CNG儲(chǔ)氣井井筒腐蝕的漏磁檢測(cè)探索

張海錠，蘇真?zhèn)ィ窒赏?，李海鵬

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

1 引 言

天然氣是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)、高效清潔能源，和石油相比在安全、環(huán)保等方面有諸多優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)石油短缺，而天然氣儲(chǔ)量十分豐富。壓縮天然氣（CNG）作為汽車替代燃料，近年來(lái)得到迅猛發(fā)展，目前全國(guó)儲(chǔ)氣井?dāng)?shù)量已超過(guò)3000口，并且每年以800口的速度遞增。

當(dāng)前，我國(guó)大量?jī)?chǔ)氣井已進(jìn)入中老年期，存在安全隱患。但是迄今為止，我國(guó)還沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)裝備和手段來(lái)對(duì)CNG儲(chǔ)氣井的安全隱患進(jìn)行有效的檢測(cè)，缺少儲(chǔ)氣井安全評(píng)估方法和管理規(guī)范。文獻(xiàn)檢索表明，超聲波（UT）檢測(cè)和漏磁通量（MFL）檢測(cè)是當(dāng)前世界上最常用的兩種油氣管道管內(nèi)智能檢測(cè)技術(shù)。UT測(cè)量精度高，能分辨管內(nèi)壁和外壁缺陷，不受管道材質(zhì)約束，能夠測(cè)量漸變腐蝕。但是UT存在檢測(cè)盲區(qū)，只能對(duì)光潔表面檢測(cè)，使用前必須清洗管道，需要耦合劑。MFL檢測(cè)對(duì)突變?nèi)毕菝舾校瑹o(wú)盲區(qū)，能對(duì)管壁進(jìn)行全面檢測(cè)，對(duì)被測(cè)表面的光潔度要求低，不需要耦合劑，更適用于CNG儲(chǔ)氣井井筒腐蝕的檢測(cè)。

2 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)由磁化器、空氣隙、管壁組成閉合磁路，如圖1所示。管壁被磁化后，在缺陷及其表面形成漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)的形狀及強(qiáng)度和缺陷的形狀有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。應(yīng)用傳感器測(cè)量這個(gè)漏磁場(chǎng)，得到測(cè)量信號(hào)，分析后可檢測(cè)出管壁的缺陷。

按照磁化方式來(lái)分，漏磁檢測(cè)可以分為直流磁化、交流磁化、復(fù)合磁化，綜合磁化等。直流磁化又可分為直流電流磁化和永磁磁化。直流磁化需對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行飽和磁化，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量深度較深，可以測(cè)量被測(cè)件內(nèi)外壁的缺陷。交流磁化由于集膚效應(yīng)的影響，磁力線聚集在被測(cè)件表面，所以只能測(cè)量表面缺陷，不能測(cè)量外壁缺陷，優(yōu)點(diǎn)是不用進(jìn)行飽和磁化。其中直流磁化和交流磁化應(yīng)用較多，復(fù)合磁化和綜合磁化比較復(fù)雜，目前應(yīng)用不多。

圖1 漏磁檢測(cè)原理圖

1965年美國(guó)AMF公司研制出第一臺(tái)漏磁檢測(cè)器。之后，英美俄等發(fā)達(dá)國(guó)家都成立了專門研制基于漏磁的管道檢測(cè)公司，如BG、Pipetronic等公司的漏磁爬豬，檢測(cè)精度達(dá)到了0.05T。

20世紀(jì)80年代末，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)和研制漏磁檢測(cè)儀器。2001年沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)和新疆三葉管道技術(shù)有限責(zé)任公司成功研制了直徑377mm的管道漏磁在線檢測(cè)系統(tǒng)，并在輸油管道中進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)。近年來(lái)，漏磁已大量應(yīng)用于鋼管檢測(cè)，但國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有專門檢測(cè)CNG儲(chǔ)氣井的漏磁檢測(cè)裝置。

3 漏磁場(chǎng)的有限元模擬分析

儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)如圖2所示。井筒垂直埋于100～300m地層中，其周圍灌注水泥，保護(hù)井筒免受地層介質(zhì)腐蝕。井筒采用API無(wú)縫鋼管，管內(nèi)徑156mm，外徑177mm。這樣的結(jié)構(gòu)決定了必須采用磁化器內(nèi)置的檢測(cè)方式。

