基于瞬變電磁法的城市熱力管道腐蝕檢測(cè)

(南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，如何確保熱力管道的安全運(yùn)行是一個(gè)亟待解決的問題。瑞典、德國(guó)、芬蘭等歐洲國(guó)家都有一系列完整的熱力管道檢測(cè)、運(yùn)行和維護(hù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施方法。對(duì)于直埋式熱管網(wǎng)，這些國(guó)家已經(jīng)推廣使用熱力管道的漏點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)(LDS)[1]，其工作原理是泄漏的液體會(huì)改變檢測(cè)系統(tǒng)的阻抗，同時(shí)可以準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)管道泄漏或管網(wǎng)中涂層損壞引起的漏水問題，從而實(shí)施相應(yīng)的維護(hù)措施[2]。但是，LDS只能判斷出管體是否存在泄漏點(diǎn)，不能知道未發(fā)生泄漏管體的使用情況，從而埋下安全隱患，而且泄漏的液體沿著管體流動(dòng)，易降低檢測(cè)精度。隨著國(guó)內(nèi)供暖事業(yè)的日益發(fā)展，較先進(jìn)的熱力管道漏點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)采用的是光纖光柵檢測(cè)法，其檢測(cè)原理是在熱力管道網(wǎng)線的下方放置光纖光柵傳感器，檢測(cè)其管線的溫度場(chǎng)分布，熱力管道正常運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布均勻；當(dāng)某段熱力管道出現(xiàn)泄漏時(shí)，其泄漏部位周圍溫度升高，光纖光柵傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到其溫度變化[3]。通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確得知熱力管道網(wǎng)線中發(fā)生泄漏的所在位置，但光纖光柵法存在造價(jià)高、維護(hù)困難等問題。目前，當(dāng)這些老舊管道出現(xiàn)管道腐蝕泄漏時(shí)，主要采用閥門隔離、閥門聽音、聞氣味及測(cè)量地表溫度等方法對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。這些方法主要是依靠有經(jīng)驗(yàn)的工作人員，他們通過聽管道水流聲音，或者通過閥門控制系統(tǒng)測(cè)試、分段試壓、測(cè)試挖掘觀測(cè)等方法[4]判斷管道的泄漏位置。這些方法雖然能有效判斷熱力管道的腐蝕泄漏位置，但易受外界環(huán)境變化和人員因素的干擾，并且效率較低、成本高、定位也不精準(zhǔn)。

筆者提出的瞬變電磁檢測(cè)方法是一種有效的在役非開挖檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)的探測(cè)深度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，可得到管道的壁厚信息[5]，可以實(shí)現(xiàn)在不開挖、在役的前提下對(duì)城市熱力管道進(jìn)行腐蝕檢測(cè)。其通過接收二次場(chǎng)所含的管體信息，直接由管體金屬量的減少來判定腐蝕程度，從而實(shí)現(xiàn)城市熱力管道腐蝕的提前預(yù)警。

1 城市熱力管道瞬變電磁法檢測(cè)原理

瞬變電磁法是一種基于以麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為核心的電磁感應(yīng)原理的時(shí)間域人工源電磁檢測(cè)方法。其使用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射脈沖場(chǎng)，即一次場(chǎng)。在激發(fā)狀態(tài)下，熱力管道中激發(fā)的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)，即二次場(chǎng)。在發(fā)射一次場(chǎng)的間隙下，利用接收線圈接收隨時(shí)間變化的二次場(chǎng)，提取和分析二次場(chǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值，該瞬時(shí)磁場(chǎng)值可用下式表示。

(t)/I=V(t)/(qI)

(1)

通過傅里葉變化得到

(2)

(3)

(4)

歸一化處理得到的歸一化感應(yīng)瞬態(tài)電壓為

(5)

為了得到熱力管道真實(shí)的管體情況，要通過剩余壁厚反演得到管體的壁厚百分比。根據(jù)接收到的二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)情況，建立指數(shù)擬合模型

(6)

