基于磁记忆技术的油气管道缺陷检测研究.pdf

第3 8 卷第5 期 石 油l 程 建设 5 1 基于磁记忆技术的油气管道缺陷检测研究 罗顺友 ，王 鼎2 ，周晓莹3 ，杨 毅3 1 ． 中国石油天然气管道局第三工程分公司，河南郑州4 5 1 4 5 0 ；2 ． 中国石油天然气管道局国内事业部 河北廊坊0 6 5 0 0 0 ；3 ． 中国石油北京油气调控中心，北京l O 0 0 1 0 摘 要 采 用金属磁 记忆 方法对管道缺 陷进行精 确测 定 ，是 当前 无损检测领 域的研 究热点和难 点。文 章介绍了磁记忆检测的优势和原理．分析 了采用磁记忆仪检测油气管道缺陷的结果。并对磁记忆检测 的影 响 因素进行 了研 究 检 测试验 结果表 明 ．磁记 忆检测仪 能 比较 准确地定位 管道缺 陷 提 离对金属 磁记忆检测的影响比较明显．随着提 离值的增加 ，磁场信号越来越弱；扫描速度对检测信号影响较小； 不 同的检 测姿 态对磁 记 忆检 测信 号特 征值 的影响效应 存在较 大差异 ．这对磁记 忆检 测信 号特 征量 的提 取极 为不利 ．建议 开发 三维探 头进行检测 关 键词 油气管道 缺 陷检 测 金属磁 记 忆 无损检 测 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 1 - 2 2 0 6 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 1 4 0 引言 工程实践证明 ．钢质油气管道在长期使用后 ． 由于金属管壁受到流体 冲刷 、电化腐 蚀 、疲劳破 坏 、 自然与人为 因素 以及管材本 身潜在缺陷等影 响 ，会 出现管径变化 、机械裂纹 和腐蚀穿孔等 问 题 ，最终导致输送效率降低 、输送介质泄漏等恶性 安全事故发生 开展埋地管道综合检测技术研究 ． 进行科学有效 的检测 以及制订综合 检测技术与方 案 ．具 有重要 意 义 金 属磁 记忆 检测 技术 是迄 今 为止 在管 道早 期诊 断方面唯一可行的无损检测方法 该方法基于地磁 场环 境 中铁磁 性 管道 受 工作 载荷作 用 出现 磁 畴组织 定向和不可逆取 向现象 ．通过检测应力集 中或变形 区 形 成 的漏 磁 场 变 化 即可 进 行 缺 陷 的 预 报 和 检 测 _ l J 采用金属磁记忆方法对管道缺 陷进行精确测定 ， 是当前油气管道状态检测领域的研究热点 本文深 入分 析 了磁记 忆 检测 的基 本原 理 与优 势 ．对磁 记忆 检测仪用于油气管道缺陷检测进行了试验研究 ．对 磁记忆检测的性能及检测效果进行 了分析 研究了 磁记忆检测仪在检测中的影响因素．为磁记忆技术 在油气储运工程检测中的应用奠定了一定基础 1 磁记 忆检 测 的优 势 磁记 忆检 测 法与传 统 的无 损 检测 方法 相 比最 突 出的优点是可以检测出构件上应力集中区域应力集 中的程度 ．为检测缺陷的存在和发展 、防止灾难性 事故 的发生 、进行结构寿命的早期诊断提供依据 。 磁记忆检测法是 目前对在役设备结构应力一应变状 态进 行早 期 检测 诊断 唯一 可行 的检 测 、评价 方 法 金属磁记忆检测方法与传统的磁学检测方法相 比 ．具有 一些 明显 的优点 1 利 用地 球磁 场 ．无需 专 门 的磁化设 备 ．从 而使检测设备体积小 、质量轻 、成本低 。 2 不需对铁磁性构件和被检设备 的表 面进行 特殊处理 ．可以减少工序 ，降低劳动强度 ，缩短检 测 工期 3 在检测 中可快速确定应力集 中区域 ．适用 于大面积的普查 ．可以快速发现可能产生缺陷的部 位。 4 原理可靠 ，特征信号 明显 ，检测速度快 ， 适合于在线检测 ．