圖2 儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)圖

漏磁場(chǎng)的模擬分析采用ANSYS有限元軟件。ANSYS是一種計(jì)算機(jī)數(shù)值分析軟件，在與力學(xué)、材料學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)等學(xué)科相關(guān)的實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。用ANSYS進(jìn)行仿真必需施加邊界條件，邊界條件可以采用遠(yuǎn)場(chǎng)或者采用足夠?qū)挼目諝鈱觼?lái)模擬。如采用空氣層，氣層厚度一般是所仿真的關(guān)鍵區(qū)域的7～8倍。鑒于井筒相對(duì)磁化裝置無(wú)限長(zhǎng)，如采用遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)模擬邊界條件，井筒和空氣難以區(qū)分，所以所建模型中在軸向方面井筒長(zhǎng)度及相應(yīng)的空氣層是磁化裝置的17倍長(zhǎng)。磁化裝置置于模型中間，在徑向方面，以空氣層代替水泥及土壤模擬邊界條件，空氣層相對(duì)井筒兩邊各延伸8倍寬度。應(yīng)用集膚深度公式 δ=1計(jì)算得，δ=0.4mm。在集膚深度內(nèi)劃分了兩層網(wǎng)格。用自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，在缺陷和鋼管表面等關(guān)心區(qū)域進(jìn)行了局部細(xì)劃。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

可調(diào)的參數(shù)有銜鐵和鋼管的空氣隙、銜鐵半徑R、銜鐵寬度K、銜鐵長(zhǎng)度C、線圈電壓。得出的主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)1～12 mm的空氣隙進(jìn)行模擬時(shí)，空氣隙與磁化強(qiáng)度呈非線性關(guān)系，隨著磁化間隙增大，磁化強(qiáng)度逐漸減小。

（2）對(duì)5～60mm的銜鐵半徑進(jìn)行模擬時(shí)，隨著銜鐵半徑的增加磁化強(qiáng)度也在增加，但是增加幅度不大，為減小裝置重量和體積考慮，應(yīng)以20～30mm為宜。

（3）對(duì)5～60mm的銜鐵寬進(jìn)行模擬時(shí)，隨著銜鐵寬度的增加磁化強(qiáng)度大體上也在增加，但是增加的幅度不大，同樣為減小體積和重量，應(yīng)選擇5～20mm。

（4）對(duì)30～130mm的銜鐵長(zhǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，隨著銜鐵長(zhǎng)度的增加磁化強(qiáng)度也在增加，剛開(kāi)始幅度較大，后面逐漸飽和。同樣為減小體積和重量，取銜鐵長(zhǎng)度為50mm。

（5）對(duì)5～30 V的線圈電壓進(jìn)行模擬時(shí)，磁化強(qiáng)度與線圈電壓成正比，對(duì)線圈施加的電壓能更好的提高磁化強(qiáng)度，不僅比較方便，而且提高的幅度要大得多，但是電流大了，還要考慮發(fā)熱問(wèn)題。

基于以上的模擬結(jié)果，選定空氣隙3 mm，銜鐵半徑20mm，銜鐵寬20mm，銜鐵長(zhǎng)50mm，線圈電壓30V，頻率為1kHz。然后建模分析缺陷信號(hào)波形，得出結(jié)論如下：

（1）在寬度固定為2 mm時(shí)，對(duì)深度為1～7 mm的缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行模擬。結(jié)果如圖4所示，說(shuō)明在寬度一定的情況下，缺陷深度越大信號(hào)峰值越高，曲線越陡峭，越有利于缺陷的檢出。

（2）在深度固定為2mm時(shí)，對(duì)寬度分別為1mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm 的缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行模擬。結(jié)果如圖5所示，在深度一定的情況下，剛開(kāi)始隨著寬度的增加信號(hào)的峰值也增加，信號(hào)越陡峭，在達(dá)到峰值后開(kāi)始出現(xiàn)雙峰，雙峰距離增大，雙峰值逐漸減小。

4 漏磁檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

如圖6所示，漏磁檢測(cè)系統(tǒng)由電源、磁化裝置、檢測(cè)探頭、A/D模塊、計(jì)算機(jī)等組成。磁化裝置將鋼管磁化后，由檢測(cè)探頭檢出信號(hào)，再由A/D采集，最后在計(jì)算機(jī)中顯示分析結(jié)果。

