摘 要：集輸小口徑管道在油氣田分布廣泛，但使用傳統(tǒng)腐蝕檢測方法難度大、費用高且必須開挖取樣點后才能定量評價腐蝕程度。為了彌補這種不足，實現(xiàn)非開挖條件下進(jìn)行定量評價：分析磁偶極子模型得到腐蝕缺陷附近產(chǎn)生的漏磁場的磁信號特點；通過有限元仿真模擬，得到了腐蝕缺陷深度及寬度與磁信號間的關(guān)系；將SY/T 6151—2009《鋼制管道管體腐蝕損傷評價方法》中對腐蝕評價所需的缺陷寬度和深度參數(shù)，結(jié)合磁偶極子模型理論推導(dǎo)計算與磁信號特征參數(shù)的關(guān)系，得到了一種可應(yīng)用于非開挖條件下的管道腐蝕弱磁檢測定量評價方法，并在某油田管道進(jìn)行了工程驗證，為非開挖條件下管道腐蝕檢測定量評價提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：腐蝕；小口徑；定量評價；磁偶極子；非開挖

中圖分類號：TG115.27；TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.01.018

Quantitative evaluation of weak magnetic detection for

gathering and transportation small-bore pipelines

Abstract：Small diameter pipelines are widely distributed in oil and gas fields，but the traditional corrosion detection methods are difficult and expensive，and the corrosion degree can only be quantitatively evaluated after the sampling points are excavated.In order to make up for this deficiency，quantitative evaluation under trenchless condition is realized：the magnetic signal characteristics of leakage magnetic field near corrosion defects are obtained by analyzing the magnetic dipole model；the relationship between the depth and width of corrosion defects and the magnetic signal is obtained by finite element simulation；SY/T6151—2009 “evaluation method for corrosion damage of steel pipeline”，the defect width and depth parameters required for corrosion evaluation are combined with the magnetic dipole model theory to deduce the relationship between calculation and magnetic signal characteristic parameters，and a quantitative evaluation method for pipeline corrosion under trenchless condition by weak magnetic field detection is obtained，which is verified in an oil field pipeline project，and is suitable for Trenchless condition It provides a theoretical basis for the quantitative evaluation of pipeline corrosion detection.

Key words：corrosion；small-bore；quantitative evaluation；magnetic dipole；trenchless

隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對石油資源的需求越來越迫切，而石油資源分布的地域性差異給資源的輸送帶來了巨大的挑戰(zhàn)。集輸管道能夠大幅緩解油氣資源輸送的困難，被廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè)[1]。然而，作為集輸管道的重要組成部分——小口徑管道（DN≤200mm），其因口徑小、數(shù)量多和長期在土壤、水或者空氣中服役，導(dǎo)致表面涂層防腐保護效果有限，從而顯著影響了管網(wǎng)的使用壽命，每年都會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至導(dǎo)致重大安全事故[2-3]。因此，小口徑集輸管道腐蝕問題的研究具有重要的科學(xué)和工程應(yīng)用價值。

目前，國內(nèi)外對于管道本體腐蝕的主要檢測方法可分為內(nèi)檢測和外檢測兩大類方法[4]。管道腐蝕內(nèi)檢測常用的方法是漏磁檢測技術(shù)，其是建立在如鐵、鋼等鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性上的，檢測原理為管中因腐蝕缺陷處的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于無缺陷管段同一位置處的磁導(dǎo)率。漏磁內(nèi)檢測的設(shè)備需要與管道尺寸相配套，設(shè)備組成較復(fù)雜且檢測方法復(fù)雜、檢測費用較高，但集輸小口徑管道因管道內(nèi)徑?。ù蠖酁棣?19管道及以下）而大多無法做漏磁內(nèi)檢測，因此漏磁內(nèi)檢測技術(shù)不適用于集輸小口徑管道的腐蝕檢測。管道本體腐蝕外檢測的常用方法有：瞬變電磁法[5]，利用不接地回線（磁源）或接地線源（電偶源）向地面以下發(fā)送一次脈沖磁場（一次場），在其激發(fā)下埋地管道激勵起的感應(yīng)渦流將上升隨時間變化的感應(yīng)電磁場（二次場），檢測并分析二次場可達(dá)到埋地管道金屬損失的目的；超聲導(dǎo)波法[6]，超聲導(dǎo)波探頭置于被檢測構(gòu)件某處，由探頭進(jìn)行導(dǎo)波激發(fā)，當(dāng)導(dǎo)波經(jīng)過缺陷處時，將產(chǎn)生大量因截面變化而返回的反射波，通過觀察反射波幅值的大小及結(jié)合構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征即可判斷可能存在的缺陷；根據(jù)過往檢測經(jīng)驗來選擇易產(chǎn)生腐蝕的管道區(qū)段進(jìn)行開挖，再搭配超聲檢測、射線檢測等傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)來檢測管道本體腐蝕[7]。傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)對于腐蝕缺陷的檢測與評價比較準(zhǔn)確，但其只能檢測已開挖管道，且由于小口徑管道腐蝕修復(fù)成本絕大部分大于直接換管，因此急需一種可以實現(xiàn)非開挖條件下的管道本體腐蝕檢測技術(shù)。

