郝 毅

（中國腐蝕控制技術(shù)協(xié)會，北京 100101）

0 引言

近年來，管道失效事故時(shí)有發(fā)生，不僅威脅了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)和社會的穩(wěn)定運(yùn)行，還給自然環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染。管道焊接應(yīng)力是焊件產(chǎn)生變形和開裂等缺陷的主要原因之一[1]，同時(shí)在產(chǎn)生可檢測到的裂紋或缺陷之前，就可能因?yàn)橥獠恳蛩禺a(chǎn)生應(yīng)力集中，這些區(qū)域通常就是材料后期失效的萌生點(diǎn)[2]。部分管道在鋪設(shè)時(shí)對各條焊縫的無損檢測數(shù)據(jù)及位置坐標(biāo)進(jìn)行了收集，不過由于GPS的精度問題，以及在采集過程中存在的漏采問題，導(dǎo)致管道運(yùn)營方無法完全掌握每個(gè)焊縫的運(yùn)行狀態(tài)，而對于未進(jìn)行焊縫位置GPS坐標(biāo)采集的管道，焊縫定位工作更是難上加難。如何通過非開挖手段在地面上快速定位到管道焊縫的位置，是業(yè)內(nèi)亟待解決的問題。

磁應(yīng)力檢測也稱金屬磁記憶技術(shù)，是一種基于逆磁致伸縮效應(yīng)的無損檢測方法。20世紀(jì)末由俄羅斯學(xué)者杜波夫首先提出，目前已發(fā)展成為無損檢測領(lǐng)域的一門新興學(xué)科。該技術(shù)通過檢測和分析產(chǎn)生在工件應(yīng)力集中區(qū)的漏磁場分布，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、航空等方面都得到了廣泛的應(yīng)用[3]。隨著磁應(yīng)力檢測設(shè)備在油氣輸送領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在非開挖條件下對埋地鋼質(zhì)管道缺陷焊縫的定位檢測，并且能夠?qū)缚p的缺陷進(jìn)行分級評價(jià)。

1 技術(shù)原理簡介

1.1 缺陷焊縫定位的原理

地球是一個(gè)巨大的磁體，地球表面到處都分布著可以探測和計(jì)量的磁力場。由于鐵磁性材料特有的磁致伸縮特性，使得處在地磁場中的鐵磁性材料制成的管道在磁彈性機(jī)理作用下形成磁疇有序分布。當(dāng)鐵磁材料受到機(jī)械力的作用時(shí)，在它的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致磁導(dǎo)率發(fā)生變化[4]。鐵磁材料被磁化時(shí)，如果受到限制而不能伸縮，內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力，同樣，在外部施加一定的壓力，鐵磁材料也會產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)鐵磁材料因磁化而引起伸縮（不管何種原因）產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其內(nèi)部必然存在磁彈性能量。如果存在拉應(yīng)力，將使磁化方向轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力方向，加強(qiáng)拉應(yīng)力方向的磁化，從而使拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大，壓應(yīng)力將使磁化方向垂直于應(yīng)力的方向，削弱壓應(yīng)力方向的磁化，從而使壓應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率減小。管道上焊縫存在缺陷會引起該區(qū)域內(nèi)管體的應(yīng)力情況發(fā)生變化，并且焊縫缺陷所造成的應(yīng)力變化會比常規(guī)管體缺陷更加明顯，由于應(yīng)力發(fā)生變化導(dǎo)致管體的磁場分布也發(fā)生變化，特別是焊縫周邊區(qū)域的磁場畸變的特征比較分明，經(jīng)過測量分析，檢測設(shè)備可以甄別出由管道焊縫缺陷引起的磁場變化，進(jìn)而判斷焊縫位置。

如圖1所示，管體焊縫缺陷位置為應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致此處磁場畸變，其作用結(jié)果是改變磁場強(qiáng)度分布和磁力線方向，在應(yīng)力峰值點(diǎn)的上方，磁場的切線（與管道軸向垂直）方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量（Bx）為最大，而在管道徑向方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度分量（By）為零。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，都能夠由此追溯到這樣的磁力改變區(qū)域。