式中：P為壁厚百分比；D0為熱力管道原始壁厚；K1以及K2為擬合系數(shù)；V為歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

由式(2)和式(5)得，熱力管道的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率影響著感應(yīng)電場(chǎng)瞬時(shí)值的大小，熱力管道發(fā)生腐蝕的局部區(qū)域的金屬量減少會(huì)導(dǎo)致該處管體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，而管道腐蝕的區(qū)域會(huì)時(shí)刻發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化，從而影響管道磁導(dǎo)率的大小，因而接收的感應(yīng)電場(chǎng)的瞬時(shí)電壓會(huì)發(fā)生改變，由式(6)反演，可得到熱力管道的真實(shí)管體情況，從而達(dá)到檢測(cè)熱力管道的目的。城市熱力管道的瞬變電磁法檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 城市熱力管道的瞬變電磁法檢測(cè)原理

2 城市熱力管道的失效分析

我國(guó)北方城市管道運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，大部分城市熱力管道已經(jīng)老化，失效頻率高。城市熱力管道失效的主要原因有腐蝕失效、第三方破壞失效和管道缺陷。

腐蝕失效是城市熱力管道失效的主要原因，腐蝕失效分為外腐蝕和內(nèi)腐蝕。防腐層的完整性對(duì)外腐蝕失效的影響最大。城市熱力管道長(zhǎng)期處于復(fù)雜的地下環(huán)境中，通過對(duì)發(fā)生腐蝕的城市熱力管道進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)管體周圍土壤的含水量、酸堿度、含氧量、含鹽量、溫度、pH值等對(duì)外腐蝕起主要作用[6-7]。不僅如此，還發(fā)現(xiàn)在電氣化軌道附近的城市供熱管線的腐蝕更為嚴(yán)重。城市軌道交通會(huì)產(chǎn)生雜散電流，周圍埋設(shè)的管道也會(huì)影響與之相連的市政管網(wǎng)，甚至造成事故。內(nèi)腐蝕主要是熱力管道在供熱期和非供熱期受到內(nèi)部介質(zhì)腐蝕的現(xiàn)象，在供熱期，管道內(nèi)處在一個(gè)高溫高壓的環(huán)境中，管道內(nèi)壁時(shí)刻發(fā)生著復(fù)雜的化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)，又由于供熱期管道內(nèi)水循環(huán)量大，富含大量的氧和二氧化碳，氧腐蝕和酸腐蝕是造成管內(nèi)壁腐蝕的主要原因；在非供熱期，管道內(nèi)水量較供熱期大幅減少，管道內(nèi)出現(xiàn)氣水分界面，使得水中的氧和二氧化碳增加，加速了管道內(nèi)壁的腐蝕。

第三方破壞是城市熱力管道失效的第二大原因，無論施工破壞、違章占?jí)?，還是車輛沖擊，都屬于外力環(huán)境引起的防腐層破損，管道才會(huì)發(fā)生腐蝕失效。

管道缺陷也很容易導(dǎo)致管道故障，主要包括管材原有的缺陷(包括制造缺陷和運(yùn)輸過程中的損傷)、焊接或熔接缺陷，以及不合理的早期管道鋪設(shè)引起的缺陷。偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)管道的原始缺陷，但管道失效的情況非常少；然而，焊接缺陷導(dǎo)致管道失效的情況卻時(shí)常發(fā)生，主要是早期施工的不合理、不規(guī)范，施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，焊工無證上崗和盲目趕工期所致。通過分析發(fā)現(xiàn)，焊縫處的破壞主要是腐蝕，因?yàn)楹缚p處的防腐層品質(zhì)遠(yuǎn)不如管道的原始防腐層品質(zhì)。