弱磁檢測技術(shù)也被稱為金屬磁記憶檢測技術(shù)，該技術(shù)于20世紀(jì)90年代由俄羅斯學(xué)者杜波夫首次提出[8-9]。弱磁檢測技術(shù)作為一種新型無損檢測技術(shù)，能夠在不損傷被檢對象的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常所引起的表面漏磁場變化來確定材料是否存在應(yīng)力集中、腐蝕缺陷及其所在位置，并對材料狀態(tài)做出診斷，進(jìn)而進(jìn)行壽命評估[10-11]。GB/T 35090—2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》[12]給出了一種在非開挖條件下管道腐蝕缺陷的評價方法，但該評價方法需要選取至少兩個取樣點進(jìn)行開挖，并結(jié)合常規(guī)檢測方法對腐蝕缺陷進(jìn)行定量檢測從而得到修正系數(shù)，再去計算管道其他腐蝕缺陷的損傷等級。因此這種方法不能評價出管道其他腐蝕缺陷的定量參數(shù)，即無法對腐蝕缺陷進(jìn)行定量化研究，且開挖取樣坑已經(jīng)對所檢測管道進(jìn)行了開挖，因此并不是真正意義上的完全非開挖檢測評價方法。

基于以上現(xiàn)狀，本研究基于SY/T 6151—2009《鋼制管道管體腐蝕損傷評價方法》[13]，通過ANSYS仿真模擬，再結(jié)合管道弱磁檢測技術(shù)，給出一種在非開挖條件下的管道腐蝕弱磁檢測定量評價方法。

1 腐蝕缺陷參數(shù)與磁特性參數(shù)的關(guān)系

SY/T 6151—2009標(biāo)準(zhǔn)對于腐蝕的評價是基于腐蝕缺陷的寬度和深度，因此下面根據(jù)這兩項參數(shù)進(jìn)行分析計算。

當(dāng)材料內(nèi)部存在缺陷時會造成缺陷處應(yīng)力集中現(xiàn)象。 由于鐵磁性材料內(nèi)部的黏彈性內(nèi)耗、位錯內(nèi)耗等多種內(nèi)耗，即使應(yīng)力消除后，缺陷處的應(yīng)力集中區(qū)也會保留下來。在缺陷處形成的漏磁場可以用磁偶極子來等效。

由于地磁場和工作載荷的作用，在管道缺陷的兩側(cè)形成磁偶極子的兩個磁極，可以用矩形槽來代替缺陷，如圖1所示，磁荷分布在矩形槽的兩壁形成面密度為ρms的磁偶極子。模型中，矩形槽兩壁高度為dy′的面元在P點處產(chǎn)生的磁場強度為[14-15]

其中

結(jié)合磁場強度與磁感應(yīng)強度間關(guān)系，即

B=μ0H（2）

則x、y方向的磁感應(yīng)強度分別為

根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]可得磁荷密度，即

式中：Hα為地磁場強度，取40A/m；μ為材料受應(yīng)力時的磁導(dǎo)率，且μ=285H/m。

通過MATLAB分別計算了不同缺陷寬度b和深度h時的磁感應(yīng)強度切向和法向分量，如圖2～3所示。

圖2和圖3展示了基于磁偶極子模型提出的缺陷附近產(chǎn)生的漏磁場切向分量具有極值、法向分量改變符號且過零點的現(xiàn)象。

2 力磁耦合有限元仿真

2.1 有限元模擬及邊界條件

仿真過程主要分為靜力學(xué)分析和力磁耦合分析，力磁耦合分析主要是根據(jù)應(yīng)力-磁導(dǎo)率模型［17］進(jìn)行力磁耦合仿真模擬，即

