蘇 林，馬雪莉，崔德榮，饒連濤，郝大洋，徐 杰

(1.管網(wǎng)集團(徐州)管道檢驗檢測有限公司，江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學 材料與物理學院，江蘇徐州 221116)

0 引言

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，對石油天然氣的需求越來越大，而長輸管道由于其具有運輸量大，且管道大部分埋于地下，占地少，受地形地物的限制少，可以縮短運輸距離，能夠長期穩(wěn)定運行且運輸成本低等特點，在能源運輸上的作用越來越突出，目前已經(jīng)成為了我國油氣資源運輸?shù)闹饕绞健＝鼛啄陣鴥?nèi)長輸管道的建設規(guī)模逐漸增大，目前已經(jīng)形成了一個龐大的管道運輸網(wǎng)[1-3]。截至2020年底，我國在役油氣管道總里程達到 16.5萬公里，至2025年，我國長輸管道總里程預計達到 24萬公里。

由于管道長期受內(nèi)部介質(zhì)和外部空氣等因素的影響，易產(chǎn)生諸多缺陷而引起能源泄漏，需要定期對管道進行無損檢測，并對管道安全性和壽命做出安全綜合評價[4-8]。由于長輸管道地處野外，且管道內(nèi)輸送的為能源介質(zhì)，在管道上打盜孔、埋暗管偷盜油氣資源的非法行為越來越多，導致在管道上遺留了大量的盜油(氣)支管。這些支管的存在是油氣管線安全生產(chǎn)的一項重大隱患，盜孔的存在容易造成管道泄漏，輸油管道泄漏事故除損失大量油品外，同時還造成了嚴重的環(huán)境污染[9-11]。

目前，用于管道盜孔排查的方法主要有外檢測法和常規(guī)漏磁內(nèi)檢測法。外檢測法本質(zhì)是檢測防腐層漏點，誤報率較高，且不能有效識別經(jīng)過絕緣處理的支管。漏磁檢測法能夠準確識別管道上的盜孔特征，但檢測器磁場強度高、重量大，對管道的清潔度要求較高，且收發(fā)球操作比較困難，檢測成本較高[12]。為了及時排除管道上的盜孔，保證管道的安全運行，通過分析傳統(tǒng)漏磁檢測技術的原理，開發(fā)一種管道局部微勵磁的長輸管道盜孔專項內(nèi)檢測技術，并進行試檢測應用，驗證該方法的可行性。

1 檢測原理

1.1 原理分析

傳統(tǒng)的漏磁內(nèi)檢測技術為了保證識別管道內(nèi)外表面的特征，并對管壁金屬損失等缺陷的徑向尺寸進行準確量化，必須采用強磁場對管道進行磁化，使管壁內(nèi)部磁場達到近飽和狀態(tài)[13-16]。而盜孔在管道內(nèi)外表面表現(xiàn)為固定的通孔特征，即存在貫穿管壁的圓孔狀金屬損失。要想實現(xiàn)對盜孔的專項檢測，只需要對管道內(nèi)表面的圓孔特征進行識別，而并不需要對孔的深度特征進行準確量化。根據(jù)這一特點和需求，可將傳統(tǒng)漏磁檢測器的整體強磁化的勵磁結(jié)構(gòu)改為局部輕微勵磁的勵磁結(jié)構(gòu)，從而降低檢測器對管道的磁化水平，既保證檢測器能夠識別管道內(nèi)表面平整度的變化，又保證檢測設備對管道上盜孔的檢測。根據(jù)以上理論分析，確定了管道局部勵磁盜孔的檢測方法，其內(nèi)檢測技術原理如圖1所示。