圖1 管道焊縫缺陷位置磁場曲線

1.2 缺陷焊縫的分級評價(jià)原理

金屬磁記憶檢測技術(shù)主要利用了磁感應(yīng)強(qiáng)度B與鐵磁材料內(nèi)部應(yīng)力集中之間的關(guān)系，焊縫異常等級分析的主要工作就是找到焊縫位置的磁感應(yīng)輕強(qiáng)度與該位置的應(yīng)力情況的對應(yīng)關(guān)系。在地磁環(huán)境中，管道上某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在測量時(shí)會受周圍位置影響，無法與該位置的應(yīng)力情況一一對應(yīng)，但是在數(shù)學(xué)領(lǐng)域通過積分可以將二者建立關(guān)系。

關(guān)于焊縫的金屬磁記憶檢測，如果某位置存在焊接裂紋，裂紋尖端的應(yīng)力集中會導(dǎo)致自由漏磁場的產(chǎn)生，在該位置設(shè)備檢測到的磁記憶信號就為裂紋尖端的應(yīng)力集中與其他缺口效應(yīng)部位應(yīng)力集中導(dǎo)致的自由漏磁場的疊加。基于其與應(yīng)力中的位置的積分關(guān)系，在數(shù)據(jù)分析過程中就可以通過微分確定焊縫裂紋的位置和量化參數(shù)。對焊縫裂紋金屬磁記憶信號進(jìn)行定量識別的關(guān)鍵在于信號特征量的提取。對檢測信號進(jìn)行一階微分以后在局部空間軸上的信號異?？啥x為一接微分金屬磁記憶信號的波峰-波谷之間的距離DL，以及一階微分金屬磁記憶信號的波峰-波谷之間的差值DH。

圖2 焊縫位置磁感應(yīng)信號特征

DL與焊接缺陷的長度基本成正比關(guān)系，隨著焊接缺陷長度的增加，DL也就越大，而DH與焊接缺陷的長度基本無關(guān)，隨著焊縫缺陷長度的增加，DH無明顯變化。焊縫缺陷的深度對DH的影響較大，隨著缺陷深度的增加DH逐漸減小。

基于管道的漏磁場計(jì)算得出的應(yīng)力分布，將獲取應(yīng)力值以管道參數(shù)等條件建立評價(jià)模型。根據(jù)鐵磁學(xué)原理，評價(jià)模型將應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行歸一處理，并引入管道結(jié)構(gòu)參數(shù)，輸出結(jié)果為環(huán)焊縫缺陷指數(shù) 。它是管道埋深、運(yùn)行壓力、管道材質(zhì)及壁厚，以及檢測信號特征數(shù)值DL和DH的函數(shù)。在缺陷等級劃分上，采取未焊透最大深度作為參考依據(jù)分為四級，方便與無損檢測進(jìn)行比對。具體的分級指標(biāo)如表1所示。

表1 異常焊縫分級評價(jià)指數(shù)

1.3 PWD設(shè)備介紹

管道焊縫缺陷檢測儀（PWD）基于經(jīng)典鐵磁學(xué)理論，可為確定異常焊縫和內(nèi)檢測缺陷的地面位置提供非開挖檢測手段。設(shè)備屏幕實(shí)時(shí)顯示磁場曲線，采用峰值響應(yīng)方式準(zhǔn)確定位出管道的環(huán)焊縫，同時(shí)根據(jù)焊縫位置上的應(yīng)力集中程度對缺陷進(jìn)行分級。道焊縫缺陷檢測儀采用無源探測方式，檢測人員背負(fù)設(shè)備沿管線路由平穩(wěn)行進(jìn)即可完成檢測。設(shè)備屏幕可實(shí)時(shí)顯示管道的磁場曲線，以峰值響應(yīng)方式準(zhǔn)確定位焊縫位置；檢測系統(tǒng)配備亞米級GPS天線，配合檢測人員行進(jìn)速度，每秒鐘采集一組GPS坐標(biāo)，有效保證定位精度，檢測人員可根據(jù)對應(yīng)位置坐標(biāo)實(shí)時(shí)進(jìn)行回找；系統(tǒng)根據(jù)管道焊縫位置的應(yīng)力分布情況，將應(yīng)力分析結(jié)果對應(yīng)無損檢測數(shù)據(jù)庫，對焊縫的應(yīng)力異常等級進(jìn)行分級，其分析結(jié)果可在一定程度上保證與開挖無損檢測方法的分級結(jié)果一致。檢測人員應(yīng)用PWD檢測系統(tǒng)可在現(xiàn)場高效準(zhǔn)確的定位出焊縫位置，并可對焊縫的異常等級進(jìn)行初步分析，為后續(xù)的開挖修復(fù)工作提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用案例