式中：μσ為應(yīng)力σ作用下材料的相對磁導(dǎo)率；μ為不受外力作用時材料的初始相對磁導(dǎo)率。

為了更真實地反映腐蝕缺陷的形狀，參考文獻(xiàn)[18]進(jìn)行含腐蝕缺陷管道的模型建立?？紤]到只需提取缺陷附近模型表面的磁信號，因此忽略邊緣效應(yīng)，建立1/4管道模型，外徑219mm、壁厚14mm、長600mm，材質(zhì)為X60鋼，設(shè)計內(nèi)壓10MPa。考慮到在缺陷處產(chǎn)生漏磁場，會溢出到周圍環(huán)境中，所以在其周圍建立空氣層（空氣層簡化為矩形，長600mm、寬50mm、高0.7m），形成空氣層模型，如圖4所示。

在進(jìn)行應(yīng)力分析時，采用10節(jié)點的SOLID187單元，根據(jù)實體有限元模型對其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置體單元尺寸為2mm，同時在缺陷位置處設(shè)置面單元尺寸為1mm，對進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，所得管道腐蝕缺陷模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。

在進(jìn)行磁力學(xué)分析時，選用同樣10節(jié)點的SOLID98三維磁標(biāo)勢單元，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，應(yīng)先劃分管道實體模型，劃分方法及單元尺寸應(yīng)該與應(yīng)力分析時保持一致，再劃分空氣層，所得空氣層模型網(wǎng)格劃分如圖6所示。

2.2 結(jié)果分析討論

在管道模型上方空氣層表面沿管道軸向定義位于中間和邊緣的關(guān)于腐蝕區(qū)域中心點對稱的兩條數(shù)據(jù)采集路徑，提取所選路徑上磁感應(yīng)強度在切向和法向方向的分量值，為了消除背景磁場的影響，將兩條路徑上的值分別相減得到磁感應(yīng)強度切向及法向的值BX、BY，分析其波形特征分布規(guī)律。

1）不同腐蝕缺陷寬度

圖8為不同腐蝕寬度下磁感應(yīng)強度的BX、BY變化的波形圖。

由圖8可知：磁感應(yīng)強度數(shù)值在腐蝕缺陷處出現(xiàn)密集波動，波動幅值增加，磁感應(yīng)強度切向分量

BX出現(xiàn)峰值，在峰值處為波峰或波谷，磁感應(yīng)強度突變范圍隨腐蝕寬度的增加而變大；法向分量BY存在過零點現(xiàn)象，這與磁偶極子模型提出的現(xiàn)象保持一致。

2）不同腐蝕缺陷深度

圖9為不同腐蝕深度下磁感應(yīng)強度的BX、BY變化的波形圖。

由圖9可知：磁感應(yīng)強度數(shù)值在腐蝕缺陷處出現(xiàn)密集波動，波動幅值增大，磁感應(yīng)強度切向分量

BX出現(xiàn)峰值，在峰值處為波峰或波谷，磁感應(yīng)強度突變范圍隨腐蝕寬度的增加而變大；法向分量BY存在過零點現(xiàn)象，這與磁偶極子模型提出的現(xiàn)象保持一致。

通過有限元仿真得出結(jié)論：隨著缺陷寬度和深度的增加，磁記憶信號的切向和法向分量均會隨著增加，并且信號會向兩側(cè)展開，峰峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)之差變大。

3 基于SY/T 6151標(biāo)準(zhǔn)的管道腐蝕定量評價

SY/T 6151—2009標(biāo)準(zhǔn)給出的管道腐蝕損傷評定類別劃分見表2。

首先利用弱磁檢測技術(shù)檢測得到管線正上方的磁信號，然后結(jié)合第1章推導(dǎo)的式（3）可以反推出腐蝕缺陷的寬度b和深度h，b、h分別對應(yīng)于SY/T 6151—2009標(biāo)準(zhǔn)中的Lm和d，最后根據(jù)SY/T 6151—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕缺陷定量評價，評價流程如圖10所示。

按腐蝕坑相對深度評定，計算公式為

式中：A為腐蝕坑相對深度；d為實測的腐蝕區(qū)域最大腐蝕坑深度，mm；t為管道公稱壁厚，mm。

當(dāng)A＞80%時，為第1類腐蝕；當(dāng)A≤10%時，為第3類腐蝕；當(dāng)10%＜A≤80%時，按最大安全工作壓力進(jìn)行評定。

式中：Lm為實測的腐蝕區(qū)域最大縱向投影長度，mm；D為管道外徑，mm。

評定方式為：當(dāng)p′/MAOP＞1時，為第3類腐蝕；當(dāng)F＜p′/MAOP≤1時，為第2類腐蝕；當(dāng)p′/MAOP≤F時，為第1類腐蝕。這里，MAOP為最大允許工作壓力，F(xiàn)為管道的設(shè)計系數(shù)。

