劉少柱 徐蔥蔥 李景昌 齊健龍 張洪雷 于 雷 王 強(qiáng) 陳久龍

1.中國(guó)石油管道公司 2.中國(guó)石油管道公司大慶輸油氣分公司 3.中國(guó)石油管道公司呼和浩特輸油氣分公司

0 引言

油氣長(zhǎng)輸管道屬于鐵磁性材料，在運(yùn)輸、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等過程中，受外部因素影響會(huì)導(dǎo)致管道存在剩磁現(xiàn)象，當(dāng)剩磁較大時(shí)，容易使得管口組對(duì)焊接時(shí)發(fā)生磁偏吹，有可能影響焊接施工進(jìn)度和焊接質(zhì)量[1-2]。管道用鋼管出廠前，制造廠家會(huì)對(duì)鋼管剩磁進(jìn)行檢測(cè)和處理，以滿足管道建設(shè)要求，如《管線鋼管規(guī)范：API Spec 5L》[3]及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管：GB/T 9711ü2017》[4]均規(guī)定了管線鋼出廠的剩磁要求，鋼管端部采用高斯計(jì)沿周向均勻測(cè)量4點(diǎn)讀數(shù)，4點(diǎn)讀數(shù)的平均值應(yīng)不高于3 mT，并且任一讀數(shù)不應(yīng)超過3.5 mT[5]。俄羅斯管道焊接時(shí)，將管道剩磁分為弱、中和高3個(gè)級(jí)別，弱剩磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度不大于2 mT，焊接時(shí)不需要采取消磁措施；中剩磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2～10 mT，焊接時(shí)需要消磁；高剩磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于10 mT，焊接時(shí)也需要消磁。以上標(biāo)準(zhǔn)給出了焊接中不同的消磁要求，為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)盡量降低管道的剩磁強(qiáng)度以滿足焊接要求[6]。同時(shí)，為了更實(shí)際地掌握剩磁對(duì)外徑1 422 mm、X80管道焊接的影響，以及了解磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布規(guī)律和磁感應(yīng)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)判斷方法，迫切需要開展相關(guān)研究，以期更好地指導(dǎo)管道消磁焊接作業(yè)。

另外，在管道維搶修作業(yè)過程中，由于管道服役期間清管、內(nèi)檢測(cè)等因素影響，管端剩磁較大，部分剩磁強(qiáng)度可達(dá)數(shù)百mT，難以滿足管口組對(duì)焊接要求，需要采取有效措施消減管道剩磁。2017年，國(guó)內(nèi)某外徑1 219 mm管線發(fā)生突發(fā)泄漏事件需要緊急換管搶修，在管口組對(duì)焊接過程中，由于管體帶磁量高達(dá)近300 mT，導(dǎo)致?lián)屝揸?duì)伍攜帶的兩臺(tái)以及緊急調(diào)用的兩臺(tái)消磁設(shè)備均因功率不足而燒毀，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)搶修進(jìn)度。結(jié)合多年來管線動(dòng)火和應(yīng)急搶修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在均進(jìn)行過內(nèi)檢測(cè)等同等條件下，輸氣管線一般隨口徑、壁厚的增大和鋼級(jí)增高，帶磁量也會(huì)增大。中俄東線天然氣管道工程作為國(guó)內(nèi)首條外徑1 422 mm、X80鋼級(jí)管道，其在后期維搶修過程中，管道消磁將帶來較大挑戰(zhàn)，尤其是目前面臨著國(guó)內(nèi)市面上大部分消磁設(shè)備性能不佳、無法消除管道強(qiáng)磁等問題。因此，深入探討并掌握消磁方法選擇、消磁設(shè)備選型、現(xiàn)場(chǎng)消磁技術(shù)應(yīng)用等顯得尤為重要。

1 管道剩磁產(chǎn)生原因

管體受到外部磁場(chǎng)影響時(shí)，會(huì)存在一條磁化曲線和磁滯回線（圖1）。管壁在外部磁場(chǎng)作用下，磁化曲線為圖1中的OS段。當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度大于Hs，管壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了飽和磁化狀態(tài)Bs。當(dāng)外部磁場(chǎng)去除后，此時(shí)管壁的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨SBr減弱，使得管壁中存有剩磁[7-8]。

