長輸油氣管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)研究

劉煜韜

(山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，山西 太原 030032)

引 言

隨著石油液氣能源的需求不斷增長，液氣能源輸送的長輸管線建設(shè)也在不斷發(fā)展。作為油氣輸送的長輸管線，在安裝過程中以及長期運行中，因為管道在制造過程中產(chǎn)生的缺陷、管道在地下由于地殼發(fā)生變化造成管線產(chǎn)生變形、管線長時間在地下造成腐蝕等原因，致使管線出現(xiàn)嚴重變形損壞。為了防止管線在運營過程中出現(xiàn)安全問題以及排除安全隱患，相關(guān)單位會定期對長輸管線進行檢測。在眾多管線檢測技術(shù)中，漏磁檢測因其具有可靠性高、使用方便等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到管線損傷、缺陷檢測工作中。

1 長輸管線漏磁技術(shù)檢測的原理

長輸管線漏磁檢測技術(shù)最具代表的檢測裝備是Tuboscope公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在長輸管線的檢測工作中。漏磁檢測裝置是根據(jù)漏磁的物理特性進行檢測的，檢測裝置在管線里，在前后存在壓差的作用下運動，永磁裝置放置于管道壁內(nèi)側(cè)，這時的磁力線會經(jīng)過管壁構(gòu)成閉合的回路，如果檢測管道內(nèi)側(cè)壁區(qū)域沒有金屬缺陷情況發(fā)生，磁力線會集中于管壁，通過環(huán)形管壁構(gòu)成閉合回路。只有少量磁力線會外泄于管壁外[1]。管線內(nèi)部不存在缺陷的漏磁原理圖，如圖1所示。

圖1 管線內(nèi)部不存在缺陷的漏磁原理圖

當所檢測的管線存在缺陷性金屬流失的時，管道的內(nèi)壁磁力線，將會發(fā)生分布與走向上的改變，將會出現(xiàn)許多磁力線在管壁泄露，放置于管壁檢測漏磁的傳感器，將會檢測到漏磁造成的磁場變化，并實時記錄、存儲磁場變化信息，隨后再對這些數(shù)據(jù)進行處理、計算，推算出管線缺陷大小尺寸，最終達到確定管道缺陷檢測評估缺陷程度的目的。

2 管線漏磁檢測裝備基本的結(jié)構(gòu)

管線漏磁智能PIG檢測裝置是利用漏磁原理進行檢測，它是利用管內(nèi)壁作為磁力線傳導介質(zhì)，實現(xiàn)管線無損的檢測與評價[2]。漏磁管道檢測設(shè)備包含漏磁檢測單元、位置標定單元、數(shù)據(jù)處理分析單元等，漏磁管線檢測單元結(jié)構(gòu)。

漏磁管線檢測單元的主要作用是檢測管線是否存在缺陷，并且兼顧檢測器能夠在管線內(nèi)平穩(wěn)移動，它主要有驅(qū)動裝置、測量裝置、計算機、供電裝置等。

位置標定單元主要是能夠?qū)芫€內(nèi)缺陷位置、腐蝕位置以及特殊位置進行精確的定位，它主要有管線外部定位標記、管線內(nèi)部外部同步時間標定、里程記錄等組成，上述各個部分需要同步工作來完成位置標定工作[3]。

數(shù)據(jù)處理分析單元主要的作用是將傳感器所檢測的磁場數(shù)據(jù)加以計算處理，最終得出管線缺陷的結(jié)果數(shù)據(jù)，它主要由包括處理數(shù)據(jù)軟件、分析數(shù)據(jù)軟件、結(jié)果判斷軟件、管理數(shù)據(jù)軟件等組成。數(shù)據(jù)處理分析單元將檢測的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理后，以彩色圖形的方式顯示在計算機屏幕上，工作人員可根據(jù)圖形變化判斷管線缺陷、腐蝕、損壞程度，并且可根據(jù)計算機顯示的數(shù)據(jù)信息，判斷出缺陷、腐蝕、損壞具體位置，同時進行相應(yīng)位置的標記，從而為確定管線壽命提供科學的依據(jù)。

3 漏磁管線檢測的參數(shù)分析

使用仿真電磁Maxwe11軟件對管線進行漏磁模擬，進而研究管線缺陷在徑向的深度與軸向的長度變化對磁場影響情況，為了方便、簡化分析過程，使用二維仿真漏磁模型靜態(tài)求解[4]。這其中包括建立鋼刷、磁鐵、軛鐵、管壁等有限元二維仿真的模型，模型所用材料，如表1所示。