去除人为因素 ．检测结果准确性 高 。 5 与超声波检测相 比，传感器与被测表面之 间不需要填充耦合剂 ．因此不存在耦合剂污染 的问 题 。 6 检测时探头与被检测工件不接触 ，且检测 灵 敏度 高 于其他 磁性 检测 方 法 5 2 石 油工 程 建 设 f 7 与漏 磁检 测相 比 。磁记忆 检测 的激 励源 为 大地磁场 ．因此磁记忆检测 不需要专 门的磁化设 备 ．并且灵敏度相当高 。而漏磁检测需要一个强磁 场作为激励源．并且要求能够对被检工件进行饱和 磁化 ．这就决定了漏磁检测设备 比磁记忆检测设备 要 复杂 得多 2 磁 记忆 检测 的原 理 图 l 为处于地磁作用下 的铁磁工件 ，在载荷的 作用下 ．其 内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组 织 定 向 的和不 可逆 的重新 取 向 ．并在 应力 与变 形集 中 区形成最 大 的漏磁 场 H 的变化 。 工件 应力集 中线 图 1 磁记忆检测原理示意 从 图 1可 以看 出 ．漏 磁 场 的水 平 分 量 H 关于 Y轴对称 ，而垂直分量 日。 关于原点对称 且过零值点，因而在 一 即应力最大位置处有H瑚向 日 ， 径向 0， 即表 面 漏 磁 场 的 切 向分 量 具有最 大值 ，而法 向分量 日 y 改变符号 且具有零值点 通过检测构件表面的宏观漏磁场 即 可检测到试件内部应力集中的存在及应力集中的程 度 。实际中通过漏磁场法 向分量 H。 Y 的测定 ， 便可以准确地推断工件的应力集中区。 漏磁场 与机械应力 的变化 A c t 之 间的关系 为[2 - 3 1 At r 一 式 中 △ 应 力 场强度／ MP a ， l 厂真空磁导率／ N ／ A ； A 厂一 磁弹性效应的不可逆分量／ A ／ MP a ， 它是一个取决于机械应力 、外磁场强 度和温度 的函数 ．如果测得某钢种在 常温下的 A 值 ，并测量试件 的磁记 忆信 号后 ．则 可利 用上 述公 式 ．就 可 以导 出缺陷部 位周 围的应力 场强度 尺管道试件的半径， m 漏 磁场 强度／ A ／ m ； 试件 径 向尺寸 ／ m 3 采用 磁记忆 检 测仪检 测油 气 管道缺 陷结 果分 析 金属磁记忆检测仪主要 由传感器 、数据采集系 统及其他辅助部件组成 传感器 主要 由磁敏传感 器 、温度传感器、测速传感器等组成 ，是检测系统 的关键部分 ．将磁场强度信号转换为相应的电压信 号 数据采集系统 由 C P U系统 、滤波器 、放大器 及 A ／ D转换 器 、显 示及 键控 装置 等组 成 。 为尽 可 能地贴 近输 油管 道缺 陷 的实际情 况 ，利 用直径为 2 1 9 mm的无缝钢管加工试验挂片。用管 道切 割器将 2 m的输 油管道切割成 5段 ，每段长 4 0 0 m m．采 用 线 切 割 和 电火 花加 工 工 艺 方 法 在 试 验管道上加工制作不同形状 、不 同深度和不同方 向 的人工缺陷．模拟管道的腐蚀坑 、裂纹缺陷。缺陷 加工完成后对管道试验挂片进行退磁处理 ，消除加 工过 程 中产生 的剩磁 在万 能试 验机 上对试 验 管道 施 加 1 2 5 k N后 卸 载 ．然 后 再 次加 载 ，反 复 上述 过 程 1 0次 ，完成试 验 管道 的应力 加载 。 漏磁场的具体分布见图 2和图 3 鲁 脚 1； L 檀 嫘 2 00 1 5 0 1 0 0 5 0 0 - 5 0 - ．入 ⋯l o 水平距离／ m m 图 2漏 磁 场垂 直 分量 水平距离／ mm 图 3 漏磁场水平分量 图 中横 坐标 表 示 检 测 的 长 度 ．