曹 航 高倩鈺 王 真 張曉虎 古家興 劉媛媛

（中冶建筑研究總院有限公司-中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100088）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求日益增加，我國(guó)的油氣管線里程數(shù)也在逐年遞增。許多長(zhǎng)輸埋地的油氣管道因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特征或受敷設(shè)條件復(fù)雜限制，對(duì)管道實(shí)施內(nèi)檢測(cè)不太現(xiàn)實(shí)，缺少一種可以經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)手段來(lái)判斷管道的應(yīng)力集中位置和應(yīng)力集中程度[1]。按照GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的要求，采取現(xiàn)場(chǎng)使用檢測(cè)或試驗(yàn)等技術(shù)方式來(lái)進(jìn)行管道安全性檢測(cè)，這是油氣輸送管道完整性評(píng)估的重要依據(jù)[2]。目前我國(guó)管道外檢測(cè)方法比較多，大多是針對(duì)管線的涂層、防腐層完整性、陰極保護(hù)有效性等因素進(jìn)行的檢測(cè)和評(píng)價(jià)[3]，無(wú)法對(duì)管道缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)和評(píng)估，通常需要結(jié)合開(kāi)挖檢測(cè)，不具備普遍意義。

“金屬磁記憶”的概念是俄羅斯學(xué)者杜波夫于1994年第一次提出的[4]，在此之前的技術(shù)文獻(xiàn)里都未曾出現(xiàn)過(guò)，該技術(shù)可以對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力集中檢測(cè)，對(duì)于長(zhǎng)輸管道而言就是可用此技術(shù)對(duì)以現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)無(wú)法進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的管道進(jìn)行檢測(cè)，管體缺陷處往往伴隨應(yīng)力集中產(chǎn)生，從而導(dǎo)致缺陷處磁場(chǎng)的改變[5]，因此可以用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力集中檢測(cè)，診斷油氣管道的安全性，對(duì)管道運(yùn)維，企業(yè)穩(wěn)定經(jīng)營(yíng)有著重要意義[6]。

非接觸金屬磁記憶檢測(cè)是一種無(wú)損外檢測(cè)方法，基本原理是利用金屬磁記憶效應(yīng)來(lái)檢測(cè)部件應(yīng)力集中部位，采集數(shù)據(jù)并開(kāi)挖驗(yàn)證即可完成，并可得出較為豐富的缺陷數(shù)據(jù)和評(píng)估結(jié)果，達(dá)到部分漏磁檢測(cè)效果。各種檢測(cè)技術(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 各種管道檢測(cè)技術(shù)功能及需求對(duì)比

1 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 檢測(cè)原理

金屬磁記憶檢測(cè)工作的基本原理是記錄和分析產(chǎn)生在制件和設(shè)備應(yīng)力集中區(qū)中的自有漏磁場(chǎng)的分布情況[7,8]。該檢測(cè)方法基于逆磁致伸縮效應(yīng)（也被稱為維拉里效應(yīng)），逆磁致伸縮效應(yīng)是指金屬材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)磁化（或磁化率）的產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。

自有漏磁場(chǎng)反映著磁化強(qiáng)度朝著工作載荷主應(yīng)力作用方向上的不可逆變化，以及零件和焊縫在其制造和于地球磁場(chǎng)中冷卻后，其金屬組織和制造工藝的遺傳性。金屬磁記憶方法在檢測(cè)中，使用的是天然磁化強(qiáng)度和制件及設(shè)備金屬中對(duì)實(shí)際變形和金屬組織變化的以金屬磁記憶形式表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果[9]。

運(yùn)用應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀對(duì)管道周?chē)艌?chǎng)異常進(jìn)

⑤檢測(cè)對(duì)象不應(yīng)是人工磁化的金屬，且靠近檢測(cè)對(duì)象（1米以內(nèi)）不應(yīng)有外部磁場(chǎng)源和電焊場(chǎng)源。

