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

管道目前已成為主要的運(yùn)輸載體，在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。管道作為一種主要的承壓設(shè)備，應(yīng)用在石油、礦產(chǎn)、冶金、輕工、醫(yī)藥及供暖系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域[1]。由于受到惡劣地質(zhì)環(huán)境的影響，加上管道鋪設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，在管道周圍和上方地形、土壤變化的共同影響下，管道發(fā)生腐蝕穿孔和應(yīng)力集中的概率與日俱增。當(dāng)管道的腐蝕程度和應(yīng)力到了一個(gè)臨界點(diǎn)的時(shí)候，管道就會(huì)產(chǎn)生穿孔泄漏、腐蝕等缺陷，引發(fā)管道的安全事故，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成重大爆炸和環(huán)境污染。因此，為確保我國(guó)長(zhǎng)期埋于地下管網(wǎng)的運(yùn)行安全，降低因?yàn)榈叵鹿芫W(wǎng)安全事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要找到一種有效的方法對(duì)埋地管道進(jìn)行檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外主要的檢測(cè)方法可分為內(nèi)部檢測(cè)和外部檢測(cè)兩大方法。內(nèi)部檢測(cè)主要應(yīng)用于大直徑的長(zhǎng)距離管道。利用管道爬行器和管道內(nèi)置機(jī)器人[2-3]可以對(duì)管道內(nèi)部腐蝕情況進(jìn)行較好地檢測(cè)，然而這種檢測(cè)方法的缺點(diǎn)是需要關(guān)閉管道和清管。外部檢測(cè)主要是利用電磁方法進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，現(xiàn)階段主要的檢測(cè)手段主要有非接觸式磁力層析(MTM)檢測(cè)技術(shù)、瞬變電磁檢測(cè)技術(shù)等 。MTM檢測(cè)技術(shù)的外界干擾因素多，瞬變電磁法是通過主動(dòng)對(duì)管道發(fā)出脈沖激勵(lì)信號(hào)，再由線圈接收管體反饋回來的信號(hào)進(jìn)行管體缺陷判斷的，但是這種方法只適合在城市中使用。因此，針對(duì)現(xiàn)代運(yùn)輸中普遍使用的金屬管道，如何更加經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、快速地對(duì)管道的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)是目前一個(gè)重要的研究課題。筆者對(duì)埋地管道非開挖檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

1 弱磁檢測(cè)原理

埋地管道非開挖弱磁檢測(cè)技術(shù)是基于自然地磁場(chǎng)的原理，由三軸式磁通門傳感器組裝的探頭在檢測(cè)管道正上方進(jìn)行掃描，采集管道上方的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。這是一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，儀器通過采集管道上方不同方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度來檢測(cè)測(cè)試樣品中是否存在缺陷，以確定測(cè)試管中是否存在缺陷并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

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′(見圖1)，如果不連續(xù)區(qū)域?yàn)楦叽艑?dǎo)率材料，即μ′>μ，也就是說，當(dāng)磁傳感器通過該區(qū)域時(shí)，磁感應(yīng)曲線會(huì)呈現(xiàn)凹形;如果不連續(xù)區(qū)域是低磁導(dǎo)率材料，即μ′<μ，當(dāng)磁傳感器通過該區(qū)域時(shí)，磁感應(yīng)曲線將顯出凸形。

圖1 弱磁檢測(cè)原理示意

為了更好地識(shí)別金屬管道中存在的缺陷磁場(chǎng)信號(hào)變化分辨率，提出了一種磁梯度張量測(cè)量系統(tǒng)。首先，弱磁檢測(cè)不受總場(chǎng)測(cè)量的約束，測(cè)量結(jié)果反映了目標(biāo)體的矢量磁矩信息;第二，張量元件受地磁場(chǎng)傾斜的影響較小。以下是磁梯度張量的理論研究。

地磁場(chǎng)是具有方向和大小的矢量場(chǎng)。磁梯度張量就是磁場(chǎng)強(qiáng)度在三維空間中的3個(gè)分量Bx，By，Bz在空間兩兩垂直的3個(gè)方向(x,y,z)上的變化率，構(gòu)成一個(gè)三階矩陣，共9個(gè)元素，記為G，表示如下

(1)

由于無(wú)緣空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的散度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的旋度為0，因此存在

