王富祥,馮慶善,張海亮,宋漢成,陳 健

(中國(guó)石油管道研究中心,廊坊 065000)

管道內(nèi)檢測(cè)作為完整性管理的核心技術(shù)之一,可以在管道正常運(yùn)行狀態(tài)下,檢測(cè)出管道存在的缺陷,為管道事故的預(yù)防以及管道的合理維護(hù)提供科學(xué)依據(jù),對(duì)保證管道,尤其是長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行具有重要作用。一直以來(lái),由腐蝕導(dǎo)致的金屬損失是管道事故的主要風(fēng)險(xiǎn)源,而漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)因其對(duì)管道內(nèi)環(huán)境要求不高、不需要耦合、適用范圍廣(可用于油、氣管道)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用最廣泛也是最成熟的技術(shù)。

在漏磁技術(shù)用于管道內(nèi)檢測(cè)的早期,漏磁檢測(cè)器只能探測(cè)到大面積的腐蝕或腐蝕群。隨著內(nèi)檢測(cè)器設(shè)計(jì)、電子器件、傳感器以及磁化技術(shù)的進(jìn)步,檢測(cè)器的性能顯著提高,能夠探測(cè)、識(shí)別出更小的缺陷,精確計(jì)算出缺陷的尺寸。隨著漏磁內(nèi)檢測(cè)器精度的不斷提高以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷進(jìn)步,結(jié)合多年來(lái)在各種管道檢測(cè)中的使用經(jīng)驗(yàn),漏磁內(nèi)檢測(cè)器除了用于檢測(cè)金屬損失外,還能探測(cè)、識(shí)別甚至確定多種管道缺陷和管道結(jié)構(gòu)特征的尺寸。筆者首先簡(jiǎn)要介紹了漏磁內(nèi)檢測(cè)的原理,然后論述了目前工業(yè)上使用的最先進(jìn)的高分辨率軸向磁化三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器的特征,最后重點(diǎn)探討了如何使用三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別管道缺陷特征及管道結(jié)構(gòu)特征。

1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理

漏磁內(nèi)檢測(cè)器的工作原理[1]是利用自身攜帶的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁力線通過(guò)鋼刷耦合進(jìn)入管壁,在管壁全圓周上產(chǎn)生一個(gè)縱向磁回路場(chǎng),使磁鐵間的管壁達(dá)到磁飽和狀態(tài)。如果管壁沒(méi)有缺陷,則磁力線在管壁內(nèi)均勻分布。如果管道存在缺陷,管壁橫截面減小,由于管壁中缺陷處的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁性材料本身小,則缺陷處磁阻增大,磁通路變窄,磁力線發(fā)生變形,部分磁力線穿出管壁兩側(cè)產(chǎn)生漏磁場(chǎng),漏磁場(chǎng)形狀取決于缺陷的幾何形狀。漏磁信號(hào)被位于兩磁極之間緊貼管壁的探頭(傳感器)檢測(cè)到,并產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào),這些信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被記錄到檢測(cè)器的存儲(chǔ)器中。檢測(cè)完成后,通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、識(shí)別和判斷,就可以獲得缺陷的位置、類(lèi)型、形狀和尺寸等信息。圖1顯示的是漏磁內(nèi)檢測(cè)原理圖。

圖1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理示意圖

2 三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器系統(tǒng)構(gòu)成

如圖2所示的是某直徑為φ711mm的軸向磁化三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)圖。該三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器由測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元、記錄單元和電池單元等組成。檢測(cè)器分前后兩節(jié),中間由萬(wàn)向節(jié)連接。檢測(cè)器靠皮碗前后的壓差推動(dòng),在管道內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向輪能夠保證檢測(cè)器順利通過(guò)管道轉(zhuǎn)彎處并免受撞擊,如圖2中A部分所示。