（2）檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：

①GB/T 26641-2011《無(wú)損檢測(cè) 磁記憶檢測(cè) 總則》；

②ISO 24497-1:2020（E）《無(wú)損檢測(cè)-金屬磁記憶》[14]；

③GB/T 35090-2018《無(wú)損檢測(cè) 管道弱磁檢測(cè)方法》[15]；

④俄羅斯動(dòng)力診斷公司《采用金屬磁記憶方法非接觸式檢測(cè)石油天然氣主干管道及其分支的規(guī)程》；

⑤Д102，俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會(huì)《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》[16,17]。

2 檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

本次檢測(cè)的埋地管道為某輸油管道，總長(zhǎng)為83.7km，設(shè)計(jì)壓力6.3～6.4MPa，管道規(guī)格D159×5mm和D219×6.4mm兩種，均為20號(hào)無(wú)縫鋼管，管道平均埋深為1.89m。為了更準(zhǔn)確地掌握管道的現(xiàn)狀，采用了非接觸式金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)對(duì)該管線的埋地管道進(jìn)行了有效的檢測(cè)，評(píng)估管道金屬本體受力情況及是否存在缺陷和應(yīng)力集中區(qū)域。

輸油埋地管道在實(shí)際工程應(yīng)用中不可避免地會(huì)受到應(yīng)力集中的威脅。由于管道中腐蝕和微觀缺陷會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的產(chǎn)生，因此實(shí)施磁記憶非接觸式檢測(cè)不僅可以檢出腐蝕等缺陷，還可以對(duì)管道危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行早期預(yù)警[18]。定期監(jiān)測(cè)埋地長(zhǎng)輸油氣管道磁場(chǎng)的變化，可識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)的管段區(qū)域；該技術(shù)可對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道防腐層外檢測(cè)和管道內(nèi)檢測(cè)手段做進(jìn)一步的補(bǔ)充，特別是對(duì)不能進(jìn)行常規(guī)內(nèi)檢測(cè)的埋地管道和一些特殊管段是一種很有價(jià)值的檢測(cè)手段[19]。

2.2 檢測(cè)過(guò)程及損傷等級(jí)評(píng)估

圖3為非接觸式金屬磁記憶檢測(cè)及分析流程圖，金屬磁記憶技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)主要分為4個(gè)部分：

圖3 非接觸式金屬磁記憶檢測(cè)及分析流程圖

（1）首先使用PCM等管道定位儀器對(duì)待檢管道路由進(jìn)行定位以及埋深的測(cè)量；

（2）檢測(cè)人員使用TSC-7M-16應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀沿著管道路由進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，出現(xiàn)磁場(chǎng)異常時(shí)標(biāo)記位置[10]；

（3）對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析之后，明確開(kāi)挖校正的數(shù)量及開(kāi)挖的校驗(yàn)點(diǎn)的位置；

（4）進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，根據(jù)開(kāi)挖結(jié)果對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的定量分析，出具檢測(cè)報(bào)告[14]。

對(duì)于含有損傷的管段，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(jí)，F(xiàn)值按下式計(jì)算[15]：

式中：A為修正系數(shù)；

G為損傷程度的度量值。

參考GB/T 35090-2018《無(wú)損檢測(cè) 管道弱磁檢測(cè)方法》，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，管道應(yīng)力損傷等級(jí)分為3個(gè)等級(jí)，如表3所示：Ⅰ級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)，Ⅱ級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)，Ⅲ級(jí)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)力損傷等級(jí)見(jiàn)表3管道應(yīng)力損傷等級(jí)劃分表3[1]、[15]。

表3 管道應(yīng)力損傷等級(jí)劃分

2.3 檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)使用PCM和ACVG共檢測(cè)出防腐層破損點(diǎn)44處。使用TSC-7M-16應(yīng)力集中磁檢測(cè)儀對(duì)83.7km輸油管道進(jìn)行檢測(cè)，共識(shí)別出150處應(yīng)力集中區(qū)域。其中有5個(gè)Ⅰ級(jí)應(yīng)力異常點(diǎn)，15個(gè)Ⅱ級(jí)應(yīng)力異常點(diǎn)，130個(gè)Ⅲ級(jí)應(yīng)力異常點(diǎn)，管道整體狀況比較好，對(duì)Ⅰ級(jí)應(yīng)力異常點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證。