表1 仿真漏磁模型所用材料

3.1 缺陷在徑向的深度對磁場所產(chǎn)生的影響

為了能夠研究缺陷在徑向的深度對磁場所產(chǎn)生的影響情況，準備管線內(nèi)表面徑向缺陷固定長度L為5 mm材料，分別對管線內(nèi)表面缺陷徑向深度h，1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm提取磁場分布量。根據(jù)磁場分布參數(shù)繪制磁場曲線圖，如圖2所示。當管線內(nèi)表面缺陷軸向尺寸相同，但徑向的深度不同時，L1在X、Y軸方向磁通量圖形相同。

圖2 路徑L1各點磁通量曲線1

通過圖2可知，在路徑L1上，當管線內(nèi)表面的缺陷深度一樣時，在缺陷邊的內(nèi)側(cè)X方向，漏磁的磁場將出現(xiàn)極速增強現(xiàn)象，L1路徑缺陷的中心漏磁強度要小于兩邊缺陷漏磁強度，顯現(xiàn)出兩邊高中間低的形狀[5]。

在L1路徑上，缺陷位置中心處Y方向的磁通較小，磁通量近乎于零。缺陷的邊緣處，在L1路徑Y(jié)方向的磁通量最大，而且，會隨著徑向缺陷深度不斷加大，L1路徑Y(jié)方向漏磁量將會不斷增大。

通過上述的分析得知，如果管線的缺陷在徑向的寬度、長度不變，只是在徑向管道深度發(fā)生變化時，漏磁的磁場在軸向和徑向的分量都會增加，而且曲線圖顯現(xiàn)為線性的關(guān)系。在實際漏磁檢測確定管線缺陷過程中，可利用設(shè)定漏磁信號峰值和缺陷徑向深度關(guān)系，對管線缺陷程度量化。

3.2 軸向缺陷的長度對磁場影響

為了能夠研究軸向缺陷的長度對磁場影響情況，準備管線內(nèi)表面軸向缺陷固定徑向的深度h為3 mm材料，分別提取管線內(nèi)表面長度缺陷L為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm處，L1路徑各點X、Y軸方向漏磁量參數(shù)。根據(jù)磁場分布參數(shù)繪制磁場曲線圖，如圖3所示。

圖3 路徑L1各點磁通量曲線2

當管線內(nèi)表面缺陷在長度變化，徑向不發(fā)生變化時，L1路徑在X、Y軸方向磁通量曲線形狀相同。L1路徑在X軸方向各點磁通量會隨缺陷的長度不斷增加，磁通量的數(shù)值會隨之減小。隨著缺陷的長度增大，漏磁的強度在X軸方向，兩峰值的間距顯現(xiàn)成不斷加大趨勢，其變化和缺陷的長度成正比關(guān)系[6]。

對漏磁強度在Y方向曲線的分析，其漏磁強度會隨著管線內(nèi)表面的缺陷不斷增大而加大，漏磁的強度在Y軸方向，兩峰值的間距顯現(xiàn)成不斷加大趨勢，其變化和缺陷的長度成正比關(guān)系，在缺陷的中心位置，漏磁量較小接近零[7]。

通過上述的分析得知，如果管線缺陷在徑向的寬度、深度不發(fā)生改變，僅在軸向的長度上發(fā)生改變時，其漏磁強度在徑向、軸向的峰值以及峰值的間距都顯現(xiàn)線性規(guī)律變化。在實際漏磁檢測確定管線缺陷中，可檢測漏磁峰值、峰值的間距參數(shù)關(guān)系，對管線缺陷程度量化。

4 結(jié)論

因為管線漏磁檢測的技術(shù)具有無需耦合劑、對測量環(huán)境的要求較低、檢測的結(jié)果較高、檢測的原理相對簡單等優(yōu)點，目前已被廣泛的應(yīng)用在天然氣、石油能源運輸管線檢測缺陷工作中。

本文使用有限元Maxwe11軟件對管線缺陷進行模型參數(shù)變化分析。通過分析結(jié)果證明，管線漏磁信號和管線缺陷深度為線性的關(guān)系，管線漏磁信號和管線缺陷在軸向的長度為正比關(guān)系。所以，在管線缺陷的檢測過程中，管線漏磁量峰值與兩峰值的間距，能夠作為確定管線缺陷的量化參數(shù)。

當前，管線內(nèi)表面漏磁檢測缺陷技術(shù)雖然被廣泛使用到管線工程檢測領(lǐng)域，但是它仍然存在需要解決的問題，如：管線缺陷內(nèi)壁與外壁的判別、檢測管線存在的盲區(qū)、管線裂紋的檢測、檢測過程中存在磁滯的時間以及檢測器工作過程中存在的渦流影響等，因此，今后在漏磁管線檢測應(yīng)用技術(shù)上，還需要不斷研究與完善，使其更好為能源運輸作出貢獻。