譚笑，劉少柱，徐蔥蔥，趙云峰

1.中油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

2.中國(guó)石油管道公司（河北 廊坊 065000）

長(zhǎng)輸管道在建設(shè)、改線或搶修作業(yè)時(shí)，管道對(duì)口處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磁性的現(xiàn)象，大量的切割鐵屑吸附在管道的切割處，甚至管鉗都能被強(qiáng)磁吸附在管道上。管口磁場(chǎng)會(huì)在焊接時(shí)導(dǎo)致電弧引燃困難、電弧燃燒不穩(wěn)定、同時(shí)電弧發(fā)生偏離，進(jìn)而導(dǎo)致無法焊接。管道焊接過程中遇到的這一現(xiàn)象通常被稱為“磁偏吹”現(xiàn)象。當(dāng)管道焊接作業(yè)中發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象時(shí)，焊接電弧發(fā)生偏離，在坡口內(nèi)無法形成熔池，造成連續(xù)或斷續(xù)內(nèi)咬邊、根部不能焊透、根部熔合不良等焊接缺陷[1]。同時(shí)磁偏吹的存在還會(huì)削弱電弧周圍的保護(hù)氣氛，使熔池中易混入空氣，從而引起氣孔、夾渣等缺陷。這些缺陷導(dǎo)致管道焊接質(zhì)量嚴(yán)重下降，進(jìn)而直接影響管道的本質(zhì)安全[2-3]。

1 管道剩磁產(chǎn)生原因

導(dǎo)致管道被磁化從而攜帶殘余磁性的原因有多種，在管道生產(chǎn)、制造、搬運(yùn)、存放或運(yùn)行過程中，由于諸多磁性因素的影響，都會(huì)使管道帶有剩磁。

一些典型的管道被磁化的情況包括：

1）管道制造過程中產(chǎn)生磁性。在大口徑螺旋焊縫管道制造過程中，管道在出廠前通常會(huì)采用磁粉滲透法對(duì)管道螺旋焊縫進(jìn)行檢測(cè)，磁粉檢測(cè)會(huì)使管道磁化，雖然之后都會(huì)進(jìn)行消磁處理，但部分磁性仍然會(huì)存留在管材中。

2）管道存放于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中產(chǎn)生磁性。長(zhǎng)輸管道建設(shè)期間，通常會(huì)在一處或多處施工現(xiàn)場(chǎng)存放管材。管材在堆放期間，會(huì)受到地球磁場(chǎng)、電磁鐵磁場(chǎng)和電機(jī)永久磁鐵磁場(chǎng)等因素影響，在某些地區(qū)甚至還會(huì)受到鐵道、機(jī)場(chǎng)等環(huán)境的影響，從而帶有了磁性[4-5]。

3）電磁起重機(jī)搬運(yùn)過程產(chǎn)生磁性。管道搬運(yùn)過程使用電磁起重機(jī)作業(yè)，由于強(qiáng)磁力吊裝頭磁性較大，在起重機(jī)裝卸管道時(shí)，使其被磁化。

此外，在管道運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生工藝磁場(chǎng)，主要有以下幾種原因：①管道內(nèi)檢測(cè)產(chǎn)生磁性;②智能清管產(chǎn)生磁性;③中頻加熱產(chǎn)生磁性;④采用磁性夾持器、夾具產(chǎn)生磁性;⑤用直流電焊接管道時(shí)產(chǎn)生磁性;⑥打磨作業(yè)產(chǎn)生磁性;⑦銹蝕受地磁影響產(chǎn)生磁性;⑧渦流產(chǎn)生磁性;⑨流動(dòng)的油品產(chǎn)生磁性[6]。

可以看出，導(dǎo)致管道產(chǎn)生剩磁的原因復(fù)雜多樣，因此難以憑借單一量值來表征鋼管剩磁強(qiáng)度。實(shí)踐中測(cè)量得到的管口剩磁通常在0.5～5 mT的范圍內(nèi)，而對(duì)于高鋼級(jí)管道的剩磁可以達(dá)到35～65 mT的水平[7]。

