丁疆強(qiáng)，姜永濤，毛 建，白 楊，高志貴，金兆波

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司，上海 200122

2.天津市嘉信技術(shù)工程公司，天津 300384

3.大慶市匯通建筑安裝工程有限公司，黑龍江大慶 163311

因焊口開裂引起的油氣管道泄漏事故，嚴(yán)重影響管道的正常運(yùn)行并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境破壞，威脅生命財(cái)產(chǎn)的安全。通過采用有效的技術(shù)手段排查出缺陷焊縫，及早采取維修措施是應(yīng)對(duì)這類安全隱患的合理途徑。目前，針對(duì)管道缺陷焊縫的檢測(cè)手段不能完全滿足工程的需要，內(nèi)檢測(cè)手段雖然能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出焊縫及其對(duì)應(yīng)的管道里程位置，但很難在地面上精確定位開挖出有缺陷的焊縫，因此油氣管道企業(yè)迫切需要一種能夠在非開挖條件下探測(cè)出缺陷焊縫并精確定位的技術(shù)手段。

磁應(yīng)力檢測(cè)也稱金屬磁記憶技術(shù)，是一種基于逆磁致伸縮效應(yīng)的無損檢測(cè)方法。20世紀(jì)末由俄羅斯學(xué)者杜波夫首先提出，已發(fā)展成為無損檢測(cè)領(lǐng)域的一門新興學(xué)科。該技術(shù)通過檢測(cè)和分析產(chǎn)生在工件應(yīng)力集中區(qū)的漏磁場(chǎng)分布，來發(fā)現(xiàn)早期應(yīng)力集中和宏觀缺陷，在石油化工、電力、鐵路、航空等方面得到了廣范應(yīng)用[1]。隨著磁記憶檢測(cè)設(shè)備在油氣輸送領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了非開挖條件下埋地鋼質(zhì)管道缺陷焊縫的定位檢測(cè)，并能夠?qū)缚p的缺陷實(shí)現(xiàn)分級(jí)評(píng)價(jià)。

非接觸式磁應(yīng)力技術(shù)在長輸油氣管道異常環(huán)焊縫定位及焊縫分級(jí)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用實(shí)踐，驗(yàn)證了該技術(shù)在環(huán)焊縫缺陷排查、地面精確定位以及缺陷分級(jí)評(píng)價(jià)方面的可行性。磁應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備在缺陷焊縫排查工程中的應(yīng)用將為應(yīng)對(duì)焊縫開裂風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)支持。

1 缺陷焊縫位置探測(cè)的原理

鐵磁材料在外力作用下，部分應(yīng)力集中區(qū)域因?yàn)榇艑?dǎo)率發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致材料漏磁場(chǎng)發(fā)生畸變[2]。通過檢測(cè)材料的漏磁場(chǎng)變化可以表征缺陷情況[3]。

埋地鋼質(zhì)管道在制造、安裝以及運(yùn)行過程中內(nèi)部積累的磁彈性能量將導(dǎo)致應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大，使得缺陷在地磁場(chǎng)中的磁化程度發(fā)生明顯差異，通過靈敏的傳感器陣列便可檢測(cè)到這個(gè)差異。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證管道焊縫缺陷所造成的應(yīng)力變化及磁場(chǎng)畸變特征比常規(guī)管體缺陷更加明顯，故通過測(cè)量焊縫周邊區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)畸變特征可甄別出缺陷所在位置，實(shí)現(xiàn)缺陷焊縫位置的精確探測(cè)[4]。由于焊接不合格導(dǎo)致焊縫中含有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、凹坑、咬邊、焊瘤等情況導(dǎo)致的應(yīng)力，表現(xiàn)出在應(yīng)力峰值點(diǎn)的上方，磁場(chǎng)切線方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量（Bx）為最大，而在管道徑向上磁感應(yīng)強(qiáng)度分量（By）為零的特點(diǎn)，缺陷位置磁場(chǎng)特征如圖1所示。

圖1 缺陷焊縫的磁場(chǎng)特征

2 焊縫缺陷的分級(jí)評(píng)價(jià)原理

應(yīng)用磁機(jī)械效應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)從缺陷焊縫的漏磁場(chǎng)分布到應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力分布的計(jì)算[5]。在模型中，在應(yīng)力作用下磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生的不連續(xù)變化、磁化的不可逆成分的情況可以表示為：

式中：Mirr為不可逆磁化強(qiáng)度，A/m；W為單位體積的彈性能量，J；Man為無磁滯磁化強(qiáng)度，A/m；ξ為單位體積內(nèi)各維能量的系數(shù)，Pa，它與不可逆的磁化對(duì)彈性能的導(dǎo)數(shù)相關(guān)，而彈性能則是引起從無磁滯磁化到不可逆磁化的偏移。

