油氣管道周向勵磁漏磁檢測技術(shù)優(yōu)勢與發(fā)展前景*

楊輝 王富祥 玄文博 雷錚強(qiáng) 考青鵬

1中國石油管道科技研究中心

2中石油管道有限責(zé)任公司

管道安全高效運(yùn)行是管道行業(yè)的立足之本，通過各類檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)管道缺陷是提升管道安全運(yùn)行水平的主要手段。根據(jù)國內(nèi)外管道事故統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，管道事故的主要原因?yàn)椋何撮_展檢測或未能檢測、識別出缺陷；缺陷類型判定錯誤或尺寸量化不準(zhǔn)導(dǎo)致高估了管道承載能力[1]。通過內(nèi)檢測技術(shù)識別判定各類缺陷是目前國內(nèi)外廣泛推行的做法，GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中明確宜優(yōu)先選擇基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的適用性評價方法進(jìn)行完整性評價。管道內(nèi)檢測技術(shù)主要有漏磁內(nèi)檢測、變形內(nèi)檢測、超聲內(nèi)檢測（包括電磁超聲）、電磁渦流內(nèi)檢測等。其中漏磁內(nèi)檢測技術(shù)因其在運(yùn)行環(huán)境要求、適用范圍、技術(shù)成熟度及經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯優(yōu)勢，因此得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。

根據(jù)勵磁方向的不同，管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)主要分為軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)和周向勵磁漏磁檢測技術(shù)。傳統(tǒng)的軸向勵磁漏磁場檢測器對于管道周向缺陷更敏感，對于與磁力線平行的軸向缺陷尤其是狹長的軸向缺陷很不敏感，甚至無法檢出[4]，而周向勵磁漏磁檢測技術(shù)由于磁力線沿周向分布，具備軸向缺陷檢出的潛力，已逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[5-8]。本文概述了周向勵磁漏磁檢測技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀，對比分析了周向勵磁與傳統(tǒng)軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)，以期對深入開展周向勵磁漏磁檢測技術(shù)研究有所裨益。

1 周向勵磁漏磁檢測原理及特征

與傳統(tǒng)的軸向勵磁漏磁檢測不同，周向勵磁漏磁檢測技術(shù)采用周向激勵方式產(chǎn)生沿管道周向分布的磁場從而實(shí)現(xiàn)檢測。如圖1 所示，通過鋼刷將檢測器自身攜帶的永磁鐵產(chǎn)生的磁力線耦合進(jìn)入管壁，從而在磁極、管壁與軛鐵中形成一個沿周向分布的磁場回路，并使磁極間的管壁達(dá)到局部磁飽和狀態(tài)，若管壁上存在缺陷，管壁橫截面減小，則缺陷處磁通路變窄；另外，由于缺陷的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁性材料本身的小，則缺陷處的磁阻增大，導(dǎo)致磁力線發(fā)生變形，部分磁力線漏出管壁產(chǎn)生漏磁場，被位于兩磁極間緊貼管壁的磁敏探頭捕獲，根據(jù)對漏磁信號的位置、形狀、幅值等特征的分析與回歸來識別判定和量化缺陷。研究表明，漏磁場強(qiáng)度會隨著缺陷延伸方向與磁力線夾角減小而不斷變?nèi)?，尤其?dāng)夾角小于30°時，缺陷將很難被準(zhǔn)確檢出。由于軸向缺陷的延伸方向與周向勵磁產(chǎn)生的磁力線方向垂直，因此容易被檢測到[5]。