局部微勵磁盜孔內(nèi)檢測通過在檢測探頭內(nèi)部集成一塊永磁鐵，當檢測器在管道中運行時，該永磁鐵會使管道內(nèi)表面局部輕微磁化。正常管道內(nèi)表面為光滑的平面，在探頭、磁鐵和管道內(nèi)表面之間會形成相對穩(wěn)定的磁場。當管道存在盜孔時，管壁上的通孔破壞了原有磁場的連續(xù)性，致使盜孔位置管道內(nèi)表面的磁場分布產(chǎn)生變化[17-18]。在磁鐵和管壁的中間安裝霍爾元件，并實時采集探頭位置管道內(nèi)表面的磁場信號，盜孔導致的管道內(nèi)表面磁場分布變化被霍爾元件識別并記錄。檢測完成后，通過對霍爾元件采集的信號進行分析，即可判斷管道上是否存在盜孔。

1.2 盜孔漏磁場分布的有限元仿真分析

為了驗證上述原理的可行性和有效性，通過有限元模擬的方法，應用COMSOL軟件對上述局部微勵磁過程進行仿真分析。圖2示出上述過程的有限元模型(考慮有限元分析僅為驗證該方法的可行性，這里采用平板代替管子進行幾何模型的簡化分析)，圖3示出無盜孔和有盜孔時有限元模擬計算得到的磁力線分布圖。圖4示出有限元計算得到的磁通密度分布云圖。

(a)

(b)

(a)無盜孔

(b)有盜孔

圖4 有限元計算得到的磁通密度分布云圖

由圖3可以看出，無盜孔時，平板經(jīng)過勵磁后，由于其磁導率遠大于空氣，因此，絕大部分磁通從管道內(nèi)通過構(gòu)成回路，即磁力線均勻通過板體，在距平板上表面1 mm處沿平板長度方向提取磁場的磁通密度分布，結(jié)果顯示其值為一條磁通密度近乎為零的水平線；而有盜孔時，孔周邊有明顯的磁力線漏出平板，并且在相同提離值位置(同上取距表面1 mm處)可以看到顯著的漏磁信號(見圖5)?？梢姡捎霉艿谰植课畲诺姆椒ㄟM行盜孔檢測是有效且可行的。

圖5 有、無盜孔時沿平板長度方向的磁通密度分布曲線

2 試驗研究

2.1 探頭組裝

為了進一步驗證檢測原理的可行性，參照現(xiàn)有漏磁檢測設備，設計了局部微勵磁檢測探頭，該探頭主要由耐磨片、傳感器、永磁鐵、連接器與電纜線、封裝膠等組成。

(1)耐磨片。由于設備在管道中檢測時探頭需要與管道內(nèi)壁緊密貼合，長距離的滑動摩擦對探頭的耐磨性能提出了很高的要求。探頭的表面與管道接觸的部分必須選取一種高耐磨的材質(zhì)。經(jīng)過多次試驗比選，選取了一種高耐磨、高硬度的厚度為2 mm的陶瓷片，并將其粘合在探頭頂部外表面，使之與管道內(nèi)壁相接觸，延緩探頭的磨損。通過磨損試驗，證實了該耐磨片可連續(xù)使用500公里。

(2)傳感器。探頭中磁場信號采集傳感器選用數(shù)字化三軸霍爾傳感器，該傳感器具有高抗干擾性，傳感器的靈敏度可實現(xiàn)數(shù)字式編程調(diào)節(jié)，探頭的數(shù)據(jù)傳輸為串行通訊，采樣頻率可達到2 kHz。每個探頭的傳感器物理通道多達12個，傳感器的周向間距小于6.25 mm，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高清度可視化。

(3)永磁鐵。局部微勵磁檢測探頭中的磁場由一塊永磁鐵勵磁產(chǎn)生。采用牌號N45的釹鐵硼永磁鐵，外形尺寸為23 mm×6 mm×3 mm，剩磁(Br)13.5 kGs，最大磁能積(BH)43～45 MGOe，矯頑力(jHc)≥12 kOe。