2 剩磁強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

美國(guó)現(xiàn)行的焊接行業(yè)規(guī)范中還沒有鋼管中剩余磁性的最大允許強(qiáng)度的規(guī)定，API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》中均僅規(guī)定了鋼管制造廠商在工廠內(nèi)對(duì)鋼管進(jìn)行剩磁檢測(cè)的要求，規(guī)定出廠鋼管每一端沿周向大約相距90°測(cè)量4個(gè)讀數(shù)，4個(gè)讀數(shù)的平均值應(yīng)≤3 mT，且任一讀數(shù)不應(yīng)超過3.5 mT。俄羅斯管道焊接標(biāo)準(zhǔn)將管道剩磁分為弱、中等和高級(jí)3個(gè)級(jí)別，弱剩磁等級(jí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2 mT，焊接時(shí)不需要采取消磁措施；中等剩磁等級(jí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2～10 mT，焊接時(shí)需要進(jìn)行消磁；高剩磁等級(jí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為＞10 mT，焊接時(shí)也需要消磁。加拿大安橋管道公司的要求與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致，要求通過焊接間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度不能超過3 mT，否則會(huì)產(chǎn)生電弧偏吹[8]。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為當(dāng)遇到3～5 mT的磁場(chǎng)時(shí)，它對(duì)焊接將有較為明顯的影響。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)沒有消磁設(shè)備時(shí)，焊工可以采用一些簡(jiǎn)單實(shí)用的措施來減小剩磁對(duì)焊接的影響，這些措施包括：①調(diào)整電弧長(zhǎng)度，保持電弧更短以降低電弧偏吹幅度；②調(diào)整電極、金屬工作角度與電弧偏吹方向相反；③焊接時(shí)方向?qū)χ艿郎象w積較大的點(diǎn)焊或已經(jīng)完成的焊接；④使用交流電焊機(jī)；⑤將焊接的接地點(diǎn)靠近被焊接的接頭。

3 管道剩磁的中和、消磁及其應(yīng)用

克服管道中剩磁的不利影響的措施可以分為磁中和和消磁兩種類型。磁中和是施加外部磁場(chǎng)，抵消來自鋼管的剩磁影響；而消磁則永久地或至少在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)從鋼管中去除磁性[9]。

3.1 磁中和技術(shù)

磁中和技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)中最常用的消磁技術(shù)，其原理是給管件加一個(gè)反方向磁場(chǎng)，當(dāng)反方向磁場(chǎng)形成的剩余磁場(chǎng)抵消了原來管件上的剩余磁場(chǎng)時(shí)，管件端頭對(duì)外即呈現(xiàn)比較弱的剩余磁場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)最常使用的方法是在管道上用35～50 mm2焊把線順時(shí)針或反時(shí)針纏繞線圈，線圈寬度宜控制在1 m內(nèi)，纏繞匝數(shù)根據(jù)管道的磁場(chǎng)強(qiáng)弱決定，一般選用8～10圈為宜，若一根管道帶磁，線圈就纏繞在一端管道上，若兩根管道帶磁，則形成兩根管道的共用線圈，用直流電焊機(jī)提供電流，通電后電纜就會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電纜線產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與舊管道的剩磁磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等且方向相反時(shí)，就可以消除磁偏吹對(duì)焊接的影響。

在使用磁中和技術(shù)進(jìn)行消磁作業(yè)時(shí)，準(zhǔn)確判定剩磁磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向是作業(yè)的關(guān)鍵，反向磁場(chǎng)過大或過小都會(huì)影響消磁效果。因此，在消磁時(shí)如發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)增大，則需重新反向纏繞線圈改變電流方向，再進(jìn)行消磁。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)沒有高斯計(jì)時(shí)，可以采用圖1的方法進(jìn)行磁場(chǎng)方向的簡(jiǎn)易判斷。焊工將焊條吸附在磁化管口上，如果加上一個(gè)直流磁場(chǎng)后，焊條因?yàn)榇艌?chǎng)減弱而落下，則證實(shí)此時(shí)外加磁場(chǎng)與管口剩磁方向相反。

圖1 利用直流焊接引線中和殘余磁場(chǎng)

基于相同的概念的一些磁性中和裝置已經(jīng)開發(fā)出來并已經(jīng)投放市場(chǎng)。這類設(shè)備通常由電源、電纜線圈和數(shù)字控制器組成，有時(shí)會(huì)配有高斯測(cè)量?jī)x。這些設(shè)備的功能可以方便現(xiàn)場(chǎng)焊工作業(yè)。這些設(shè)備大多數(shù)都是便攜式的，控制器和高斯測(cè)量?jī)x允許用戶實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖2、圖3為兩種已經(jīng)商業(yè)化了的基于磁中和原理的消磁裝置。

圖2 IDMAG管道脫磁機(jī)-DeGauss工業(yè)公司

圖3 ZM150去磁器電纜線圈

但上述磁性中和裝置也有其局限性和缺點(diǎn)：控制器可能受到施工現(xiàn)場(chǎng)電源的高頻干擾，并可能導(dǎo)致其運(yùn)行不穩(wěn)定；如果電磁線圈是由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)狀電纜制成的，這些電纜并不一定能加固在鋼管上，那么很難將其定位在不處于水平位置的管道上。此外，在管道安裝過程中用來固定鋼管的夾具或其他固定裝置常常阻礙電磁線圈的安裝。