纵 坐 标 表 示 漏 磁 场垂直分量 日 ；C点是试验管道缺陷的中心 位置 从检测结果来看 ，漏磁场的垂直分量 H 。 Y 曲线关于缺陷表面中心位置是基本对称的 ，漏磁场 日 在缺陷两侧距离缺陷中心 1 5 mm左右 的位置 出 现峰值 ；峰值 大小分别为 H 一 1 2 8 A ／ m； 一 1 5 6 A ／ m．即图中的A点和 B点 。图中圆圈位置是 0 0 O O O 0 O O 加 m m 一 目厂 v 一 ＼ 悯 挺嫘 第 3 8卷第 5期 罗顺友等 基于磁记忆技术 的油气管道缺 陷检测研究 5 3 信号 H 过零值点的位置 ，与缺 陷中心线相差 6～ 7 m m随着与峰值点距离的增加 ，漏磁 场垂 直分 量迅 速 减小 而 图 3中的磁 场水 平分 量 曲线是 关 于 缺 陷位 置 的轴对 称 ．在 缺 陷的表 面 中心位 置 有极 大 值 ．随着与表面中心位置距离的增加 ，漏磁场垂直 分量迅速减小为负值 ．然后缓慢增 大，趋于零 检测结果表 明．磁记忆检测仪能比较准确定位 管 道缺 陷 4磁 记忆 检测 的 影响 因素 研 究 目前利用智能磁记忆检测仪对管道进行检测 ． 信号识别和缺陷重构是难点 ，而造成这一难点的是 磁记忆检测的影 响因素多 ，影响效应繁杂 。因此 。 研究金属磁记忆检测各因素对检测信号的影响效应 对推动磁记忆检测定量化研究和缺陷识别具有重要 的意义 本文研究了提离值 、检测速度及检测姿态 对 检测 信 号 的影 响 4 ． 1 提 离对检 测 结果 的 影响 提 离 对 金属 磁 记 忆 检测 的影 响 是 比较 明显 的 ． 如 图 4所示 ．随着提离值 的增加 ，磁场强度法 向 分 量 H 、日 及 其 梯 度 K 岬 越 来 越 小 ，并 且 开 始 时减小 的速度 比较快 ．随着提离值增大 。减 小 的速度变慢 ，即磁场强度 及其梯 度 曲线越平缓 。 H 、日 和 在提离值为 4 mm时开始趋于平 缓 ．并且在 4 7 m m 之 间信 号 比较 明显 ，提 离 值 大 于7 m m后信号较弱 ，不利于检测信号特征值 的分析判断．即磁记忆检测过程 中的最佳提离范围 为 4 ～ 7 m m ～． 廷 l 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 图 4 磁记忆检测信号和 随提 离值的变化趋 势 4 ． 2扫描速 度 对检 测 结果 的影 响 在 其 他 条 件 相 同 的 情 况 下 ． 只 是 扫 描 速 度 不 同 ，使 用 磁记 忆检 测 仪 ，对 管 道试 件 进行 重 复 检测 ，检测 速度 分别设 为 1 0 ram／ s 、3 0 m m ／ s 、 5 0 m m／ s和 7 0 m m ／ s ，H 、H 、K岬 的数值变化 见 表 1 表 1 日 、日一 以及 一 随扫描速度的变化关 系 速度／ mm ／ s 1 0 3 0 5 0 7 0 H一 A／ m 一 5 5 6 3 6 1 - 6 4 H A／ m 1 2 5 1 2 1 1 2 0 1 3 0 √ A ／ m2 1 0 1 1 1 2 1 1 从 统计 的 数据 可 以看 到 ，扫 描速 度 对 K一 、 Ⅳ 及 有一定 的影响 ，但是影响较小 ；该影响 可能与试件表面的粗糙度有关 总的来说 ．扫描速 度 对磁 记 忆检 测 的效果 影 响很小 检 测 速度 的确 定 要依据被测试件表面的状况 ．要保证检测时传感器 与试件表面的距离保持定值 磁记忆检测仪受扫描 速度影响较小的原因在于磁记忆检测的信号是试件 自身的散射磁场 ．其检测速度只受试件表面状况以 及扫描传感器和信号处理元件的反应速度的影响 4 ． 