圖2 三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量單元包括稀土永磁體軸向磁化裝置、三軸正交霍爾傳感器、前置放大和濾波電路等,見(jiàn)圖2中B部分。為保證缺陷的識(shí)別和判定精度,該檢測(cè)器共有280路三軸正交霍爾傳感器沿周向均勻分布在管道內(nèi)壁。此外,還有溫度、壓力和速度等輔助傳感器來(lái)記錄相關(guān)的參數(shù)。

輔助測(cè)量單元的次級(jí)傳感器為單向霍爾傳感器,次級(jí)傳感器上自帶的永久磁鐵僅使管道內(nèi)部缺陷磁化,通過(guò)與測(cè)量單元的三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,用來(lái)區(qū)分管道內(nèi)外缺陷。記錄單元負(fù)責(zé)完成對(duì)所有部件的控制和數(shù)據(jù)保存,記錄單元里的里程輪每行走一定距離,硬件電路采樣所有傳感器信號(hào),并記錄保存在硬盤(pán)存儲(chǔ)器上。通常內(nèi)檢測(cè)器隨管道內(nèi)輸送介質(zhì)移動(dòng)行程達(dá)上百公里,硬件檢測(cè)和傳感器部分依賴(lài)電池艙里配備的電池對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)供電。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2中C部分所示。

3 三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器的特點(diǎn)

金屬損失產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)是空間三維矢量場(chǎng)。由于傳感技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理能力和存儲(chǔ)介質(zhì)容量的限制,以前的大部分檢測(cè)器只記錄三維漏磁場(chǎng)的一個(gè)或兩個(gè)分量。隨著對(duì)檢測(cè)缺陷類(lèi)型和檢測(cè)尺寸精度要求的不斷提高,一個(gè)選擇是提高傳感器的分辨率,然而分辨率越高并不總是精度也越高。另一個(gè)選擇是增加記錄漏磁場(chǎng)的分量,根據(jù)不同方向的分量來(lái)識(shí)別不同類(lèi)型的缺陷并精確回歸缺陷的尺寸。

三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器工作原理[2]與傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測(cè)器基本相同,主要區(qū)別是三軸漏磁檢測(cè)器在一個(gè)探頭中安裝了三個(gè)軸向正交霍爾傳感器,分別測(cè)量軸向、徑向和周向的磁通量數(shù)據(jù),用來(lái)確定絕對(duì)的漏磁場(chǎng)矢量,增強(qiáng)了對(duì)不同類(lèi)型缺陷的探測(cè)能力,提高了缺陷尺寸的測(cè)量精度。使用與管道中心線重合的簡(jiǎn)單圓柱參照系,三軸漏磁傳感器的軸向分量、徑向分量和周向分量如圖3所示[3]。第四個(gè)傳感器稱(chēng)為次級(jí)傳感器,用于區(qū)分是內(nèi)部還是外部缺陷,也有助于特征的識(shí)別與分級(jí)。與傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測(cè)器相比,三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器不僅能精確識(shí)別、判定出腐蝕等常規(guī)缺陷的尺寸,還能識(shí)別出螺旋焊縫缺陷、環(huán)焊縫缺陷和凹陷等傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)器難以識(shí)別的缺陷以及管道壁厚變化、法蘭、閥門(mén)等管道結(jié)構(gòu)特征。下文的許多特征識(shí)別來(lái)自于三軸漏磁傳感器或所有四個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

圖3 三軸漏磁傳感器坐標(biāo)示意圖

4 管道特征識(shí)別

4.1 金屬損失和金屬增加

漏磁內(nèi)檢測(cè)器主要用來(lái)識(shí)別金屬損失。在進(jìn)行特征識(shí)別前,首先要明確金屬損失與金屬增加的三軸漏磁信號(hào)特征,這是其它特征識(shí)別的基礎(chǔ)。最常見(jiàn)的金屬損失是腐蝕缺陷,圖4為傳感器通過(guò)一個(gè)典型腐蝕缺陷的三軸信號(hào)特征。信號(hào)的形狀和尺寸變化依賴(lài)于檢測(cè)到的腐蝕缺陷的形狀與尺寸,但對(duì)于任何單個(gè)腐蝕缺陷,峰的數(shù)量和極性是相同的：軸向信號(hào)有一個(gè)帶有兩個(gè)較小負(fù)峰的正峰(正/負(fù)峰以色彩區(qū)分);徑向信號(hào)有一負(fù)一正兩個(gè)峰;周向信號(hào)在一個(gè)類(lèi)似矩形的范圍內(nèi)有兩正兩負(fù)四個(gè)峰。