(4)連接器與電纜線。由于設備的使用環(huán)境特殊，探頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間相連接的電纜線采用屏蔽七芯電纜線，抗干擾、耐高溫、耐酸堿、耐腐蝕，可長時間在原油和天然氣中使用。為了實現(xiàn)探頭和主機之間連接可靠，兩者之間的連接器采用雙排8針連接器，其具有高可靠、高抗震、低阻抗、高靈敏度等優(yōu)點，且該連接器體積小，安裝方便可靠，操作簡單，可多次重復使用。

(5)封裝膠。探頭通過封裝膠將電路板、耐磨片以及電纜線粘合封裝在一起，封裝膠采用一種環(huán)氧樹脂，具有耐高壓、耐高溫、耐油、耐腐蝕、固化時間短、抗老化、使用方便等優(yōu)點。

2.2 探頭檢測性能測試

為了驗證探頭的檢測性能，人工制造了模擬盜孔、盜孔+焊縫以及盜孔+維修補板的板狀試樣(照片見圖6，參數(shù)見表1)。采用檢測探頭分別對3塊試板進行掃測試驗，測試檢測探頭對盜孔、焊縫以及補板特征的信號響應情況。

圖6 板狀試樣照片

表1 板狀試樣參數(shù)

2.2.1 探頭對盜孔的信號響應分析

為了驗證檢測探頭對盜孔的檢測能力，采用探頭對1#試板沿長度方向分別對試板的左側(cè)、中間和右側(cè)進行掃查，并記錄探頭采集到的信號曲線，如圖7所示。

圖7 1#試板探頭采集信號曲線

從圖7可以看出，在板材壁厚無變化的區(qū)域，探頭內(nèi)部傳感器位置的磁場信號相對穩(wěn)定，信號曲線無明顯波動；當探頭經(jīng)過孔洞位置時，采集到的信號曲線波動明顯，探頭通過孔洞后沿試樣長度方向的磁場信號表現(xiàn)出類似正弦變化規(guī)律的特征，該方向上磁場變化趨勢與有限元仿真計算的結(jié)果一致(見圖5)，說明該方法具備檢測孔洞的能力。

2.2.2 探頭對焊縫的信號響應分析

為了驗證檢測探頭對焊縫的檢測能力，采用探頭對2#試板沿長度方向分別對試板的左側(cè)、中間和右側(cè)進行掃查，并記錄探頭采集到的信號曲線，如圖8所示。

圖8 2#試板探頭采集信號曲線

由于焊縫余高的影響，探頭在焊縫位置的信號有明顯的波動。在孔洞位置探頭同樣采集到了明顯的磁場變化信號。由于試板焊縫與探頭之間的間距較小，焊縫余高導致的探頭跳動，對孔洞位置的信號質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響，在實際應用過程中對焊縫位置的曲線波動要著重進行分析。

2.2.3 探頭對孔洞外側(cè)補板的信號響應分析

管道盜孔的維修一般采用摘除支管、焊接補板的方式，該種維修方式并未消除管壁上的透孔特征，為了驗證檢測器對管道外壁補板的識別能力，采用探頭對3#試板沿長度方向在孔洞中間以及兩側(cè)進行掃測，圖9示出探頭在試板左側(cè)、中間和右側(cè)掃查采集到的信號曲線。

圖9 3#試板探頭采集信號曲線

從圖9中可以看出，探頭能夠采集到管壁上透孔的信號，孔洞外側(cè)補板導致的磁場信號變化比較微弱，說明該方法對管道外壁的補板有一定的檢測能力，但是準確識別存在一定的困難。

通過以上對探頭檢測性能測試結(jié)果可以看出，本文提出的局部微勵磁檢測方法具備對管道盜孔的檢測能力，能夠用于管道盜孔的檢測，但該方法在近焊縫位置的特征信號存在一定的噪聲，且對管道外壁的特征識別存在一定困難，在應用的過程中還需要數(shù)據(jù)分析人員對各種信號波動進行認真分析，并將分析結(jié)果與管道歷史維護、維修資料進行比對，以減少誤判和漏判。