整體磁化對(duì)彈性能的導(dǎo)數(shù)可以通過式（2）來求得：

式中：M為磁化強(qiáng)度，A/m；c為可逆系數(shù)；σ為初始應(yīng)力，Pa；ε=（Eξ）1/2為多維應(yīng)力的系數(shù)，Pa。

式（2）用于從檢測(cè)磁場(chǎng)分布求解缺陷處的應(yīng)力分布。儀器測(cè)得磁感應(yīng)B的變化，可以應(yīng)用公式B=μ0（H+M）以及Ban=μ0（H+Man）來確定公式中的磁化強(qiáng)度。其中μ0為真空磁導(dǎo)率，通常取4π×10-7H/m；H為背景磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；Ban為無磁滯磁化磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

對(duì)焊縫缺陷等級(jí)進(jìn)行定量分析的關(guān)鍵在于對(duì)管道焊縫上檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征量的提取。通過研究分析局部空間軸上的信號(hào)曲線中波峰-波谷之間的距離△L以及波峰-波谷之間的差值△H表明：△L與缺陷的長度基本成正比關(guān)系，缺陷在管道軸向中的長度越大，△L也就越大，而△H與缺陷的長度基本無關(guān)，但缺陷的深度對(duì)△H的影響較大，隨著缺陷深度的增加△H逐漸減小，焊縫缺陷與檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖2 焊縫缺陷的信號(hào)特征示意

3 焊縫定位及缺陷程度評(píng)價(jià)結(jié)果分析

選取某在役管道近8 km管段作為現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證對(duì)象，該管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，管徑1 016 mm，區(qū)段內(nèi)包含已掌握具體情況的目標(biāo)焊口100道。依照管道規(guī)格、沿線地貌、敷設(shè)方式、干擾環(huán)境、埋深等多種影響因素，將管道分為13個(gè)獨(dú)立區(qū)段進(jìn)行測(cè)試。本次焊縫定位的驗(yàn)證過程統(tǒng)一采用國家2000大地坐標(biāo)系，以開挖出的焊口位置坐標(biāo)作為真值。在定位準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)過程中考慮了兩方面的因素：一是在開挖驗(yàn)證過程中，能夠通過管線儀對(duì)管道中線進(jìn)行精確定位，只需測(cè)量焊縫定位點(diǎn)與真實(shí)焊口位置沿管道軸向的偏差；二是當(dāng)管道呈東西走向時(shí)與大地坐標(biāo)X軸方向一致，直接使用X軸上的偏差作為準(zhǔn)確性評(píng)判依據(jù)即可，南北走向亦然。

應(yīng)用磁應(yīng)力方法進(jìn)行環(huán)焊縫定位及缺陷程度評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)及檢測(cè)環(huán)境，確定試驗(yàn)管道的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：鋼質(zhì)管道，管徑不低于86 mm；埋深不超過15倍管徑；帶壓運(yùn)行2年以上；一年內(nèi)未做過漏磁內(nèi)檢測(cè)。

采用金屬磁記憶檢測(cè)設(shè)備與管道焊縫缺陷定位儀對(duì)100道目標(biāo)焊縫進(jìn)行磁應(yīng)力檢測(cè)，然后對(duì)此100道環(huán)焊縫處進(jìn)行開挖，以驗(yàn)證技術(shù)準(zhǔn)確性。其結(jié)果是：焊縫測(cè)定點(diǎn)與真實(shí)位置最小偏差為0.002m，最大為2.168 m，偏差±0.5 m以內(nèi)的占比為56%，偏差1 m以內(nèi)占比為84%。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 環(huán)焊縫定位偏差統(tǒng)計(jì)

對(duì)水平偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫的定位偏差呈現(xiàn)以平均偏差0.16 m為中心，標(biāo)準(zhǔn)差為0.74 m的正態(tài)分布，統(tǒng)計(jì)分析如圖3所示。環(huán)焊縫位置偏差在-1.38～1.061 m之間的置信度為90%。

圖3 100處焊縫位置偏差分布

為了進(jìn)一步驗(yàn)證磁應(yīng)力方法進(jìn)行環(huán)焊縫缺陷程度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，由磁應(yīng)力檢測(cè)儀對(duì)由管道焊縫缺陷、金屬缺陷或管道彎曲應(yīng)力引起的磁場(chǎng)異常進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用評(píng)價(jià)模型對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。通過圖形發(fā)現(xiàn)，在區(qū)段一中相對(duì)里程為 9.6、 22.11、 35.01、 48.18、 58.18、 67.57、77.73、85.07 m的8處位置存在明顯的磁異常，如圖4所示。

