埋地管道缺陷非開挖檢測技術(shù)應(yīng)用研究*

韓 燁

(1.中國石化長輸油氣管道檢測有限公司，江蘇徐州 2210082.浙江大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州 310058)

0 引言

2013年“11·22”事故后，國務(wù)院安委會接連發(fā)布了《關(guān)于開展油氣輸送管線等安全專項排查整治的緊急通知》和《關(guān)于深入開展油氣輸送管道隱患整治攻堅戰(zhàn)的通知》，在全國范圍內(nèi)深入開展油氣輸送管道隱患整治攻堅戰(zhàn)，徹底整改油氣輸送管道安全隱患，有效防范和堅決遏制油氣輸送管道重特大事故的發(fā)生[1]。對青島“11·22”等事故的系統(tǒng)研究得出，應(yīng)采用現(xiàn)代風(fēng)險管理方法，對具有潛在性的脆弱性進行識別、評估和控制[2]。

通過設(shè)備完整性與檢測檢驗水平的提升，經(jīng)濟、可靠地識別出埋地管道中的應(yīng)力集中位置，并對管道本體缺陷進行安全狀況評估，可有效降低外部風(fēng)險，促進油氣管道安全運行[3]。

原油管道泄漏事故除損失大量原油外，同時還造成了嚴重的環(huán)境污染，使企業(yè)蒙受重大經(jīng)濟損失[4]。影響管道失效的因素主要有張力過載、彎曲、斷裂、擠毀、疲勞、材料損耗、扭曲、機械傷害[5]，管道所使用的鐵磁性金屬材料發(fā)生損壞的根源還有應(yīng)力集中引起的各種微觀及宏觀機械損傷，如管體局部塑性變形、疲勞裂紋等[6]。管道缺陷檢測的方法主要是根據(jù)經(jīng)驗來選擇易產(chǎn)生應(yīng)力集中和腐蝕的區(qū)段進行開挖，再配合常規(guī)的無損檢測方法來檢測。傳統(tǒng)的超聲、射線、漏磁等無損檢測技術(shù)只能檢測到已形成缺陷，而無法實現(xiàn)對導(dǎo)致缺陷形成的關(guān)鍵因素——應(yīng)力集中的檢測，因而也就無法對危害形成的早期階段進行預(yù)判[7]。對于金屬埋地管道檢測也可采用管道內(nèi)檢測等方法，但這些方法都存在較大的局限性，對于金屬埋地管道規(guī)格、能否接觸安裝探頭以及管道是否在役等都有嚴格的要求，以至于在實際運用中都受到很大的限制[8]。因此，對于油氣管道中普遍使用的金屬埋地管道，如何更加經(jīng)濟、簡便、安全、科學(xué)地檢測就成為當今管道檢測業(yè)界的重要課題。因此，開展可以實現(xiàn)非開挖檢測的埋地管道弱磁檢測技術(shù)研究，對保障管道安全運行具有重要價值。

1 弱磁檢測原理

弱磁檢測是一種不需要外界對待檢工件進行磁化，利用地球磁場穿過缺陷后產(chǎn)生的磁場變化進行無損檢測的新技術(shù)。弱磁檢測通過高精度的測磁傳感器，測量地球磁場穿透被檢工件后的磁場強度變化，通過分析磁場強度的變化來判斷被檢工件內(nèi)部和表面是否存在缺陷，它是一種完全的檢測技術(shù)，無需預(yù)先對被檢工件進行人為磁化[9-10]。

假設(shè)被檢工件本身的磁導(dǎo)率為μ，工件內(nèi)部不連續(xù)區(qū)的磁導(dǎo)率為μ＇，若不連續(xù)區(qū)為高磁導(dǎo)率物質(zhì)，即μ<μ＇，那么在測磁傳感器通過該區(qū)域時，磁感應(yīng)強度曲線會出現(xiàn)下凹現(xiàn)象；若不連續(xù)區(qū)域為低磁導(dǎo)率物質(zhì)，即μ>μ＇，那么在測磁傳感器通過該區(qū)域時，磁感應(yīng)強度曲線會出現(xiàn)上凸現(xiàn)象[11]。

基于埋地金屬管道所處的物理環(huán)境，金屬管道中出現(xiàn)的絕大部分缺陷類型是腐蝕減薄，當埋地金屬管道某位置發(fā)生腐蝕減薄時，此位置的管道金屬量發(fā)生相應(yīng)的減少，其結(jié)果相當于該處金屬介質(zhì)由低磁導(dǎo)率的空氣和土壤等物質(zhì)所替代，這必將對穿透該區(qū)域的地球磁場產(chǎn)生影響，弱磁檢測正是基于此原理對埋地管道腐蝕類缺陷來進行非開挖檢測[12]。待檢測的金屬管道埋于地下深度d處，當待檢的埋地金屬管道自身存在腐蝕或裂紋類缺陷后，地磁場穿透金屬管道時，管道完整區(qū)段與存在腐蝕的區(qū)段地磁場穿透后將發(fā)生異常畸變[13]，當三維測磁傳感器通過管道正上方軌道時實時記錄各個位置的空間磁場，所采集的空間磁場數(shù)據(jù)傳至上位機處理后通過相應(yīng)分析軟件處理后得出檢測結(jié)果。

2 試驗研究

試驗采用一根長2 100 mm，外徑140 mm，壁厚4.5 mm 的輸油管道，其上有人為加工的5個減薄類缺陷以及1個管體本身的自然缺陷，如圖1所示，各位置缺陷類型和腐蝕深度見表1(單位為mm)。