最常見(jiàn)的金屬增加信號(hào)是位于管壁外表面的金屬物,或者是管道附近的金屬物,圖5顯示的是傳感器通過(guò)一個(gè)典型金屬物的三軸信號(hào)特征。與金屬損失類(lèi)似,金屬增加信號(hào)的形狀和尺寸變化依賴(lài)于檢測(cè)到的金屬物形狀與尺寸,對(duì)于任何單個(gè)金屬物,峰的數(shù)量和極性也是相同的。與金屬損失相比,金屬增加峰的數(shù)量與分布相同,而極性則剛好相反：軸向信號(hào)有一個(gè)帶有兩個(gè)較小正峰的負(fù)峰;徑向信號(hào)有一正一負(fù)兩個(gè)峰;周向信號(hào)在一個(gè)類(lèi)似矩形的范圍內(nèi)有兩負(fù)兩正四個(gè)峰。雖然正負(fù)的指示是人為設(shè)定的,但金屬增加與金屬損失的極性卻總是相反,這也是識(shí)別其它類(lèi)型的缺陷及特征的基礎(chǔ)。

4.2 復(fù)雜的腐蝕缺陷

從簡(jiǎn)單點(diǎn)蝕的漏磁信號(hào)特征很容易回歸缺陷的幾何特征,但大片復(fù)雜的腐蝕的幾何特征僅從軸向信號(hào)上卻很難具體化。圖6中顯示的是大片嚴(yán)重腐蝕區(qū)域及其三軸漏磁信號(hào)特征,相應(yīng)腐蝕區(qū)域的照片顯示沿管道存在不同程度的金屬損失。漏磁信號(hào)表明存在大量腐蝕,但由于不同腐蝕點(diǎn)之間的信號(hào)相互影響,僅從軸向漏磁信號(hào)很難精確回歸出腐蝕缺陷實(shí)際的幾何形狀,但結(jié)合徑向信號(hào)與周向信號(hào),腐蝕缺陷的嚴(yán)重位置很容易確定,缺陷的長(zhǎng)度、深度也很容易歸一化處理。

4.3 復(fù)雜的金屬增加

圖7顯示的幾何形狀比較復(fù)雜的補(bǔ)板及其三軸漏磁信號(hào)特征。該處補(bǔ)板比較規(guī)則,共有十條加強(qiáng)筋,基本上呈軸對(duì)稱(chēng)分布,從軸向和徑向信號(hào)上很容易確定中間呈金屬增加特征的三對(duì)周向加強(qiáng)筋幾何特征,但兩側(cè)沿軸向分布的四條加強(qiáng)筋只顯示存在金屬增加,幾何特征不明顯。主要原因是軸向磁化漏磁檢測(cè)器的軸向和徑向信號(hào)對(duì)狹長(zhǎng)軸向特征不敏感,但結(jié)合周向信號(hào)的特征,很容易回歸出這兩對(duì)沿軸向分布的加強(qiáng)筋的幾何特征。這也正是使用周向漏磁傳感器的優(yōu)勢(shì)所在,有助于準(zhǔn)確判斷狹長(zhǎng)的軸向信號(hào)特征,精確回歸特征的幾何形狀。

圖7 復(fù)雜補(bǔ)板及其三軸漏磁信號(hào)