(2)

(3)

(4)

式中：Hx,Hy,Hz分別為一個(gè)磁偶極子在空間x,y,z3個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由式(2)，(3)，(4)可知，磁梯度張量的9個(gè)元素中只有5個(gè)是彼此獨(dú)立的。因此，只要知道5個(gè)獨(dú)立分量，就可以找到磁梯度張量的值。一般地磁場(chǎng)的梯度通常為20 nT，通常小于材料內(nèi)部缺陷造成的磁異常的梯度，基于這一原理，采用十字形磁梯度張量結(jié)構(gòu)，由于其計(jì)算簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，廣泛地用于磁梯度測(cè)量。

傳感器十字型測(cè)量結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，B0，B1，B2，B3為3軸式磁通門傳感器，每個(gè)3軸磁通門傳感器均是3個(gè)單軸3端式磁通門傳感器的組合。根據(jù)式(1)，(3)差分近似可得以下結(jié)果。

圖2 傳感器十字型測(cè)量結(jié)構(gòu)示意

由圖2可知，B0，B1，B2，B3三軸磁通門傳感器都可以對(duì)地磁場(chǎng)的x,y,z方向上的磁場(chǎng)分量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，式(5)中，Δx、Δz分別為B0B2的距離，B1B3的距離，B1x,B1y,B1z分別為B1地磁場(chǎng)在空間上的3個(gè)分量，根據(jù)上面公式，可以計(jì)算磁場(chǎng)的梯度矩陣G。

(5)

2 試驗(yàn)儀器

測(cè)試中使用的儀器是由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高精度埋地管道弱磁檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀主要包括磁測(cè)量傳感器和數(shù)據(jù)分析上位機(jī)(見圖3)。為了更好地接近實(shí)際工程情況，由某熱力集團(tuán)提供試驗(yàn)場(chǎng)地，對(duì)預(yù)置人工缺陷的管道進(jìn)行了試驗(yàn)。將管道埋入地下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了保證傳感器的穩(wěn)定性，采用軌道搭建法，使傳感器平穩(wěn)地從管道上方通過。

圖3 埋地管道弱磁檢測(cè)儀外觀

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)待檢管道沒有腐蝕和其他類型的缺陷時(shí)，試驗(yàn)曲線的變化應(yīng)相對(duì)均勻；當(dāng)待檢查的管道中存在腐蝕缺陷時(shí)，該區(qū)域中的磁場(chǎng)變化將發(fā)生異常，并且可以通過數(shù)據(jù)分析軟件處理磁場(chǎng)的異常區(qū)域以實(shí)現(xiàn)二維成像,定量研究腐蝕減少的位置和深度。

3 試驗(yàn)過程

為了更接近現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，利用與某熱力公司合作搭建的試驗(yàn)場(chǎng)地，采用一根長(zhǎng)為3 000 mm，外徑為610 mm，壁厚為8.8 mm的熱力管道作為試驗(yàn)對(duì)象。在該管道上方加工了5個(gè)人工缺陷，每個(gè)位置的缺陷類型和腐蝕深度如表1所示。

圖4 試驗(yàn)管尺寸示意

表1 試驗(yàn)管的缺陷類型和腐蝕深度 mm

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)埋深分別為1 200，1 500，1 800 mm的管道進(jìn)行了試驗(yàn)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先將預(yù)置好缺陷的管道放入已挖好的土坑內(nèi)，然后在管道正上方鋪設(shè)非鐵磁性材料的軌道，通過自制小車在軌道上帶動(dòng)弱磁傳感器在管道上方勻速移動(dòng)，將傳感器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器傳輸至上位機(jī)。弱磁檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件安裝在上位機(jī)中?？紤]到試驗(yàn)過程中管道端頭效應(yīng)造成的信號(hào)啟停處的突變，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將端頭效應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行屏蔽，防止對(duì)整體信號(hào)的影響造成測(cè)試結(jié)果的誤判。圖5是弱磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，將管道埋于地下后模擬非開挖的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，檢測(cè)時(shí)將傳感器放置于管道正上方，圖6是埋深1 800 mm管道的檢測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