圖4 8道焊縫的磁曲線

根據(jù)鐵磁學(xué)原理，將檢測(cè)獲取的應(yīng)力水平響應(yīng)值進(jìn)行歸一處理，結(jié)合管道埋深、運(yùn)行壓力、管道材質(zhì)、壁厚以及檢測(cè)信號(hào)特征數(shù)值△L和△H等，獲取環(huán)焊縫缺陷指數(shù)a并構(gòu)建函數(shù)。在缺陷等級(jí)劃分上，采取未焊透最大深度作為參考依據(jù)，分為四級(jí)，以方便與無損檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)。具體的分級(jí)指標(biāo)見表2。

表2 異常焊縫分級(jí)評(píng)價(jià)指數(shù)

對(duì)開挖的100道焊縫磁應(yīng)力分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果與無損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。磁應(yīng)力分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為：Ⅰ級(jí)75道，Ⅱ級(jí)7道，Ⅲ級(jí)0道，磁應(yīng)力檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ級(jí)18道。開挖管道進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)磁應(yīng)力檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ級(jí)的焊縫進(jìn)行射線評(píng)價(jià)的結(jié)果為：Ⅳ級(jí)的有6道，Ⅲ級(jí)的有7道，Ⅱ級(jí)的有5道，不合格焊縫為13道，非接觸式檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為72%。造成分級(jí)準(zhǔn)確率不理想的主要原因是：采集的磁場(chǎng)強(qiáng)度中不排除有機(jī)械應(yīng)力引起的部分，它們與板材缺陷、焊接缺陷等環(huán)焊縫的異?；旌显谝黄?，影響了應(yīng)力集中評(píng)價(jià)的結(jié)果。與單純采用無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行檢測(cè)相比，磁應(yīng)力的分級(jí)結(jié)果更為全面。磁應(yīng)力檢測(cè)焊縫異常分級(jí)評(píng)價(jià)的處理建議見表3。

表3 磁應(yīng)力檢測(cè)焊縫異常分級(jí)評(píng)價(jià)的處理建議

4 磁應(yīng)力檢測(cè)影響因素分析

本次驗(yàn)證過程選取的管段均位于高后果區(qū)，環(huán)境比較復(fù)雜，在部分檢測(cè)管段附近的鐵磁性結(jié)構(gòu)等環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)評(píng)價(jià)造成一定干擾，影響了后期數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至造成誤判、錯(cuò)判或漏檢等。典型的環(huán)境干擾類型是：鋼筋混凝土路面、管道交叉位置、設(shè)備無法平穩(wěn)行進(jìn)的區(qū)段、鐵磁性構(gòu)筑物位于5 m范圍內(nèi)。

此外，驗(yàn)證過程還發(fā)現(xiàn)以不同的速度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)也會(huì)使檢測(cè)數(shù)據(jù)有一定變化，但對(duì)檢測(cè)效果影響較小。

磁應(yīng)力檢測(cè)是利用高精度測(cè)磁探頭采集管道在工作載荷作用下產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)的。管道在施工及運(yùn)行階段所受到的外力易在彎頭處發(fā)生方向上的改變，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上若彎頭附近的焊縫存在異常，該處產(chǎn)生的磁場(chǎng)畸變將是多種磁信號(hào)共同作用的結(jié)果，這對(duì)環(huán)焊縫定位以及對(duì)其進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)會(huì)產(chǎn)生一定的干擾和影響。

5 結(jié)束語

本次應(yīng)用磁應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行管道焊縫定位和缺陷分級(jí)評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果為：通過開挖驗(yàn)證以及缺陷焊縫的無損探傷檢測(cè)，表明環(huán)焊縫的定位偏差在1.5 m以內(nèi)的占比為90%，焊縫缺陷分級(jí)結(jié)果的符合率為72%，證明該技術(shù)在管道焊縫定位及缺陷焊縫分級(jí)評(píng)價(jià)上有良好的準(zhǔn)確性，能夠滿足工程的需要。

由于焊縫處的漏磁場(chǎng)中包含有由機(jī)械應(yīng)力引起的部分，它與板材缺陷、焊接缺陷等異常環(huán)焊縫混合在一起，影響了應(yīng)力集中評(píng)價(jià)的結(jié)果，與單純采用無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行檢測(cè)相比，磁應(yīng)力的分級(jí)結(jié)果在原理上更為全面。