管道途徑區(qū)域大部分為農(nóng)田位置，另有部分管道穿越樹(shù)林、果林、雜草叢等儀器無(wú)法測(cè)量路段，另外管道通過(guò)增加套管的方式穿越公路、溝渠、河道等。所測(cè)得的應(yīng)力集中區(qū)域已根據(jù)實(shí)際情況排查確認(rèn)外部的影響因素，如地下交叉管道、三通、套管、地下金屬裝置等。

2.4 開(kāi)挖驗(yàn)證

（1）1#異常點(diǎn)開(kāi)挖

在1#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)該位置為盜油閥。管道原始壁厚5.5mm，采用超聲波測(cè)厚最小壁厚值5.44mm。圖4和圖5分別為1#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線和開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)圖；

圖4 1#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線

圖5 1#開(kāi)挖點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（2）2#異常點(diǎn)開(kāi)挖

在2#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)有4處機(jī)械劃痕，最深處3mm。管道原始壁厚5.5mm，超聲波測(cè)厚最小壁厚值5.15mm。該點(diǎn)有4處機(jī)械劃痕，劃痕最深處為3mm，劃痕總長(zhǎng)度280mm，寬度200mm。圖6和圖7分別為2#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線和開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)圖；

圖6 2#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線

圖7 2#開(kāi)挖點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（3）3#異常點(diǎn)開(kāi)挖

在3#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)管體變形。管道原始壁厚5.5mm，超聲波測(cè)厚最小壁厚值5.03mm。該點(diǎn)管體變形，表面有腐蝕坑，有黑褐色腐蝕產(chǎn)物。管體變形長(zhǎng)度12cm，寬度8cm，深度1.3cm，凹陷深度占管道直徑的8.18%。圖8和圖9分別為3#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線和開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)圖；

圖8 3#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線

圖9 3#開(kāi)挖點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（4）4#異常點(diǎn)開(kāi)挖

在4#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)管道出露位置，打開(kāi)防腐層后發(fā)現(xiàn)管體有1個(gè)長(zhǎng)550mm，寬130mm，最大深度為10mm，的管體變形。管體有黑褐色腐蝕產(chǎn)物。管道原始壁厚6.4mm，超聲波測(cè)厚最小值為6.37mm。圖10和圖11分別為4#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線和開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖10 4#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線

圖11 4#開(kāi)挖點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（5）5#異常點(diǎn)開(kāi)挖

在5#磁應(yīng)力異常位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)有兩處劃痕長(zhǎng)大小分別為19×1cm、6×1cm，深度均為1mm。管體外腐蝕有三處，大小分別為25×8cm、20×2cm、24.5×22cm。管道原始壁厚6.4mm，設(shè)計(jì)壓力6.4Mpa，超聲波測(cè)厚最小值為6.18mm。圖12和圖13分別為5#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線和開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖12 5#開(kāi)挖點(diǎn)非接觸式磁記憶檢測(cè)曲線

圖13 5#開(kāi)挖點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖（防腐層破損、管體劃痕）

3 結(jié)語(yǔ)

非接觸金屬磁記憶技術(shù)是一種檢測(cè)長(zhǎng)輸油氣管道完整性的有效手段，通過(guò)理論研究及實(shí)際應(yīng)用效果分析，該技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)受檢對(duì)象不要求做任何表面處理，無(wú)需人工磁化；

（2）該技術(shù)不僅能檢測(cè)停工修理的設(shè)備，也能檢測(cè)正在運(yùn)行的設(shè)備；

（3）能高精度確定金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)，和常規(guī)檢測(cè)方法配合能提高檢測(cè)精度和效率；

（4）該技術(shù)使用便攜式儀表，重量輕，配有可拆卸電池，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)；

（5）對(duì)金屬制件，該技術(shù)能保證百分之百的質(zhì)量檢測(cè)，同時(shí)也能進(jìn)行壽命評(píng)估。

綜上所述，非接觸金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)能夠直接檢測(cè)金屬構(gòu)件上的應(yīng)力集中情況，是一種有效的金屬構(gòu)件直接無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可結(jié)合其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道應(yīng)力集中程度的檢測(cè)，同時(shí)也是一種對(duì)管道完整性檢測(cè)的補(bǔ)充，對(duì)油氣管道的安全運(yùn)營(yíng)有著重要意義。