段開挖后進(jìn)行接觸式磁記憶檢測確定應(yīng)力集中具體部位，并采用X射線探傷驗(yàn)證磁檢測結(jié)果，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 非接觸式磁力檢測

非接觸式磁力檢測由于具有在非開挖條件下檢測、檢測速度快、不受管道尺寸和形狀的限制、可實(shí)現(xiàn)管道設(shè)備100%檢測的技術(shù)特點(diǎn)，可對埋地管道進(jìn)行大范圍檢測，尤其可用于對直徑大，彎頭多，地形復(fù)雜的山地管道進(jìn)行快速檢測。

1.1 檢測原理

在地磁場和應(yīng)力的共同作用下，埋地鐵磁性管道內(nèi)部的磁疇發(fā)生可逆或不可逆的重新取向，導(dǎo)致管道的總磁矩發(fā)生變化，宏觀上表現(xiàn)出磁性并在管道周圍產(chǎn)生附加磁場，這種磁場疊加于地磁場之上，能夠反映管道的應(yīng)力狀態(tài)，且該磁場與技術(shù)磁化引起的磁場存在差異，同時為便于與漏磁檢測產(chǎn)生的磁場區(qū)分，該磁場通常被稱為自漏磁場[10]。局部應(yīng)力狀態(tài)的變化導(dǎo)致管道應(yīng)力集中部位的自漏磁場發(fā)生畸變（如圖1所示），因此通過對自漏磁場的檢測即可識別出管道應(yīng)力集中區(qū)域?；谶@一原理，形成了基于鐵磁材料表面自漏磁場的非接觸式磁力檢測技術(shù)。

圖1 管道應(yīng)力集中自漏磁場特征示意圖

非接觸式管道磁力檢測是針對具有一定埋深、受地磁場磁化的鐵磁性管道開展的無損檢測技術(shù)。該方法基于管道上方地面的自漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度三分量信號，計(jì)算得到管道的梯度信號，從而識別管道的應(yīng)力集中區(qū)域。

1.2 檢測方法及應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

1.2.1 檢測方法

在現(xiàn)場實(shí)地測量過程中，非接觸式掃描磁力計(jì)水平放置，保持其軸向垂直于管道走向，具體如圖2所示。其中Y軸正向?yàn)楣艿雷呦颍?號探頭、2號探頭檢測的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量軸向分布彼此對應(yīng)相同，且均符合右手定則。

圖2 非接觸檢測走向示意圖

所得測量結(jié)果為P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度三分量沿垂直于管道軸向的梯度通過下式計(jì)算得到梯度模量GM：

式中：i——磁感應(yīng)強(qiáng)度的x，y，z方向；

Bi1——1號傳感器i方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，nT；

Bi2——2號傳感器i方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度，nT；

l——探測儀的長度，m。

1.2.2 應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

對于含有應(yīng)力損傷的管段，根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F確定損傷管段的應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級[11]，F(xiàn)值按下式計(jì)算：

式中：A——修正系數(shù)；

GM——應(yīng)力集中的度量值。

參考GB/T 35090-2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，管道應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級分為3個等級：Ⅰ級為高風(fēng)險(xiǎn)，Ⅱ級為中等風(fēng)險(xiǎn)，Ⅲ級為低風(fēng)險(xiǎn)，磁異常綜合指數(shù)F值范圍與相應(yīng)的管道應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級見表1。

表1 管道應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

1.3 非接觸式磁力檢測設(shè)備

研究采用的檢測裝置Grad-03-500M主要分為3個部分：1）磁傳感器探頭，設(shè)置在探測器的兩端，兩傳感器之間距離為0.5 m。2）顯示與控制部分，其中顯示儀顯示探頭測得的兩點(diǎn)之間磁感應(yīng)強(qiáng)度差值，同時設(shè)備也具有無線傳輸功能，可以將測得的實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞到遠(yuǎn)端電腦。3）電源，為設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的輸出電流，如圖3所示。

圖3 非接觸式三維磁力檢測系統(tǒng)

磁傳感器的具體參數(shù)如表2所示。

2 接觸式磁記憶檢測

通過非接觸式磁力檢測可以確定應(yīng)力集中區(qū)域所在的管段（異常管段長度一般為1~2 m），在確定應(yīng)力集中相對嚴(yán)重的管段位置之后，通過開挖進(jìn)行接觸式檢測找出異常管段內(nèi)具體的應(yīng)力集中部位。同時，非接觸式磁力檢測在實(shí)際檢測條件下可能受到外界環(huán)境其他磁信號的干擾，如沿線的高壓線，電氣化鐵路以及鐵制構(gòu)件等，造成誤檢的情況，所以需要對檢測出的疑似應(yīng)力集中管段采用開挖接觸式檢測方法進(jìn)行核實(shí)。