圖1 管道磁化和磁滯曲線示意圖

管道外部磁場(chǎng)可分為環(huán)境磁場(chǎng)和工藝磁場(chǎng)兩種類別，環(huán)境磁場(chǎng)主要是在管道生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)冗^程中，受外部環(huán)境因素形成的磁場(chǎng)；工藝磁場(chǎng)主要是管道在檢測(cè)、裝配、生產(chǎn)等過程中，使管道感應(yīng)上一定磁性。管道外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的主要原因如表1所示[9-10]。在實(shí)際工程中，管道剩磁產(chǎn)生因素較為復(fù)雜，通常是由多種因素共同導(dǎo)致，管道口徑越大、管線越長(zhǎng)，管道端口處積累的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)消磁設(shè)備的能力要求越高。

表1 管道外加磁場(chǎng)產(chǎn)生因素表

2 管道消磁技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)消磁原理的不同，常用的消磁方法包括導(dǎo)通磁感線法、打亂磁疇分布法以及抵消磁感線法（表2）。其中導(dǎo)通磁感線法是通過連接兩個(gè)管口，使管口本身的磁力線沿著連接處導(dǎo)通，從而減小焊口處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，該方法僅適用于磁感應(yīng)強(qiáng)度較低的情況[11-12]。打亂磁疇分布法有加熱法和交流消磁法等，通過將管口加熱至居里點(diǎn)，或通過由強(qiáng)至弱不斷衰減的交變磁場(chǎng)，從而使剩磁減小，但該方法難以完全消除管道內(nèi)部的剩磁[13-15]。抵消磁感線法通過在管壁上增加與管道剩磁磁場(chǎng)方向相反、大小相近的外部磁場(chǎng)，從而抵消管道端口的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)管口消磁[16-18]。

表2 管道常用消磁方法統(tǒng)計(jì)表

3 外徑1 422管道消磁試驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)部分外徑1 219 mm、X80鋼級(jí)在役輸氣管道最大剩磁已超300 mT，中俄東線采用外徑1 422 mm、X80鋼級(jí)、大壁厚鋼管，受各種因素影響，其管口剩磁量將會(huì)更大，需要選用適宜的消磁方法和消磁能力強(qiáng)的消磁設(shè)備。鑒于以上各消磁方法對(duì)比，將重點(diǎn)研究直流消磁方法和設(shè)備對(duì)于大口徑、高鋼級(jí)管道的適用性。試驗(yàn)采用兩段中俄東線建設(shè)用外徑1 422 mm、X80、壁厚21.4 mm的鋼管，管道端口組對(duì)并纏繞消磁線圈（圖2），模擬實(shí)際消磁作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，開展不同直流消磁設(shè)備的消磁試驗(yàn)。另外，為進(jìn)一步驗(yàn)證剩磁對(duì)外徑1 422 mm、X80管道焊接的影響，明確能夠滿足焊接要求的最小剩磁強(qiáng)度，以及給出磁感應(yīng)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)判斷方法和空間分布規(guī)律，開展了系列試驗(yàn)。

圖2 線圈纏繞示意圖

3.1 直流消磁機(jī)加磁試驗(yàn)

直流消磁機(jī)通過調(diào)整纏繞線圈中電流方向，形成與管道剩磁方向相反的外部磁場(chǎng)，并通過調(diào)節(jié)消磁機(jī)功率即線圈電流大小，從而減小管端磁場(chǎng)強(qiáng)度，因而直流消磁機(jī)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的能力同樣反映了其消磁能力[19]。本次試驗(yàn)采用了目前國(guó)內(nèi)外較典型的4種不同型號(hào)的直流消磁設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，4種設(shè)備的性能和安裝參數(shù)如表3所示。