在直徑為400 mm的管道上制作不同形狀和深度的缺陷點(diǎn)，并記錄位置。

如圖6(a)所示，管體磁信號(hào)的原始數(shù)據(jù)圖像不能區(qū)分管體的缺陷信號(hào)和原始圖像。分析埋地管道數(shù)據(jù)時(shí)，一般采用對(duì)信號(hào)進(jìn)行梯度處理的方法，該方法有益于缺陷信號(hào)的識(shí)別，也可以在軟件設(shè)計(jì)中很好地實(shí)現(xiàn)。在分析管體缺陷信號(hào)時(shí)，只要知道空間一點(diǎn)的梯度張量和磁場(chǎng)的三分量就可以實(shí)現(xiàn)缺陷的定位。 若用H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，x表示傳感器在管道上方的位移，就可以使用dH/dx來表示磁場(chǎng)梯度。在均勻的磁場(chǎng)中時(shí)，理論上dH/dx=0，當(dāng)外界有磁介質(zhì)時(shí)，dH/dx≠0。對(duì)于磁梯度信號(hào)，該信號(hào)是非確定性信號(hào)，也稱為隨機(jī)信號(hào)。這些信號(hào)是不確定的，幅度和相位變化是不可預(yù)測(cè)的，因此不能用具體的數(shù)學(xué)公式表示,整個(gè)信號(hào)的特征只能通過統(tǒng)計(jì)分析獲得?？梢允褂酶怕拭芏群瘮?shù)和分布函數(shù)來統(tǒng)計(jì)計(jì)算缺陷信號(hào)的特征。如圖6(b)所示，當(dāng)磁梯度的大小超過預(yù)先設(shè)定的缺陷判斷閾值線時(shí)，判斷高于閾值線的值為缺陷信號(hào)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，如果原始磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)用H表示，原磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)的均值就用表示，產(chǎn)生的方差用σ表示，則判斷缺陷的依據(jù)為

圖5 弱磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖6 埋深1 800 mm管道的檢測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

(6)

如圖6(c)所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過梯度運(yùn)算之后，在管道人工缺陷處得到的梯度大于正常管體信號(hào)的梯度。管體的預(yù)設(shè)體缺陷處的梯度超過判斷的閾值線。當(dāng)磁傳感器通過管道上方時(shí)，通過接收管體磁場(chǎng)信號(hào)的一個(gè)空間值，利用十字型探頭組合分別采集管道上方的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度。如果管道預(yù)置的缺陷深度用d表示，管道的埋深用h表示，那么3者滿足以下關(guān)系式

(7)

式中：A為常數(shù)；B為管道上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

為了更好地分析缺陷，對(duì)不同埋深的缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 不同埋深缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由圖6(b)可知，檢測(cè)初期得到的梯度信號(hào)相對(duì)比較平穩(wěn)，磁梯度范圍在-100 nT～+100 nT內(nèi)，沒有超過判斷的閾值線；在550～700 mm之間的磁場(chǎng)信號(hào)相對(duì)于開始檢測(cè)區(qū)域有明顯的梯度差，梯度差變化在-140 nT～+120 nT內(nèi);在這之后，磁梯度信號(hào)再次趨于平穩(wěn)，直到在1 050～1 250 mm之間的磁梯度達(dá)到整段梯度的最大值，梯度變化在-400 nT～+380 nT內(nèi)；在1 550～1 700 mm之間的磁梯度信號(hào)與兩側(cè)的磁梯度信號(hào)相比較，有明顯的突出，突出位置的磁梯度信號(hào)變化范圍在-240 nT～+240 nT之間；此后，磁梯度信號(hào)再次趨于平穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)?shù)? 870～1 920 mm之間時(shí)，磁梯度信號(hào)又再次出現(xiàn)一個(gè)峰值，此處的磁梯度范圍變化在-210 nT～+220 nT之間；在2 300～2 400 mm之間的磁梯度變化范圍在-320 nT～220 nT之間。由此，經(jīng)過處理后，在550～770 mm，1 050～1 250 mm，1 550～1 700 mm，1 870～1 920 mm，2 300～2 400 mm之間的磁梯度信號(hào)相對(duì)于其他區(qū)域信號(hào)存在明顯的峰峰值，這與試驗(yàn)帶有預(yù)置的人工缺陷管道上的缺陷位置相符。在檢測(cè)過程中，由人工推動(dòng)磁傳感器在管道上方移動(dòng)檢測(cè)，不能保證是理想的勻速運(yùn)動(dòng)，故最后的檢測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)前預(yù)置的管道缺陷位置會(huì)存在一個(gè)誤差。從檢出效果和檢出率的方面看，該檢測(cè)技術(shù)具有工程實(shí)用性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2015年3月11日，河南濮陽(yáng)地區(qū)采用弱磁非開挖檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某些部分已經(jīng)停運(yùn)的管道進(jìn)行非開挖檢測(cè)。