4.4 環(huán)焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷

在討論環(huán)焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷前,首先要明確環(huán)焊縫與螺旋焊縫的漏磁信號(hào)特征。焊縫的本質(zhì)是焊接連接導(dǎo)致的管體表面金屬增加。圖8顯示的是某環(huán)焊縫與螺旋焊縫的漏磁信號(hào)特征,從圖上可以看出：環(huán)焊縫的軸向與徑向信號(hào)特征與圖5中的金屬增加信號(hào)特征完全一致,而周向信號(hào)的特征不明顯,這是由于環(huán)焊縫沿整個(gè)圓周對(duì)稱(chēng)分布,周向漏磁場(chǎng)變化不明顯。與環(huán)焊縫一樣,正常螺旋焊縫的軸向與徑向信號(hào)特征與金屬增加信號(hào)特征完全一致;與環(huán)焊縫不同的是,螺旋焊縫的周向信號(hào)特征非常明顯,但與簡(jiǎn)單金屬增加信號(hào)不同的是,螺旋焊縫周向只顯示單一極性,這是由于金屬增加沿整個(gè)螺旋線連續(xù)分布的結(jié)果,并且正反螺旋焊縫的周向信號(hào)極性相反,這是矢量的方向性決定的,也正是軸對(duì)稱(chēng)規(guī)則缺陷(圖4和5)的周向信號(hào)也呈軸對(duì)稱(chēng)分布而極性相反的原因。

三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器能夠探測(cè)、識(shí)別出具有一定開(kāi)口寬度的未熔合、未焊透等環(huán)焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷,焊縫缺陷的本質(zhì)是焊接不良導(dǎo)致的焊縫金屬填充不足。圖9方框中顯示的是環(huán)焊縫缺陷的漏磁信號(hào)特征。該環(huán)焊縫缺陷位于環(huán)焊縫與下游螺旋焊縫交界處,該缺陷的軸向漏磁信號(hào)與徑向信號(hào)與圖4中的金屬損失極性指示一致,周向信號(hào)在缺陷的兩端有極性相反的指示。圖10方框中顯示的螺旋焊縫缺陷的漏磁信號(hào)特征,缺陷處的軸向與徑向漏磁信號(hào)與圖4中的金屬損失極性指示一致,缺陷處的周向漏磁信號(hào)的特征指示非常明顯,也顯示單一極性,但與正常螺旋焊縫指示的極性相反。

4.5 凹陷

凹陷指的是引起管壁橫截面曲率產(chǎn)生顯著變化的凹坑,通常是管道在施工或服役過(guò)程中受到外力的碰撞或沖擊導(dǎo)致管壁發(fā)生永久塑性變形產(chǎn)生的。通常認(rèn)為漏磁數(shù)據(jù)不能可靠地識(shí)別凹陷,主要是因?yàn)檩S向漏磁傳感器對(duì)凹陷不敏感。圖11方框中顯示的是凹陷的三軸漏磁信號(hào)特征。實(shí)際上,僅依賴(lài)軸向數(shù)據(jù)很難發(fā)現(xiàn)凹陷。徑向漏磁信號(hào)與周向漏磁信號(hào)清楚地顯示了該凹陷的存在,凹陷最明顯的特征是徑向信號(hào)呈馬蹄鐵狀。凹陷特征的識(shí)別驗(yàn)證是三軸漏磁傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

4.6 壁厚變化

壁厚變化的軸向和徑向信號(hào)特征最明顯,由于環(huán)焊縫在周向上的對(duì)稱(chēng)性,在周向信號(hào)上幾乎沒(méi)有顯示。圖12顯示的是壁厚變化的三軸漏磁信號(hào)特征示意圖,圖中的中垂線是環(huán)焊縫,將兩個(gè)壁厚不同的管子聯(lián)接在一起。圖12(a)顯示的是壁厚增加的信號(hào)特征,圖12(b)顯示的是壁厚減小的信號(hào)特征。壁厚增加與壁厚減小的軸向與徑向漏磁信號(hào)極性相反,這與前面金屬增加與金屬損失的極性相反一致。