表3 消磁試驗(yàn)設(shè)備性能及安裝參數(shù)表

試驗(yàn)中分別將各消磁機(jī)的線圈纏繞在一側(cè)管口，測(cè)量管口初始磁感應(yīng)強(qiáng)度，將各消磁機(jī)功率調(diào)至最大，分別沿管口圓周均布的四點(diǎn)位置測(cè)量運(yùn)行2 min、5 min、15 min和25 min后的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并取4點(diǎn)平均值衡量各消磁設(shè)備的最大加磁能力，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。根據(jù)H=nI（n表示單位長(zhǎng)度上的圈數(shù)；I表示電流大小，A），I和n越大，則產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。通過比較可看出直流消磁機(jī)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大約為490 mT，即可滿足管道剩磁小于490 mT的消磁需求；當(dāng)管道剩磁較大時(shí)，可采用多個(gè)消磁機(jī)直流線圈疊加的方式進(jìn)行消磁，基本可滿足大口徑管道消磁要求[20]。線圈工作溫度是消磁機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，電流增大，線圈溫度隨著增加，若線圈直徑過小、電流過大易燒壞電纜，宜選用工作狀態(tài)下線圈溫度較低的設(shè)備。另外，電纜溫度越高，電阻越大，在電壓一定條件下，電流會(huì)變小，使得產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小產(chǎn)生波動(dòng)，一定程度上導(dǎo)致設(shè)備功率效能下降。設(shè)備D和設(shè)備B雖額定功率一致，但設(shè)備D電纜傳導(dǎo)性能較B差，使得實(shí)際作業(yè)時(shí)，設(shè)備D電纜溫度較高，影響了其實(shí)際消磁性能。由表4可以看出，設(shè)備A在加磁過程中加磁量最大，能夠達(dá)到490 mT，且呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定性；4臺(tái)消磁機(jī)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最大負(fù)荷狀態(tài)下產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，而A和B具有電壓自動(dòng)補(bǔ)償功能，從而盡量避免波動(dòng)，具有更好地消磁穩(wěn)定性。因此，管道企業(yè)針對(duì)外徑1 422 mm、X80管道選用消磁設(shè)備時(shí)要充分考慮設(shè)備的消磁能力及穩(wěn)定性等因素。

表4 直流消磁機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.2 直流焊機(jī)消磁試驗(yàn)

采用的直流焊機(jī)額定輸出電流/電壓為400 A/36 V，在管道管端纏繞焊機(jī)焊把線（50 mm2多股銅芯線），并采取?3.2 mm、J507焊條實(shí)現(xiàn)焊機(jī)連續(xù)焊接，分別通過調(diào)整焊機(jī)電流和焊把線纏繞圈數(shù)，分析電焊機(jī)焊把線管口消磁的影響因素。

試驗(yàn)采用高斯計(jì)沿管口周向均勻測(cè)量4點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度，并取平均值，得到如表5所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在焊機(jī)焊把線纏繞圈數(shù)一定時(shí)，隨著焊把線內(nèi)電流變大，其形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度也增強(qiáng)；在焊把線內(nèi)電流一定時(shí)，隨著線圈纏繞圈數(shù)越多，其形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之增大。但相比專用的直流消磁設(shè)備，直流焊機(jī)消磁能力較弱，且消磁前需要對(duì)管口剩磁磁場(chǎng)方向進(jìn)行檢測(cè)，通過調(diào)整線圈纏繞方向、匝數(shù)和焊接電流大小，方可實(shí)現(xiàn)消磁；另外，為保證直流焊機(jī)持續(xù)進(jìn)行消磁，需要焊把線線圈內(nèi)一直通過電流，即焊機(jī)需持續(xù)焊接作業(yè)，特別是管口剩磁較大時(shí)，焊把線內(nèi)焊接電流較大，消耗大量焊材。因此，直流焊機(jī)消磁法可在無專用消磁機(jī)且剩磁強(qiáng)度較弱的情況下，作為一種備選的消磁方法。

表5 直流焊機(jī)加磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)焊接影響試驗(yàn)

在試驗(yàn)管道管口選擇9點(diǎn)鐘位置作為試驗(yàn)位置，使用高斯計(jì)測(cè)量并調(diào)整消磁機(jī)參數(shù)使管口處磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)需求，采用一名焊工在該點(diǎn)使用焊條電弧焊在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下進(jìn)行焊接作業(yè)并記錄對(duì)焊接的影響，結(jié)果如表6所示。多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在管口磁感應(yīng)強(qiáng)度低于5 mT時(shí)，才能夠進(jìn)行施焊，否則焊接質(zhì)量將無法保證，易造成焊接缺陷。因此，油氣管道焊接前磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)?shù)陀? mT，才能滿足焊接要求。而對(duì)于更嚴(yán)格的焊接要求，必須達(dá)到國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的3 mT以下才允許施焊。

3.4 磁感應(yīng)強(qiáng)度吸附焊材試驗(yàn)