3检 测姿 态对检 测 结果 的影 响 磁记忆管道检测仪在管 内运行时．管道走 向的 水平状态决定了检测仪运行姿态 ．在不同的爬行状 态时 ．与管道轴 向保持垂直的磁记忆检测探头与地 磁场水平面的角度必然发生变化 ．而这种变化必然 对磁记忆检测信号产生影响 试验测量并分析 了检 测姿态对磁记忆检测的影响效应 ，结果见表 2 。 表 2 日 、日 、K 随检 测姿态 的变化 管 道与水平方向夹角， 。 0 1 5 3 0 4 5 6 0 H一 A ／ m 1 5 8 1 5 6 1 5 2 1 5 0 1 4 9 H一 A ／ m 1 2 O 1 1 5 - 9 8 - 8 2 -7 8 A ／ m2 4 2 3 8 3 3 2 8 2 5 通过对检测姿态的试验研究和数据分析 ．发现 检测姿态对磁记忆检测 的影响效应为月一 在水平 状态和垂直状态并没有特别显著 的变化 ； 受检 测姿态的影响 比较 明显 ．在水平状态信号 比较稳 定 ．随着角度增加 。磁记忆检测信号的稳定特征值 A Hp , a 逐渐增大 ；K一 受检测姿态 的影响是 随姿态 角度的增加 ．信号越来越弱 由此可见 ．不 同的检测姿态对磁记忆检测信号 特征值的影响效应存在较大的差异 ．这对磁记忆检 测信号特征量 的提取极为不利 ．出现这种情况的主 要原 因是磁记忆检测探头 目前还处于 1 维和 2维检 测 ．如果能够开发研究 3维检测探头 ．就能够提取 更多有效 的特征量 ．并对特征量进行筛选 ．更好地 避免姿态角度 的影 响 5结束 语 本 文 研究 了金 属磁 记 忆检 测 的基 本 机理 和检 测 0 O O O O 5 O 5 O 砌 m∞0 一 z Ⅲ ， v 一 、 髓爨_ g ， v 一 ＼ 憩 挺 5 4 石 油工 { jf 建 设 金属磁记忆技术在埋地金属管道 应力集中区检测中的应用 杨 勇，尹春峰，姬 杰 中石化股份胜利油田分公司技术检测中心 ，山东东营2 5 7 0 0 0 摘要 在埋地金属管道检测中，非开挖状态下如何检测应力集中区是一个亟需解决的问题 金属磁 记忆技术可以检测地磁场作用下的埋地金属管道应力集中区．通过分析检测到的管道表面磁场法向分 量及其梯度 值可确定应力 集中区位 置 利用 T S C - 4 M 金属磁记 忆检测仪分 别对位于 小区 占压、林地和 穿跨越区域的埋地管道进行 了应力检测，管道应力集中区检测结果与开挖验证结果相符 检测结果表 明。金属磁记忆检测技术可以在非开挖状态下进行埋地金属管道应力集中区检测．能够对管道进行早 期诊断．检测结果准确可靠 关键 词 埋地 管道 应 力集 中 区金属磁记 忆 ；无损 检测 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 2 2 0 6 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 1 5 0 引言 输 油气 管道在实 际工程应用中不可避免地会 受 到疲 劳失 效 的威 胁[ ” 由于疲 劳 裂纹 大 多数 位 于 管道表 面或者近表 面的应力集 中区域 ．且管道 中 存 在的腐蚀 等微观缺 陷也会导致应力集 中．因此 实施应力 检测不仅可 以检 出腐蚀等缺陷 ．还可 以 对管道缺陷进行早期预警 2 0世纪 9 0年代 ．俄罗斯学者杜波夫首先提出 利 用 金 属 磁 记忆 效 应 进 行 金 属 材 料 应 力 检 测 [ 2 - 3 1 金属磁记忆检测技术是一种全新的无损检测手段 ． 该 技 术 主要 利 用 铁 磁 性 金 属 管 道 在 地 磁 场 中所 产 生 的磁 记 忆 效 应 ．