表2 傳感器參數(shù)

目前，對鐵磁管道應(yīng)力集中區(qū)域的接觸式檢測方法主要為金屬磁記憶檢測，這種方法具有較快的檢測速度，十分適用于現(xiàn)場即時檢測。

2.1 檢測原理

磁記憶檢測的工作原理在于管體的應(yīng)力分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響表面磁場分布，通過測量管道表面磁場Hp的分布，實(shí)現(xiàn)檢測管道或管道局部的應(yīng)力狀況。如圖4所示，應(yīng)力集中區(qū)的法向磁場強(qiáng)度分量Hp（y）出現(xiàn)過零點(diǎn)，切向磁場強(qiáng)度分量Hp（x）達(dá)到極大值[12]。

圖4 應(yīng)力集中區(qū)磁記憶信號表現(xiàn)形式

2.2 判定依據(jù)

目前認(rèn)為可作為判定應(yīng)力集中的磁記憶信號特征值主要有以：

1）應(yīng)力集中區(qū)域的磁場強(qiáng)度法向分量Hp（y）過零點(diǎn)；2）在檢測方向上，應(yīng)力集中區(qū)域的磁場強(qiáng)度梯度K值明顯大于管道其他部位；3）應(yīng)力集中會使李薩如圖（Lissajous-Figure）出現(xiàn)對應(yīng)的封閉區(qū)域，并且封閉區(qū)域的面積會隨著應(yīng)力集中程度的增加而增大[13]。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

金屬磁記憶檢測是目前對在役管道應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測評估唯一可行的接觸式檢測技術(shù)。且與傳統(tǒng)的無損檢測方法相比，具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)[14]：

1）利用地磁場對鐵磁性管道進(jìn)行磁化，無需專門的磁化設(shè)備；2）不需要對管道表面進(jìn)行特殊處理；3）檢測儀與管道表面之間不需要填充耦合劑；4）檢測時探頭與被測管道不接觸，因此不需要剝離防腐層；5）應(yīng)力集中磁信號特征明顯，檢測準(zhǔn)確性高。

3 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

對某高后果區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害區(qū)疊加地帶輸氣管道進(jìn)行磁力外檢測，確定應(yīng)力集中管段位置以及應(yīng)力集中部位，檢測管道長度為500 m。該管線于2013年建成投產(chǎn)，管線規(guī)格為Φ508 mm×9 mm，管道設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，在役運(yùn)行壓力為4.87~4.92 MPa，管道本體材質(zhì)L360，防腐層采用3層結(jié)構(gòu)聚乙烯涂層（3PE）。

檢測管道沿縱坡敷設(shè)，縱坡傾角為45°~60°，坡體土質(zhì)疏松，雨季降雨量大，曾多次發(fā)生滑坡，造成管道局部應(yīng)力集中，嚴(yán)重威脅管道安全，急需進(jìn)行一次系統(tǒng)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行維修。

3.1 檢測流程

根據(jù)國家發(fā)明專利 “非接觸式管道磁檢測方法”排查應(yīng)力集中管段[15]，主要檢測步驟如圖5所示。

圖5 磁力外檢測技術(shù)工程應(yīng)用主要步驟

3.2 非接觸式磁力檢測掃查

采用非接觸式磁力檢測系統(tǒng)對500 m管段進(jìn)行檢測，該地區(qū)的大地磁場強(qiáng)度背景值722 nT，檢測到的最大磁場異常幅度為11 800 nT。基于輸氣管段的設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)采集的管道磁場變化情況，最終形成管道磁異常管段位置、綜合磁異常指數(shù)F值和應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級等結(jié)果。在已檢測的500 m高后果區(qū)輸氣管段中，除陰保樁引起的明顯磁信號變化外，共發(fā)現(xiàn)2處磁異常管段出現(xiàn)較明顯的磁場信號變化，如圖6所示。

圖6 檢測管道非接觸磁檢測信號

參考GB/T 35090-2018，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過計(jì)算全線的磁異常綜合指數(shù)F值確定應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級較高的磁異常管段，全線的F值分布如圖7所示，確定出的磁異常管段如表3所示。

圖7 檢測管道磁異常指數(shù)F值分布

表3 磁異常管段參數(shù)

3.3 開挖檢測定位

對應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級較大的磁異常管段CY02進(jìn)行開挖磁記憶檢測定位，一方面判斷非接觸式磁力技術(shù)檢測評價(jià)的應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級與磁記憶設(shè)備直接檢測的結(jié)果是否吻合；另一方面確定具體的應(yīng)力集中部位和導(dǎo)致應(yīng)力集中的原因。