3 檢測器裝配驗證及其應用

3.1 檢測器性能驗證

借鑒常規(guī)內(nèi)檢測器的機械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)檢測原理組裝了一套?529 mm的管道局部微勵磁盜孔檢測器，該檢測器主要由皮碗、鋼制骨架、里程輪、機芯和探頭組成，其性能指標見表2。

表2 檢測器性能指標

為了驗證檢測器的檢測性能，制作安裝了一根總長度為4.5 m的試驗樣管，試驗樣管中預制了不同尺寸、不同樣式的支管、補板、維修扣帽、外壁凹坑等28處與盜孔相關的管道特征(特征信息見表3)，并在試驗管末端放置了一塊磁標記。

表3 牽拉試驗管預制特征信息

以卷揚機作為驅(qū)動裝置，牽引檢測器對安裝的試驗樣管進行了檢測，檢測數(shù)據(jù)圖譜見圖10(圖中顯示的特征方位關系為沿管道母線展開后在管道外表面的分布情況)。

圖10 牽拉試驗數(shù)據(jù)圖

對檢測數(shù)據(jù)曲線進行分析并與實際樣管進行對比，結(jié)果見表4。

表4 試驗樣管檢測結(jié)果匯總

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，檢測器能夠準確識別管道上各種特征中的透孔信息。對于有透孔的支管，由于支管管徑和透孔直徑相差較小，透孔引起的信號波動湮沒了支管引起的信號波動，導致特征透孔信號明顯，外壁支管信號不可見；對于膠粘支管，由于底座和管壁之間膠層的影響，底座邊緣信號不可見；對于維修補板，隨著補板尺寸的增大，中間透孔信號對管道外部補板邊緣信號的影響逐漸減??；對于維修扣帽，隨著扣帽尺寸的增加，可逐漸識別微弱的外壁扣帽信號；對于無透孔的支管，可識別微弱的外壁支管信號，但不能準確判斷特征類型；對于外壁凹坑，檢測器未能識別到特征信號，對于磁標記，檢測器識別到了明顯的信號。

現(xiàn)實中的盜孔中心都是鉆透管壁的通孔，根據(jù)此特征以及牽拉試驗的結(jié)果確定該檢測器能夠用于盜孔的專項檢測，但考慮到該檢測器對管道外壁特征的識別能力有限，應用過程中需要對照管道的歷史維修資料對檢測數(shù)據(jù)中已經(jīng)維修處理過的盜孔進行排除。

3.2 檢測器應用

應用該檢測器對某原油管線進行了實際檢測，并結(jié)合管道歷史維修資料對檢測數(shù)據(jù)進行分析，最終確定該管道在出站785.5,36 882.0 m兩處特征為疑似盜孔。對兩處疑似盜孔進行了開挖，發(fā)現(xiàn)該兩處盜孔均為盜油分子安裝的盜油支管。兩處盜孔的檢測數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

(a)出站785.5 m處

(b)出站36 882.0 m處

4 結(jié)論

(1)通過對局部微勵磁檢測技術的原理分析、有限元仿真以及基于板狀試樣的盜孔模擬檢測試驗，驗證了該技術的可行性。

(2)根據(jù)技術原理組裝了局部微勵磁管道內(nèi)檢測設備，并通過牽拉試驗驗證了該設備的檢測能力。應用該設備對某原油管線進行了實際檢測，發(fā)現(xiàn)了兩處疑似盜孔特征，并對兩處疑似特征進行了開挖，確定其為在管道上安裝的盜油支管。

(3)通過分析可以確定管道局部微勵磁盜孔專項檢測技術能夠有效地完成管道上盜孔的檢測。管道運維單位為了避免管道上遺留的盜孔造成管道泄漏等事故的發(fā)生，可定期采用該技術對管道上的盜孔進行檢測、排查，該技術應用前景廣泛。