4 工程驗證

本次檢測管線隸屬塔里木油田迪那油氣開發(fā)部牙哈采氣作業(yè)區(qū)YH7，全長約10km，管道主要信息見表3。

利用管道磁檢測儀對YH7管道進(jìn)行檢測，將所采集到的磁信號數(shù)據(jù)繪制波形圖，分析波形圖變化，根據(jù)有限元仿真得到的腐蝕缺陷特征波形（BY方向出現(xiàn)零點，BX方向出現(xiàn)極值）在全線選取了14個開挖驗證坑，開挖驗證坑開挖后，剝離管道的保溫層及防腐層，利用常規(guī)檢測手段確定管道最大腐蝕深度。

其中某管段現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)圖如圖11所示，圖中標(biāo)記位置即為根據(jù)有限元仿真得到的腐蝕缺陷特征波形選取的3個開挖驗證坑位置。

全線14個開挖驗證坑的常規(guī)腐蝕檢測最大腐蝕深度與根據(jù)磁信號檢測數(shù)據(jù)計算得到的最大腐蝕缺陷深度的對比如表4所示。

分析數(shù)據(jù)可知：常規(guī)腐蝕檢測方法得到的腐蝕相對深度與根據(jù)磁信號檢測數(shù)據(jù)計算得到的腐蝕相對深度之間的最大誤差不超過10%，即理論上可以直接根據(jù)管道磁檢測儀檢測到的磁信號數(shù)據(jù)選取腐蝕缺陷特征點，結(jié)合國標(biāo)SY/T 6151—2009對腐蝕缺陷特征點進(jìn)行定量評價，實現(xiàn)對管道安全運行的保障。此方法較GB/T 35090—2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》，無需選取取樣點進(jìn)行開挖檢測，可實現(xiàn)真正意義上的非開挖檢測定量評價。

5 結(jié) 論

本研究根據(jù)磁偶極子模型理論進(jìn)行腐蝕缺陷參數(shù)寬度和深度與磁信號特征參數(shù)關(guān)系的推導(dǎo)計算；仿真分析不同腐蝕缺陷深度及寬度對磁信號的影響；結(jié)合國標(biāo)SY/T 6151—2009《鋼制管道管體腐蝕損傷評價方法》得到一種管道腐蝕弱磁檢測定量評價方法，并在某油田管道進(jìn)行工程驗證，得到以下結(jié)論。

1）通過有限元仿真模擬驗證了磁偶極子模型理論推導(dǎo)的正確性。得出結(jié)論：隨著缺陷寬度和深度的增加，磁記憶信號的切向和法向分量均會隨著增加，并且信號會向兩側(cè)展開，峰峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)之差變大。

2）將SY/T 6151—2009《鋼制管道管體腐蝕損傷評價方法》應(yīng)用于管道弱磁檢測技術(shù)中，彌補了GB/T 35090—2018《無損檢測 管道弱磁檢測方法》中對于腐蝕缺陷評價的不足，得到了一種管道腐蝕弱磁檢測定量評價方法。

3）對油田管道進(jìn)行現(xiàn)場工程驗證，結(jié)果表明：根據(jù)仿真得到的腐蝕缺陷特點波形特征選取的開挖點，開挖后均存在不同程度的腐蝕；開挖取樣點后用常規(guī)腐蝕檢測方法得到的腐蝕相對深度與直接根據(jù)檢測到的磁信號檢測理論計算得到的腐蝕相對深度之間的最大誤差不超過10%。綜上證明理論上可以直接依據(jù)檢測到的磁信號數(shù)據(jù)選取腐蝕缺陷特征點并進(jìn)行相對腐蝕深度的定量評價，無需對取樣點進(jìn)行開挖檢測，為實現(xiàn)可應(yīng)用于真正非開挖條件下的管道腐蝕定量評價方法提供了理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林竹，韓文禮，郭繼銀，等.小口徑管道內(nèi)防腐蝕技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2017，43（4）：76-80.

LIN Zhu，HAN Wenli，GUO Jiyin，et al.Internal anticorrosion technology of small diameter pipelines[J].Petroleum engineering construction，2017，43（4）：76-80（in Chinese）.

[2] 封子艷，南蓓蓓，楊志剛，等.不同尺寸雙腐蝕缺陷管道剩余強度研究[J].油氣田環(huán)境保護，2015，25（3）：4-8.

FENG Ziyan，NAN Beibei，YANG Zhigang，et al.The study on the residual strength of the pipeline with double corrosion defects in different sizes[J].Environmental protection of oil amp; gas fields，2015，25（3）：4-8（in Chinese）.

[3] 郭人毓.大慶煉化原料氣外輸管道腐蝕檢測和評價技術(shù)研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2015.