3.2 消磁技術(shù)及應(yīng)用

鐵磁材料中的剩余磁性可以通過高溫加熱被消除或顯著減少，因?yàn)楫?dāng)溫度升高到居里點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)的原子在理論上會(huì)失去其有序的平行排序。在大多數(shù)情況下，管道焊接要求對(duì)管道接頭進(jìn)行預(yù)熱處理，這主要是為了預(yù)防氫致裂紋和焊接處的冷脆性。這種預(yù)熱只需要達(dá)到148～204℃的水平，通常使用丙烷噴槍的火焰加熱或工業(yè)用電熱毯。而鋼的居里點(diǎn)一般在760℃左右，因此上面提到的焊接預(yù)熱所要求的溫度太低，并不能使鋼管消磁。因此管道消磁需要使用加熱爐來達(dá)到所需要的高溫。需要在加熱后檢查剩余磁性，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度值沒有下降到所需值，則必須重復(fù)加熱過程。

值得一提的是，在高寒地區(qū)（如阿拉斯加）中進(jìn)行管道施工的預(yù)熱過程十分必要。作為一項(xiàng)相對(duì)新興的技術(shù)，電磁熱感應(yīng)制熱逐漸取代了火焰加熱成為更安全因而更受歡迎的焊前預(yù)熱方法。由于該技術(shù)本身比較新，該技術(shù)所采用的電磁感應(yīng)磁圈與磁中和裝置中的電流線圈之間的相互干擾至今尚未有評(píng)估或相關(guān)報(bào)告。

3.3 消磁新技術(shù)介紹

在消磁技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中走在前列的，包括專門生產(chǎn)各類特殊工具的加拿大Western Instrument公司。該公司新開發(fā)的名為WD-Series的設(shè)備，不僅可以有效地消除鋼管中的剩磁并且可以讓消磁處理后的鋼管在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持住消磁狀態(tài)。與先前提到的運(yùn)用穩(wěn)定直流電的普通線圈的磁中和裝置不同，該設(shè)備使用一種特殊類型的線圈來產(chǎn)生直流脈沖，從而可以達(dá)到高效并持久的消磁效果。根據(jù)該公司的介紹，一個(gè)訓(xùn)練有素的操作員只需要運(yùn)行一個(gè)直流脈沖就可以將鋼管消磁到0～0.3 mT的水平，而且該管道消磁后在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（通常是幾天）仍然保持低磁。WD系列產(chǎn)品的線圈直徑范圍覆蓋200～1 100 mm不同管徑，而且現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單易行。

圖4為現(xiàn)場(chǎng)使用的WD系列設(shè)備，以及由計(jì)算機(jī)控制的消磁處理線（圖5），其中包含用于對(duì)整條鋼管進(jìn)行消磁的線圈陣列。

圖4 西部?jī)x器公司正在使用WD系列設(shè)備

圖5 計(jì)算機(jī)控制的消磁線

4 結(jié)束語

綜上，鋼管中的剩余磁場(chǎng)及其對(duì)管道焊接在電弧偏吹現(xiàn)象的影響眾所周知。但是國(guó)際現(xiàn)行的焊接規(guī)范中并未規(guī)定鋼管中剩余磁場(chǎng)最大允許標(biāo)準(zhǔn)，也沒有制定相應(yīng)的消磁處理規(guī)范。生產(chǎn)中遇到的最大剩余磁量可高達(dá)35～65 mT，施工中主要靠施工單位和焊工的經(jīng)驗(yàn)來克服其不利影響。磁中和技術(shù)由于其簡(jiǎn)易性和可靠性，在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，目前，除了焊工通過經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常使用的一些簡(jiǎn)單但實(shí)用的技術(shù)之外，一些專業(yè)公司已經(jīng)開發(fā)并投產(chǎn)了一些自動(dòng)化程度較高的消磁設(shè)備，可以根據(jù)管口剩磁大小平穩(wěn)調(diào)整磁場(chǎng)方向與強(qiáng)度，提高了消磁作業(yè)效率。另一方面，目前使用的直流消磁機(jī)也有進(jìn)一步提升的空間，如在高寒環(huán)境中的大口徑管道消磁仍然是難點(diǎn)，需要針對(duì)性地研發(fā)適用的大功率消磁機(jī)及其輔助設(shè)備，使設(shè)備更加輕便、高效。