2.1 被檢測管道概況

某企業(yè)對其下屬的若干段埋地管線焊縫缺陷以抽檢形式進(jìn)行檢測，，即在每段管道上選取道路平坦，場景較為開闊，鐵磁性干擾較少的40～200m不等的管段。被檢管道情況如下：管道材質(zhì)為螺旋焊縫鋼管，焊縫為環(huán)焊縫，管道規(guī)格為φ406×8mm，設(shè)計(jì)壓力為0.4MPa，埋深范圍為0.9～1.8 m。該管網(wǎng)投產(chǎn)至今未進(jìn)行過漏磁內(nèi)檢測。

2.2 檢測過程

首先使用管線儀對目標(biāo)管線進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并沿線標(biāo)記路由；然后將PWD檢測儀的一個(gè)傳感器放置于管道正上方，另一個(gè)放置于管道一側(cè)，沿標(biāo)定的路由的一側(cè)勻速地采集數(shù)據(jù)；采集完成后在現(xiàn)場直接使用PWD檢測儀對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場情況以及曲線的峰值間距和高度，確定出環(huán)焊縫的位置和缺陷等級，根據(jù)缺陷嚴(yán)重情況，確定開挖點(diǎn)（如圖4所示）。

圖4 檢測過程與焊縫缺陷分級

2.3 檢測結(jié)果

在本次排查過程中，11段埋地管道使用PWD檢測儀累計(jì)實(shí)施焊縫檢測1560m，一共檢測到環(huán)焊縫69處，其中IV級點(diǎn)60處；III級點(diǎn)5處；II級點(diǎn)3處；I級點(diǎn)1處（如表2所示）。磁應(yīng)力檢測焊縫異常分級評價(jià)的處理建議如表3所示，其中IV級點(diǎn)需要立即開挖，進(jìn)行無損檢測修復(fù)。

表2 環(huán)焊縫檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3 開挖驗(yàn)證結(jié)果表

2.4 開挖驗(yàn)證

根據(jù)PWD檢測結(jié)果，選擇焊縫磁信號變化強(qiáng)烈的管段進(jìn)行開挖驗(yàn)證。首先判斷焊縫處是否存在缺陷，然后判斷PWD檢測結(jié)果是否與開挖驗(yàn)證的X射線探傷評級相一致。本次針對69處環(huán)焊縫檢出位置中7處IV級嚴(yán)重點(diǎn)進(jìn)行開挖。經(jīng)開挖驗(yàn)證焊縫定位偏差均小于0.5m；6處焊縫X射線探傷檢測結(jié)果等級為IV級，一處為III級；焊縫存在未焊透、咬邊、焊瘤等問題，如圖4所示。

圖4 開挖驗(yàn)證管線IV級焊縫

3 結(jié)語

采用磁應(yīng)力技術(shù)對埋地管道進(jìn)行檢測，無需開挖即可實(shí)現(xiàn)對管道焊縫缺陷準(zhǔn)確定位和缺陷評級，缺陷評級準(zhǔn)確率83%，是一種可靠的非開挖管道焊縫缺陷檢測技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，磁應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)現(xiàn)工程現(xiàn)場解決了管道焊縫定位的難題，同時(shí)在管道完整性管理方面也發(fā)揮出了越來越積極的作用。未來，磁應(yīng)力技術(shù)作為一種更加高效且準(zhǔn)確的技術(shù)手段將在埋地管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和缺陷焊縫分級評價(jià)環(huán)節(jié)得到更廣泛的應(yīng)用。