圖1 試驗管示意

為模擬埋地管道現(xiàn)場檢測條件，將非鐵磁性材料制作的伸縮梯升高到1 800 mm，將測磁傳感器置于其上，試驗管置于伸縮梯兩肢之間，通過推動伸縮梯前進來采集穿透試驗管的地球磁場數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。上位機內(nèi)安裝有專門為埋地金屬管道檢測開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件?？紤]到埋地管道檢測的現(xiàn)場因素，測磁傳感器在檢測初始和結(jié)束兩位置會由于其突然的啟動與停止，致使所采集的磁場信號發(fā)生嚴重的畸變[14]，因此在分析軟件的開發(fā)中將檢測的初始和結(jié)束兩處的信號進行一定距離的信號屏蔽，以避免其對整體檢測結(jié)果的干擾。

對試驗管分3個不同提離高度分別進行3次檢測，結(jié)果如表2所示。

埋地金屬管道弱磁檢測儀中設(shè)置有多個測磁傳感器，分別記錄管道上方各位置的空間磁場強度。檢測的數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件擬合后可以得到管道腐蝕深度d、管道埋深h和磁場強度H之間滿足指數(shù)關(guān)系[15-16]。

通過多次的試驗可以得出，埋地金屬管道弱磁檢測技術(shù)最小可檢測占壁厚1/8的腐蝕，檢測裂紋缺陷時，最小可檢測1 mm深的裂紋類缺陷。

表2 試驗管測試數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用案例分析

采用弱磁檢測技術(shù)，在中國石化某石油管道上進行了實地檢測及開挖驗證，根據(jù)驗證結(jié)果分析了該技術(shù)對埋地管道缺陷檢測等級劃分的可靠性。檢測現(xiàn)場埋土狀況：農(nóng)田，埋深1～1.5 m。此段管道檢測，共給出了5處開挖點進行開挖驗證，預(yù)判缺陷等級如表3所示(表中Ⅰ級：立即處置；Ⅱ級：列入計劃修復(fù)；Ⅲ：下次檢測重點)。

表3 弱磁檢測開挖點 m

3.1 檢測信號與缺陷對比驗證

1#開挖點驗證：1#開挖點弱磁檢測波形與開挖后管體缺陷比對如圖2所示。開挖段防腐層無明顯破損，管體無明顯腐蝕，9點方位有兩處凹坑，長寬深尺寸分別為10 mm×9 mm×1.2 mm，10 mm×10 mm×1.1 mm。

圖2 1#開挖點檢測圖形與缺陷比對

2#開挖點驗證：2#開挖點弱磁檢測波形與開挖后管體缺陷比對如圖3所示。開挖段管道防腐層有明顯的破損，管體有機械劃傷面，其中最深0.2 mm；11點方位有兩處腐蝕麻面，長寬尺寸分別為75 mm×50 mm，60 mm×40 mm，其中最深0.3 mm。

圖3 2#開挖點檢測圖形與缺陷比對

3#開挖點驗證：3#開挖點弱磁檢測波形與開挖后管體缺陷比對如圖4所示。開挖段管道防腐層無明顯的破損。管道存在一輕微凹坑，長寬深尺寸為7 mm×6 mm×0.4 mm，整體出現(xiàn)腐蝕麻面。受焊縫的影響，檢測信號中出現(xiàn)了明顯的變化。

圖4 3#開挖點檢測圖形與缺陷比對

4#開挖點驗證：4#開挖點弱磁檢測波形與開挖后管體缺陷比對如圖5所示。開挖段管道防腐層有明顯地長5.5 m連續(xù)破損及盜油孔補板露鐵。剝離防腐層后發(fā)現(xiàn)管體12點方位有盜油孔補板長寬為160 mm×150 mm；6處腐蝕麻面及整體機械劃痕。

圖5 4#開挖點檢測圖形與缺陷比對

5#開挖點驗證：5#開挖點弱磁檢測波形與開挖后管體缺陷比對如圖6所示。開挖段管道防腐層有明顯破損。管體存在焊疤、凹坑及大面積腐蝕，其中1處較為嚴重，長寬深尺寸為90 mm×70 mm×2 mm。

圖6 5#開挖點檢測圖形與缺陷比對

3.2 檢測圖形與缺陷比對分析

該管道利用弱磁檢測技術(shù)能夠有效獲取管道異常的弱磁信號。檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，選擇了5個典型缺陷波形位置為開挖驗證點。經(jīng)開挖驗證，檢測波形與缺陷的性質(zhì)及嚴重程度具有對應(yīng)關(guān)系，缺陷評定級別與缺陷嚴重程度基本符合，證明該技術(shù)具有較高的應(yīng)用可靠性。

4 結(jié)語

通過實驗室試驗和現(xiàn)場驗證表明，弱磁檢測對金屬埋地管道常見腐蝕減薄及管體缺陷有很好的檢出率，對于檢測現(xiàn)場條件也有很好的適應(yīng)性，無須開挖，檢測效率高，相比于其他檢測手段可操作性較好[17]。在無法開展內(nèi)檢測的情況下，通過弱磁檢測技術(shù)與其它接觸式檢測技術(shù)，例如相控陣技術(shù)、管壁漏磁技術(shù)的結(jié)合使用，可以有效提高埋地管道腐蝕重點區(qū)域的判斷及腐蝕參數(shù)測量的精度，為提高管道完整性管理評價直接評價的可靠性提供了依據(jù)。