4.7 錨和支撐

圖13錨和圖14支撐的軸向和徑向漏磁數(shù)據(jù)都很明顯,徑向信號(hào)因形狀與距離不同顯示略有差異。錨通?？捎晒艿勒戏降慕饘僭黾犹卣鱽?lái)識(shí)別。支撐也顯示為金屬增加,但位于管道的正下方,一般沿管道長(zhǎng)度上等間距設(shè)置。

4.8 閥門(mén)

圖15和16方框中顯示的分別是管道閘閥和球閥的漏磁數(shù)據(jù)。閥門(mén)在所有四個(gè)傳感器上的信號(hào)都非常明顯,與正常管道的結(jié)構(gòu)差異較大,且在閥門(mén)的上下游通常有其它的結(jié)構(gòu)件。

4.9 法蘭

法蘭在所有的傳感器上信號(hào)都非常明顯,通過(guò)次級(jí)傳感器上三條一組的垂線也最容易識(shí)別,見(jiàn)圖17。中間線是法蘭的實(shí)際密封,由其將兩根管連接在一起。

4.10 套筒與套管

圖18 套筒的漏磁信號(hào)

套筒(圖18)和套管(圖19)在軸向和徑向傳感器上的數(shù)據(jù)都很明顯,看起來(lái)像壁厚改變,但它們總是開(kāi)始和結(jié)束于管道的中間。套筒兩端通常與管壁焊接起來(lái),因此周向和次級(jí)傳感器信號(hào)非常明顯;而套管的周向和次級(jí)信號(hào)都不明顯。另一個(gè)重要區(qū)別是它們的長(zhǎng)度,套筒要短得多,通常限制在約2 m之內(nèi)。套筒用于修復(fù)缺陷,以減輕現(xiàn)有管道缺陷的風(fēng)險(xiǎn),通常可以看到套筒下面存在的腐蝕等缺陷。

圖19 套管的漏磁信號(hào)

5 結(jié)論

管道運(yùn)營(yíng)公司的主要目標(biāo)是保證油氣介質(zhì)的安全、持續(xù)、穩(wěn)定的輸送。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源需求的持續(xù)增加,管道運(yùn)營(yíng)公司面臨不斷拓展管道網(wǎng)絡(luò),使用超過(guò)設(shè)計(jì)壽命的老管道滿(mǎn)足油氣資源的可靠供應(yīng)。加上政府日益嚴(yán)格的監(jiān)管,這迫使管道運(yùn)營(yíng)公司制定全面的管道完整性計(jì)劃,對(duì)管道實(shí)施有效的完整性管理。管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù),特別是先進(jìn)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的使用,提供了獲得最新管道所需信息的有效手段。隨著高分辨率三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器的應(yīng)用,管道異常特征和管道結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別更加可靠、精確,減少了開(kāi)挖驗(yàn)證確認(rèn)的費(fèi)用,降低了管道的風(fēng)險(xiǎn)。高精度的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為后續(xù)的評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),管道異常的精確評(píng)價(jià)提高了完整性管理計(jì)劃的決策過(guò)程的效率,減少了檢測(cè)器的校驗(yàn)及驗(yàn)證開(kāi)挖,從而使管道開(kāi)挖能夠集中于需要修復(fù)的缺陷,提高了管道的維修、維護(hù)效率。

[1]韓文花.油氣管道漏磁信號(hào)去噪及缺陷重構(gòu)算法的研究[D].上海：上海交通大學(xué),2006：2-5.

[2]馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2009,28(10)：72-75.

[3]Cholow sky Sharon,Westw ood Stephen.Tri-axial sensors and 3-dimensional magnetic modelling of defects combine to improve defect sizing from magnetic flux leakage signals[C].NACE International,Northern A reaW estern Con ference.Victoria,British Columbia,Canada：2004.