圖6 漏磁檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)圖

4.1 磁化裝置

磁化裝置在漏磁檢測(cè)中起關(guān)鍵作用，磁化強(qiáng)度不夠就無(wú)法檢測(cè)出缺陷。磁化裝置采用高磁導(dǎo)率、低矯頑力的錳鋅鐵氧體作為磁芯，在磁芯上纏繞一定匝數(shù)的線圈。磁化強(qiáng)度大小由線圈匝數(shù)和通過(guò)線圈的電流調(diào)節(jié)。

4.2 檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭由PCB板和hal3503霍爾元件組成，Hal3503固定在PCB板上面，PCB板固定在纏繞好的線圈上。Hal3503分辨率7.5～15.4mV/mT，為了不漏檢并且提高掃描速度，霍爾元件必須均勻分布在PCB板外圍。PCB布版如圖7所示。

4.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集由臺(tái)達(dá)PLC模塊DVP-14SS和A/D模塊DVP-04AD組成，DVP-14SS自帶485接口，可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信，DVP-04AD是 14位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍±10VDC，分辨率1.25mV，有4個(gè)輸入通道。

4.4 計(jì)算機(jī)顯示

采用Visual studio 2005 C#編程，利用RS232串口和DVP-14SS通訊，可以顯示4通道的波形，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)。串口通信采用C#自帶串口組件serialPort，波形顯示采用Web組件C1.Win.C1Chart。流程圖如圖8所示。

4.5 漏磁檢測(cè)裝置

總體檢測(cè)裝置如圖9所示，從左上到右下分別是井筒、磁化裝置和檢測(cè)探頭、直流電源、DVP-14SS和DVP-04AD、RS485到RS232轉(zhuǎn)接器。軟件用戶界面如圖10所示。

圖8 流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以檢測(cè)出CNG儲(chǔ)氣井的缺陷，檢測(cè)精度可從2方面進(jìn)一步提高：

（1）從硬件入手，增大磁化強(qiáng)度和傳感器靈敏度；

（2）采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理精度。

存在的主要問(wèn)題有2個(gè)方面：（1）漏磁檢測(cè)對(duì)漸變性腐蝕不敏感，而CNG儲(chǔ)氣井在使用過(guò)程中大量的腐蝕是漸變性的；（2）漏磁檢測(cè)的磁化系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)體積較大，而老式的CNG儲(chǔ)氣井井口不能拆卸，很難實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。

進(jìn)一步的工作是在提高檢測(cè)精度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適應(yīng)于老式井口的磁化檢測(cè)系統(tǒng)，并考慮超聲波檢測(cè)的互補(bǔ)性，研制漏磁和超聲綜合檢測(cè)系統(tǒng)。

[1] Atherton D L，Daly M G.Finite element calculation of magnetic flux leakage detector signal [J]. NDT International，1987，20（4）：235-238.

[2] Atherton D L.Magnetic field techniques for the inspection of steel under concrete over[J].NDT&E International，2001，34（7）：445-456.

[3] 孫明禮.ANSYS 10.0電磁學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4] 郭希玲.交變漏磁檢測(cè)技術(shù)及螺紋缺陷的識(shí)別研究[D].合肥：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.

[5] 李鶯鶯.油氣管道在線內(nèi)檢測(cè)若干關(guān)問(wèn)題研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[6]孫燕華.便攜式鉆桿漏磁檢測(cè)裝置[D].武漢:華中科技大學(xué)，2006.

[7] 周 奇.基于有限元分析的螺紋漏磁檢測(cè)方法研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[8]黃松嶺.管道磁化的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，40（2）：67-69.

[9] 嚴(yán) 鵬，秦 剛，郭 敏.自相關(guān)分析在漏磁信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（12）：35-36.

[10]康中尉.鋼管表面缺陷檢測(cè)用交變漏磁檢測(cè)系統(tǒng)[J].無(wú)損檢測(cè)，2006，28（4）：189-191.

[11]胡浪濤，何輔云.管道漏磁檢測(cè)磁化系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量和儀器學(xué)報(bào)，2008，22（6）：102-106.