該檢測(cè)管道埋于農(nóng)田之下，屬于沙土質(zhì)環(huán)境。檢測(cè)管道一共包含6個(gè)部分，分兩排，管道壁厚在3.0～4.5 mm之間，兩排管道分布的長(zhǎng)度都是3 800 mm，管道埋深在1 500～1 700 mm之間。其中：1#,3#管道表面有防腐層，管道中的缺陷位置無(wú)法直觀看見；2#管道屬于鋪設(shè)年份較久的管道，管道表面腐蝕非常嚴(yán)重；4#管道表面無(wú)明顯缺陷；5#管道有3處鋸槽，規(guī)格(長(zhǎng)度×寬度×深度)為10 mm×0.4 mm×0.3 mm；6#管道有5處穿孔缺陷，其中兩處同時(shí)含有兩個(gè)孔洞,直徑為6～7 mm。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境，對(duì)待檢測(cè)管道分段檢測(cè)，每一段檢測(cè)距離均為4 000 mm。在管道正上方進(jìn)行軌道搭建，推動(dòng)磁傳感器在管道上方勻速移動(dòng)，對(duì)管道進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果一致?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和管道開挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和管道開挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)

在檢測(cè)段的293,1 026,2 198,2 481,2 931,3 495 mm處的結(jié)果處理時(shí)，顯示出有腐蝕異常信號(hào)。由檢測(cè)結(jié)果可以看出，有3處區(qū)域的磁場(chǎng)梯度變化明顯，信號(hào)趨勢(shì)突出。經(jīng)過對(duì)管道進(jìn)行開挖驗(yàn)證，雖然開挖結(jié)果與儀器處理結(jié)果相比存在誤差，但是腐蝕缺陷位置誤差小于5 cm，這一誤差對(duì)于長(zhǎng)距離輸送的埋地管道來說是能夠忽略的。

2017年，在與華北油田的合作中，對(duì)內(nèi)蒙某市在役輸油管道進(jìn)行安全檢測(cè)。利用弱磁埋地非開挖檢測(cè)儀器對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該段管道處于沙土之下，檢測(cè)段長(zhǎng)度為3 600 mm，管道埋深為1 600 mm，管道外徑為89 mm，壁厚為6 mm。利用減震平衡器輔助傳感器在管道上方采集磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù),根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)給出管道腐蝕嚴(yán)重的點(diǎn)，進(jìn)行開挖驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果和開挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

由檢測(cè)結(jié)果可以看出，在檢測(cè)區(qū)段1 000 mm和2 300 mm處,梯度信號(hào)突變。在1 000 mm處磁梯度變化達(dá)到了500 nT，在2 300 mm處磁梯度更是達(dá)到了700 nT。但是管道表面依然光滑，剖開管道后發(fā)現(xiàn)其發(fā)生了內(nèi)腐蝕，腐蝕深度占原始壁厚的74%。除此以外，經(jīng)軟件分析未發(fā)現(xiàn)此段區(qū)域內(nèi)存在缺陷。

圖8 檢測(cè)結(jié)果和開挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)弱磁檢測(cè)原理分析和磁梯度張量檢測(cè)原理分析，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)理知識(shí)，得出了缺陷判斷的依據(jù)，結(jié)合后期的儀器改進(jìn)，將磁梯度超過閾值線的值判斷為缺陷，并對(duì)腐蝕類缺陷進(jìn)行二維成像處理，可更加直觀地顯示檢測(cè)結(jié)果。

利用弱磁管道非開挖檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證，將數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)開挖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明該技術(shù)對(duì)管道腐蝕有很好的檢出率，并且可以用于在役管道的安全檢測(cè)和停運(yùn)管道的安全排查，無(wú)需對(duì)管道進(jìn)行開挖。