[4] 余方林，于潤橋，廖連文，等.埋地管道非開挖弱磁腐蝕檢測[J].無損檢測，2019，41（7）：39-44.

YU Fanglin，YU Runqiao，LIAO Lianwen，et al.Non-excavation magnetic flux corrosion test for buried pipelines[J].Non-destructive testing，2019，41（7）：39-44（in Chinese）.

[5] 浦哲，石生芳，任彬，等.瞬變電磁法在門站管道檢測中的應(yīng)用[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2019（6）：22-24.

PU Zhe，SHI Shengfang，REN Bin，et al.Application of transient electromagnetic method in gate station pipeline inspection[J].Safety technology of special equipment，2019（6）：22-24（in Chinese）.

[6] 薛建虹，黎宇，孫杰，等.在役油氣管道超聲導(dǎo)波腐蝕檢測技術(shù)應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護，2021，38（1）：29-32.

XUE Jianhong，LI Yu，SUN Jie，et al.Application of ultrasonic guide wave detection for in-service pipeline corrosion[J].Corrosion amp; protection in petrochemical industry，2021，38（1）：29-32（in Chinese）.

[7] 韓燁.埋地管道缺陷非開挖檢測技術(shù)應(yīng)用研究[J].安全、健康和環(huán)境，2019，19（3）：36-40.

HAN Ye.Research on trenchless defect testing technology and its application on buried pipeline[J].Safety health amp; environment，2019，19（3）：36-40（in Chinese）.

[8] 徐敏強，李建偉，冷建成，等.金屬磁記憶檢測技術(shù)機理模型[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，42（1）：16-19.

XU Minqiang，LI Jianwei，LENG Jiancheng，et al.Physical mechanism model of the metal magnetic memory testing technology[J].Journal of Harbin Institute of Technology，2010，42（1）：16-19（in Chinese）.

[9] 王正道，姚凱，沈愷，等.金屬磁記憶檢測技術(shù)研究進(jìn)展及若干討論[J].實驗力學(xué)，2012，27（2）：129-139.

WANG Zhengdao，YAO Kai，SHEN Kai，et al.Advances and evaluation of metal magnetic memory NDT technique[J].Journal of experimental mechanics，2012，27（2）：129-139（in Chinese）.

[10]錢正春，黃海鴻，韓剛，等.面向再制造的金屬磁記憶檢測技術(shù)研究綜述及工程應(yīng)用案例[J].機械工程學(xué)報，2018，54（17）：235-245.

QIAN Zhengchun，HUANG Haihong，HAN Gang，et al.Review on metal magnetic memory detection technology in remanufacturing and case study in engineering[J].Journal of mechanical engineering，2018，54（17）：235-245（in Chinese）.

[11]DONG L H，XU B S，DONG S Y，et al.Metal magnetic memory testing for early damage assessment in ferromagnetic materials[J].Journal of Central South University of Technology，2005，12（2）：102-106.

[12]國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.無損檢測 管道弱磁檢測方法：GB/T 35090—2018[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[13]國家能源局.鋼質(zhì)管道金屬損失缺陷評價方法：SY/T 6151—2009[S].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[14]REN J L，SONG K，ZHU H，et al.Application of magnetic memory testing in ferromagnetic items of power station[C]//SICE 2003 Annual Conference.Piscataway，NJ，USA：IEEE，2003：2516-2520.

[15]宋凱，任吉林，任尚坤，等.基于磁疇聚合模型的磁記憶效應(yīng)機理研究[J].無損檢測，2007，29（6）：312-314.

SONG Kai，REN Jilin，REN Shangkun，et al.Study on the mechanism of magnetic memory effect based on polymerization model of magnetic domain[J].Nondestructive testing，2007，29（6）：312-314（in Chinese）.

[16]徐章遂，徐英，王建斌，等.裂紋漏磁定量檢測原理與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005：34-35.

[17]劉怡，胡博，代占鑫，等.Q235鋼短裂紋擴展的力-磁耦合模擬[J].金屬熱處理，2018，43（12）：226-231.

LIU Yi，HU Bo，DAI Zhanxin，et al.Simulation of short crack propagation in Q235 steel based on coupling of stress and magnetic[J].Heat treatment of metals，2018，43（12）：226-231（in Chinese）.

[18]閆卓然，曾斌，謝偉，等.埋地鐵磁小管道腐蝕力-磁耦合仿真研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2020，39（7）：1121-1127.

YAN Zhuoran，ZENG Bin，XIE Wei，et al.Study on coupling simulation of corrosive stress and magnetization for small buried ferromagnetic pipeline[J].Mechanical science and technology for aerospace engineering，2020，39（7）：1121-1127（in Chinese）.