通 过 对 管 道 表 面 磁 场 法 向 分 量 进行检测 ，以确定被检管道的缺陷和应力集中区 本 文利用 金属 磁记 忆技术 检测 某输 油处 所辖 管 道 ．结果证明．该技术是一种行之有效的管道应力 状况 检测 手段 ．利 用该 技术 可 以分 析判 断管 道 的疲 劳损伤状态 1 管道 应力 集 中区金属 磁记 忆检 测原 理 铁磁 性金 属材 料在 应力作 用下 ．其 内部会 产 生 位错形成滑移 。在材料内部产生应力集中 金属材 料 中 的应 力集 中区在 地磁 场作 用下 ．将 发生磁 畴 的 自发转 动 ．形 成磁极 ．以磁性 能 的形式 来抵 消掉 部 分应力集 中带来 的弹性能量 即对于铁磁性金属来 说 ．磁机械效应 和磁 弹性效应 的产生是为 了降低 体系本身的 自由能 ．其结果必然会在金属管道表 面 形 成 特 定 的 漏 磁 场 ．从 而产 生 磁 记 忆 效 应【 - 十“ 卜 ”卜 “卜 * ’一“卜 n十 一一 卜 一 ■一” 一一 - 卜 n ’ ～n” 卜 - ． 卜 n - - 4 -” 卜 ” 卜 一- -”“, , - 4 - -““”““- -“”- - - ““ *”一“- 4 -一 - 4 -”一“十一”*4- 信号的特征量 ．对磁记忆检测仪用于油气管道缺陷D i s t r i c t P o w e r S t a t i o n [ J ] ． T h e r i l l a 1 E n g i n g e e r i n g ， 2 0 0 2 ， 4 9 1 2 1 0 2 8 一 检测进 行 了试验 研究 ．对 磁记忆 检 测 的性 能及 检测 效果进行了分析 研究 了磁记忆检测仪在检测 中的 影响因素 ．为磁记忆技术在油气储运工程检测 中的 应用奠定了一定基础 参考 文献 [ 1 ] 王丽 ， 冯蒙丽 ， 丁红 胜， 等． 金属磁记忆检测原理和应用[ J 1 ． 物理测 试 ， 2 0 0 7 ， 2 5 2 2 0 3 0 ． [ 2 1 C h e e h k o l I ． U s i n g t h e me t h o d o f m a g n e t i c m e mo r y o f me t a l t o e v a l u a t e t h e s e r v i c e l i f e o f t h e i t e ms o f p o we r e q uipme n t a t t h e Ko n a k o v o 1 O 3 1 ． [ 3 ] D o u b o v A n a t o l i A ．D i a g n o s t i c s o f me t a l i t e ms a n d e q u i p me n t b y m e a n s o f m e t a l ma g n e t i c me mo r y [ A 】 ． P r o c o f C h S ND T 7 t h C o n f e r e n c e o n ND T a n d I n t e r n a t i o n a l R e s e a r c h S y mp o s i u m [ C ] ． S h a n t o u ， C h i n a Ch S NDT， 1 9 9 9 1 8 1 -1 8 7 ． 作 者 简介 罗 顺 友 1 9 7 4 一 ， 男 ， 河 南郑 州人 ，工 程 师 ， 1 9 9 8年毕业 于西南石油学院 ．主要从事 石油地面 工程施工 及 管理 工作 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 2 9修 l 目日期 2 0 1 2 0 6 一l 8