圖1 周向勵磁漏磁檢測原理Fig.1 Principle of circumferential MFL inspection

周向勵磁會產(chǎn)生環(huán)繞管道（周向）分布的非均勻磁場，磁場強(qiáng)度與磁極的距離成反比，即臨近磁極的磁場強(qiáng)度大，遠(yuǎn)離磁極的磁場強(qiáng)度小。這就導(dǎo)致管壁沿環(huán)向的磁化程度不同步，磁場強(qiáng)度大的管壁最先達(dá)到磁飽和，而磁場強(qiáng)度小的管壁尚處于欠飽和狀態(tài)；反之當(dāng)磁場強(qiáng)度小的管壁達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，磁場強(qiáng)度大的管壁已呈過飽和狀態(tài)。磁化強(qiáng)度的強(qiáng)弱均會影響缺陷的檢出率，若磁化強(qiáng)度太弱，會導(dǎo)致無漏磁場產(chǎn)生；反之若磁化強(qiáng)度太強(qiáng)，背景磁場過大，可能掩蓋缺陷處產(chǎn)生的漏磁場。綜上所述，缺陷漏磁通與缺陷距磁極的距離相關(guān)，兩磁極間僅存在一段有效檢測區(qū)域，這就要求傳感器探頭必須具有很小的間距和較高的測量精度；另外，周向勵磁產(chǎn)生的磁力線垂直于管道軸線，信號采集對檢測裝置的運(yùn)行速度提出了更高的要求。上述因素使得周向勵磁漏磁檢測的實(shí)施和分析變得更加困難[3-4]。

2 周向勵磁與軸向勵磁漏磁檢測對比

軸向勵磁漏磁檢測與周向勵磁漏磁檢測為兩種主要的漏磁內(nèi)檢測方法，以下分別從四個方面進(jìn)行對比。

（1）勵磁方式。兩種漏磁檢測技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于勵磁方式的不同。軸向勵磁漏磁檢測采用軸向磁化方式，產(chǎn)生縱向磁回路場，如圖2 所示；而周向勵磁漏磁檢測采用周向磁化方式，產(chǎn)生周向磁回路場，如圖1 所示。

圖2 軸向勵磁漏磁檢測原理Fig.2 Principle of axial MFL inspection

（2）磁場分布狀態(tài)。若管壁無缺陷，軸向勵磁產(chǎn)生的磁力線在管壁內(nèi)均勻分布，而周向勵磁在管壁中產(chǎn)生非均勻磁場，磁場強(qiáng)度隨著與磁極距離增大而減弱，在兩磁極的中間位置磁場強(qiáng)度達(dá)到極小值。

（3）檢測適用性。缺陷幾何形狀對管壁內(nèi)磁場變化及漏磁通的形成存在較大影響。如圖3 所示，對于軸向勵磁漏磁檢測，周向?qū)蛉毕輰Υ艌雒舾校盘枏?qiáng)，軸向?qū)蛉毕菪盘柸?，而對于周向勵磁漏磁檢測則反之。軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)主要適用于管道內(nèi)外腐蝕等金屬損失缺陷，同時還可以探測環(huán)焊縫、螺旋焊縫附近的金屬損失缺陷等，但對于狹長的軸向缺陷不敏感；周向勵磁漏磁檢測則對軸向排列的金屬損失缺陷更加敏感，可以用于檢測狹長的軸向腐蝕與溝槽、直焊縫焊接缺陷等軸向?qū)蛉毕荨?/p>

圖3 缺陷幾何形狀對磁場變化的影響Fig.3 Influence of defect geometry on magnetic field variation

（4）技術(shù)成熟度。軸向勵磁漏磁檢測是當(dāng)前較為成熟且工業(yè)應(yīng)用最廣泛的管道內(nèi)檢測技術(shù)，國內(nèi)外均研發(fā)出了高精度管道在線漏磁檢測裝置并投入使用。最具代表性的是BHGE PII 的四代超高清三軸漏磁檢測器（MagneScan SHR）和ROSEN 的超高清漏磁檢測器（ROCORR MFL-A ULTRA），其中ROCORR MFL-A ULTRA 檢測器更是達(dá)到了周向1.6 mm 和軸向1 mm 采樣一次的采樣頻率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中石油漏磁內(nèi)檢測總里程已達(dá)6.5×104km。周向勵磁漏磁檢測技術(shù)在國外起步較早，已成功用于軸向狹長腐蝕和嚴(yán)重的直焊縫裂紋缺陷的檢測，而國內(nèi)起步較晚，目前還未全面推廣應(yīng)用。