開挖檢測步驟[16]：開挖坑長度以異常點(diǎn)為中心前后各1.5 m，深度在管道底部0.5 m以下，并在管道兩旁各留出1.0 m寬度。使用金屬磁記憶檢測儀對開挖管道進(jìn)行檢測，校核應(yīng)力情況和確定應(yīng)力集中部位。

3.3.1 開挖管段概況

CY02開挖管段為直管段，管道埋深2 m。開挖長度為3 m、寬度為3 m、深度為2.5 m。管道外防腐層完好，表面無凹陷變形，管段中部有環(huán)焊縫，見圖8。

3.3.2 金屬磁記憶檢測

檢測設(shè)備采用俄羅斯動力診斷公司研制的TSC-2M-8檢測儀，探頭由4個2通道傳感器組成，可以檢測磁場強(qiáng)度Hp，以及計(jì)算磁場強(qiáng)度梯度值K，奇數(shù)通道為切向分量測量結(jié)果，偶數(shù)通道為法向分量測量結(jié)果[17]。順氣流方向沿開挖管段12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)各時鐘方位分別進(jìn)行軸向檢測以及沿環(huán)焊縫進(jìn)行環(huán)向檢測，檢測方式如圖9所示。

CY02管段各個時鐘方位的軸向檢測磁記憶信號表現(xiàn)出相同的變化特征，選取信號變化較為明顯的12點(diǎn)鐘方位的磁記憶檢測結(jié)果進(jìn)行分析，相應(yīng)的檢測結(jié)果如圖10所示。管段在距檢測起點(diǎn)1~1.1 m范圍內(nèi)（環(huán)焊縫位置）的多道磁場強(qiáng)度曲線劇烈變化，磁場強(qiáng)度曲線存在過零點(diǎn)現(xiàn)象，且相較于管段其他部位，環(huán)焊縫位置磁場強(qiáng)度梯度值出現(xiàn)明顯的峰值特征，超過了規(guī)定極限值，判斷環(huán)焊縫位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖8 CY02開挖管段

圖9 CY02管段金屬磁記憶檢測方式示意圖

圖10 CY02管段磁記憶檢測信號

采用第6通道法向磁記憶信號作為橫坐標(biāo)，第5通道切向磁記憶信號作為縱坐標(biāo)，繪制李薩如圖，如圖11所示。由圖可見，李薩如圖出現(xiàn)了封閉區(qū)域，封閉區(qū)域反映的即是開挖管段上環(huán)焊縫附近的應(yīng)力集中區(qū)，封閉區(qū)域的面積大小反映了磁場的突變大小，進(jìn)而反映其應(yīng)力集中程度，其他部位不存在明顯的封閉區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)較小。

圖11 CY02管段軸向檢測李薩如圖

環(huán)焊縫環(huán)向檢測結(jié)果如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)焊縫在6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方向磁場強(qiáng)度梯度dH/dx值明顯大于其他時鐘方位，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)論分析判斷，環(huán)焊縫存在焊縫缺陷。進(jìn)而導(dǎo)致含缺陷焊縫在滑坡荷載作用下形成了應(yīng)力集中區(qū)域。

圖12 CY02管段環(huán)焊縫環(huán)向檢測信號

采用X射線探傷儀對環(huán)焊縫的6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘方位進(jìn)行檢測，驗(yàn)證環(huán)焊縫是否存在缺陷，評定結(jié)果如表4所示，相應(yīng)的X射線探傷缺陷圖譜如圖13所示。根據(jù)檢測結(jié)果，兩個位置均存在內(nèi)咬邊缺陷，根據(jù)SY/T4109-2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)[19]缺陷等級評定為Ⅳ級，為不合格焊縫，與非接觸式磁力檢測評定的應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級相一致，需要立即修復(fù)。

表4 焊口X射線檢測結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖13 焊縫缺陷X射線探傷

4 結(jié)束語

鐵磁材料的磁信號反映了材料所受應(yīng)力及損傷的狀態(tài)，通過非接觸式磁力檢測的磁信號參數(shù)，可以定量評價(jià)油氣管道的應(yīng)力集中程度；金屬磁記憶檢測手段驗(yàn)證了開挖管段存在強(qiáng)烈的應(yīng)力集中并定位了應(yīng)力集中點(diǎn)，X射線檢測手段發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力集中點(diǎn)存在缺陷，且評級結(jié)果與非接觸式磁力檢測評價(jià)的損傷等級一致，通過非接觸式磁力檢測大范圍掃查，接觸式磁記憶檢測準(zhǔn)確定位等技術(shù)，可以有效檢測出埋地油氣管道的應(yīng)力集中區(qū)域。