在管口選擇6點(diǎn)鐘位置作為試驗(yàn)位置，使用高斯計(jì)測(cè)量并調(diào)整消磁機(jī)參數(shù)使管口處磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求，此次試驗(yàn)針對(duì)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下使用不同重量焊材開展吸附試驗(yàn)，找出磁感應(yīng)強(qiáng)度與可吸附焊條長(zhǎng)度的規(guī)律。在以往現(xiàn)場(chǎng)焊接消磁作業(yè)時(shí)，焊工會(huì)經(jīng)驗(yàn)性的通過將焊條吸附到帶磁管口處，然后調(diào)節(jié)消磁機(jī)直至焊條自由掉落，從而證實(shí)管口實(shí)現(xiàn)消磁。這種方法在無專用磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量工具時(shí)，比較切實(shí)可用。為進(jìn)一步將焊條吸附能力和剩磁強(qiáng)度結(jié)合起來，更科學(xué)的給出剩磁的人工經(jīng)驗(yàn)判斷方法，開展了相關(guān)試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)如表7所示。通過表7的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，管口磁感應(yīng)強(qiáng)度在低于5 mT時(shí)，對(duì)焊材幾乎無吸附現(xiàn)象，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，也給出了可吸附的焊條長(zhǎng)度，為判斷管口磁力大小提供依據(jù)。

表6 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)焊接的影響表

表7 焊條吸附能力表

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨空間位置變化規(guī)律圖

3.5 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律

在管口選擇6點(diǎn)鐘位置作為試驗(yàn)位置，使用高斯計(jì)測(cè)量并調(diào)整消磁機(jī)參數(shù)使管口處6點(diǎn)鐘位置磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到10 mT，在試驗(yàn)點(diǎn)位置使用高斯計(jì)沿管口軸向和周向方向不同距離測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度變化并記錄，找出不同空間位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律（圖3）。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沿管口軸向方向移動(dòng)至1.2 m時(shí)，測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.8 mT；當(dāng)沿管口周向方向，測(cè)得3、9和12點(diǎn)鐘磁感應(yīng)強(qiáng)度值各不相同。因此，軸線方向管口處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，隨著距管口距離增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度近似線性減弱，故測(cè)量管口磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)應(yīng)盡量靠近管口端部，提高測(cè)量準(zhǔn)確率；周向方向受管口組對(duì)間隙大小不均勻影響，各位置磁感應(yīng)強(qiáng)度存在差異，組對(duì)間隙越小，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，故在焊接過程中，需要局部微調(diào)消磁機(jī)功率，從而滿足不同位置消磁要求。以上數(shù)據(jù)可為消磁人員明確磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)作業(yè)區(qū)域的影響提供參考。

4 結(jié)束語

隨著近年來長(zhǎng)輸油氣管道的快速發(fā)展以及內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在動(dòng)火連頭及搶修換管作業(yè)過程中，如何有效消除大口徑、高鋼級(jí)管道剩磁，避免管口剩磁對(duì)于焊接的影響，是亟待解決的工程實(shí)際問題。管道剩磁產(chǎn)生原因復(fù)雜多樣，消磁技術(shù)及原理也不盡相同，在分析各種消磁技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)大口徑、高鋼級(jí)管道歸納總結(jié)了不同消磁方法的優(yōu)缺點(diǎn)，開展了系列直流消磁試驗(yàn)，明確了直流消磁設(shè)備的適用性，并開展磁感應(yīng)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)判斷方法、對(duì)焊接影響和空間分布規(guī)律試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）現(xiàn)有直流消磁設(shè)備消磁能力差異較大，試驗(yàn)所選用的A型號(hào)直流消磁設(shè)備針對(duì)外徑1 422 mm、X80管道最大消磁能力可達(dá)490 mT，且具有電壓補(bǔ)償功能，消磁能力和穩(wěn)定性較高，其余設(shè)備消磁能力相對(duì)較弱，面對(duì)外徑1 422 mm、X80管道強(qiáng)磁力情況，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)消磁需求。

2）直流焊機(jī)以及永磁鐵等消磁方法，消磁能力弱，可以作為在施工現(xiàn)場(chǎng)沒有專用消磁設(shè)備時(shí)的一種備選消磁法，適用于磁感應(yīng)強(qiáng)度較低、局部開展消磁的情況。

3）為確保焊接質(zhì)量，實(shí)際作業(yè)過程中，當(dāng)管口剩磁小于5 mT時(shí)方可進(jìn)行焊接作業(yè)，此時(shí)剩磁對(duì)焊接影響可忽略，同時(shí)給出了磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的經(jīng)驗(yàn)判斷方法。

4）剩磁在管端軸向和周向上分布不均勻，現(xiàn)場(chǎng)消磁時(shí)需局部調(diào)整消磁能力，給出了磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布規(guī)律，以便于更好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)消磁作業(yè)的開展。