圖2 瞬變電磁檢測(cè)儀組成部分的外觀

3 檢測(cè)儀器及檢測(cè)方法

采用的檢測(cè)儀器為WTEM-1QⅡ/GPS瞬變電磁檢測(cè)儀(見圖2)，該檢測(cè)儀主要由3個(gè)部分組成：瞬變電磁儀主機(jī)、方形線圈傳感器以及傳輸線纜。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)集成在主機(jī)上，主機(jī)左半部分為發(fā)射機(jī)，右半部分為接收機(jī)。發(fā)射部分為發(fā)射線圈提供不同頻率的雙極性正弦方波信號(hào)，接收部分為接收線圈采集信號(hào)。傳輸線纜負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)與線圈傳感器的連接，其由8個(gè)接線口和一個(gè)阻尼電阻組成，阻尼電阻可消除接收回路的震蕩，其中阻尼電阻設(shè)置為200 Ω，經(jīng)驗(yàn)證檢測(cè)效果較好。

檢測(cè)方法：① 記錄現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境信息；② 連接發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及檢測(cè)探頭；③ 將掌上電子計(jì)算機(jī)和接收機(jī)通過藍(lán)牙連接，并在掌上電子計(jì)算機(jī)里設(shè)置采集數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)；④ 校對(duì)，初步檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)，作最后調(diào)整；⑤ 正式檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)，并記錄試驗(yàn)參數(shù)；⑥ 分析數(shù)據(jù)并對(duì)熱力管道進(jìn)行安全評(píng)估。

4 工程實(shí)際應(yīng)用

4.1 檢測(cè)前期準(zhǔn)備工作

在開始檢測(cè)之前，需要對(duì)管道和檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行全面的信息采集和記錄。需要向待檢熱力管道運(yùn)營(yíng)單位人員了解管道的相關(guān)信息，如：管道埋深、管徑及原始壁厚，管道防腐及維修情況，管道材料，地表檢測(cè)環(huán)境等。管道埋深和管徑大小有助于對(duì)激勵(lì)源及線圈傳感器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保接收到最佳的管體信息。

全面了解相關(guān)的檢測(cè)信息及現(xiàn)場(chǎng)條件后，制定檢測(cè)方案。由于管道鋪設(shè)年代久遠(yuǎn)，熱力管道運(yùn)營(yíng)方可能無法提供準(zhǔn)確的管道走線，為了保證線圈傳感器經(jīng)過管道正上方，且采集的信號(hào)是管體信息，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，有必要確定管道的正確走向，采用RD8000管線探測(cè)儀探測(cè)管線的位置，在地面做好相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，以便后續(xù)檢測(cè)工作的高效展開。調(diào)試好瞬變電磁儀，線圈傳感器工作參數(shù)如表1所示。

表1 瞬變電磁儀線圈傳感器工作參數(shù)

4.2 城市熱力管道的瞬變電磁檢測(cè)案例

2017年8月，對(duì)某熱力管道(稱為熱力管道1)進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)采用RD8000管線探測(cè)儀對(duì)管道走向、埋深等進(jìn)行勘探，該路段待檢熱力管道原始壁厚為8 mm，管道埋深為1.5 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件與檢測(cè)長(zhǎng)度設(shè)置測(cè)量點(diǎn)及測(cè)量點(diǎn)間距，設(shè)置起測(cè)點(diǎn)為管線探測(cè)的起始點(diǎn)，檢測(cè)長(zhǎng)度為33.0 m，測(cè)點(diǎn)間距為0.25 m，共計(jì)133個(gè)測(cè)量點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意如圖3所示。

對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接收線圈的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖如圖4所示。

圖3 熱力管道1的瞬變電磁檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示意

圖4 接收線圈的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖(熱力管道1)

通過剩余壁厚反演得到壁厚百分比，該熱力管道的壁厚百分比如圖5所示。

圖5 熱力管道1的壁厚百分比

處理全部數(shù)據(jù)，選取末尾合適時(shí)窗進(jìn)行分析，可以看出在16～36測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)存在異常增大信號(hào)，金屬含量增加到160%，對(duì)應(yīng)檢測(cè)長(zhǎng)度為現(xiàn)場(chǎng)所標(biāo)的58 m；在測(cè)點(diǎn)96116測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)存在異常信號(hào)，金屬增量達(dá)到60%，對(duì)應(yīng)檢測(cè)長(zhǎng)度為現(xiàn)場(chǎng)所標(biāo)的24.529 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境來看，距檢測(cè)探頭0.5 m處存在一輛汽車，長(zhǎng)度約為2 m；距檢測(cè)探頭0.3 m處存在三四輛三輪車；同時(shí)，觀察原始信號(hào)曲線，發(fā)現(xiàn)在7181測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)存在異常增大信號(hào)，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度為1820 m。