3 周向勵磁檢測技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

國際上，美國Tuboscope 公司早于上世紀(jì)70 年代便開始研究周向勵磁漏磁檢測裝置，但由于采用的是線圈傳感器，僅存在理論上的可行性，最終被迫放棄。1994 年，國際管道研究協(xié)會（PRCI）開始了周向勵磁漏磁檢測技術(shù)在裂紋檢測中的應(yīng)用研究。1999 年，美國BHGE PII 公司研制出了用于商業(yè)用途的周向勵磁漏磁檢測器，當(dāng)前最新一代為TranScan TFI 檢測器，如圖4a 所示。2000 年，Battelle 研究所采用周向勵磁檢測技術(shù)對機(jī)械損傷進(jìn)行檢測與尺寸量化研究[9-11]。2003 年，德國ROSEN 公司也成功研制出商用的周向勵磁漏磁檢測器（ROCORR MFL-C），如圖4b 所示，該檢測器在行業(yè)內(nèi)同類檢測器中最為緊湊[3]。另外，上世紀(jì)90 年代末于中東成立的LIN SCAN 公司也迅速進(jìn)入管道內(nèi)檢測市場，自主開發(fā)了TFI 周向勵磁內(nèi)檢測器，并對外提供內(nèi)檢測服務(wù)，如圖4c 所示。周向勵磁內(nèi)檢測技術(shù)在國外已推廣應(yīng)用多年，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002—2016 年間BHGE PII 在世界范圍內(nèi)共累計(jì)完成了近5×104km 管道的軸向狹長腐蝕和嚴(yán)重的直焊縫裂紋缺陷的檢測。

圖4 周向勵磁漏磁內(nèi)檢測器Fig.4 Circumferential MFL internal inspection tool

國內(nèi)關(guān)于周向勵磁漏磁檢測技術(shù)的理論研究和應(yīng)用均滯后于國外檢測公司。本世紀(jì)初期，沈陽工業(yè)大學(xué)楊理踐教授開始致力于相關(guān)理論研究。2013年，中石油西部管道公司立項(xiàng)開展了周向勵磁漏磁檢測技術(shù)的研究，通過與沈陽工業(yè)大學(xué)合作歷時5 年研發(fā)出了雙向勵磁復(fù)合內(nèi)檢測器，設(shè)備集成了軸向漏磁系統(tǒng)和周向漏磁系統(tǒng)。2017 年10 月，該檢測器投入現(xiàn)場應(yīng)用，依托西氣東輸二線和三線工程實(shí)施檢測2 169 km。中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司于2014 年立項(xiàng)開展周向勵磁漏磁檢測技術(shù)研究，開發(fā)了28 in 和48 in 周向勵磁檢測器，并于2017 年6 月完成了28 in 檢測器的首次牽拉試驗(yàn)，目前還未有現(xiàn)場應(yīng)用的報(bào)道。

4 結(jié)論

周向勵磁漏磁檢測技術(shù)作為一種新的漏磁檢測方法，對于檢測和定量評定軸向?qū)蛉毕菥哂袧撛诘膬?yōu)勢。與傳統(tǒng)軸向漏磁勵磁檢測技術(shù)相比，除磁化方式不同外，周向勵磁在管壁產(chǎn)生的磁場是非均勻磁場，臨近磁極的磁場強(qiáng)度大，遠(yuǎn)離磁極的磁場強(qiáng)度小，導(dǎo)致缺陷漏磁通與缺陷距磁極的距離相關(guān)，從而要求傳感器探頭的精度更高；另外，周向勵磁產(chǎn)生的磁力線垂直于管道軸線，信號采集速率成為制約檢測速度的關(guān)鍵因素。作為軸向勵磁漏磁檢測技術(shù)的補(bǔ)充，該技術(shù)的運(yùn)用可有效提高缺陷檢出率，目前國內(nèi)多家檢測公司已研發(fā)出組合檢測器，但相較于國外，國內(nèi)關(guān)于周向勵磁漏磁檢測技術(shù)的研究起步較晚，檢測器全面推廣應(yīng)用于管道內(nèi)檢測還有相當(dāng)?shù)木嚯x。