針對(duì)整體信號(hào)中的7181測(cè)點(diǎn)處存在的異常信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理，剔除兩個(gè)幅值較大的異常信號(hào)，選擇4096測(cè)點(diǎn)范圍進(jìn)行研究分析。測(cè)點(diǎn)4096的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖如圖6所示，測(cè)點(diǎn)4096的壁厚百分比如圖7所示。

圖6 熱力管道1測(cè)點(diǎn)4096的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖

圖7 熱力管道1測(cè)點(diǎn)4096的壁厚百分比

經(jīng)過分析可知，在7080測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)存在異常信號(hào)，呈增大-減小-增大的趨勢(shì)，故判斷此范圍內(nèi)存在腐蝕。通過壁厚反演計(jì)算，得到原始壁厚為8 mm，此處的檢測(cè)壁厚約為5.8 mm，腐蝕為27%左右?，F(xiàn)場(chǎng)開挖后，用超聲測(cè)厚儀對(duì)缺陷處進(jìn)行判斷驗(yàn)證，得到剩余實(shí)際壁厚為5.54 mm，與檢測(cè)結(jié)果相差0.26 mm。實(shí)際腐蝕為30%，誤差在10%以內(nèi)。

2017年10月，在熱力管道供熱期之前，運(yùn)用瞬變電磁檢測(cè)法對(duì)另一熱力管道(稱為熱力管道2)進(jìn)行在役檢測(cè)。管道原始壁厚為8.0 mm，管道埋深為1.75 m。設(shè)定起測(cè)點(diǎn)為管線探測(cè)的起始點(diǎn)，檢測(cè)長(zhǎng)度為8.0 m，測(cè)點(diǎn)間距為0.25 m，共計(jì)33個(gè)測(cè)點(diǎn)。

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖如圖8所示。通過剩余壁厚反演得到該段的壁厚百分比(見圖9)。

圖8 熱力管道2的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)剖面圖

圖9 熱力管道2的壁厚百分比

結(jié)合圖8，9，測(cè)點(diǎn)10處的歸一化電動(dòng)勢(shì)和壁厚百分比存在輕微的信號(hào)增大，金屬含量增多，增多得較低，判斷存在電纜或者小塊金屬物體；在測(cè)點(diǎn)24～28間，信號(hào)異常增大，在測(cè)點(diǎn)25處存在一個(gè)明顯的波峰，根據(jù)瞬變電磁檢測(cè)原理，在測(cè)點(diǎn)25處，因金屬含量增多引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在一個(gè)峰值，判斷此處存在交叉管線或修補(bǔ)，經(jīng)開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)此處確實(shí)存在交叉管線，因而管道的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和壁厚百分比異常增大。

5 結(jié)語

(1) 瞬變電磁法檢測(cè)技術(shù)對(duì)城市熱力管道有較好的檢測(cè)效果，能夠得到較為準(zhǔn)確的管道剩余壁厚信息，誤差在10%以內(nèi)。

(2) 在實(shí)際檢測(cè)的環(huán)境中，經(jīng)過或停靠的汽車、排水井蓋、交叉管等都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，經(jīng)信號(hào)處理，排除這些干擾信號(hào)，瞬變電磁法檢測(cè)對(duì)特殊工件、管道腐蝕有較高的檢測(cè)率。

(3) 利用瞬變電磁法得到較為準(zhǔn)確的管道剩余壁厚信息，為管道使用單位提供了可靠的參數(shù)，既有利于城市熱力管道的安全評(píng)估，又有利于對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)必要的維護(hù)。