基于磁记忆方法的油气管道内检测试验研究.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 试验研究 基于磁记忆方法的油气 管道 内检测试 验研 究 张 兰 张来斌 樊建春 温 东 贾运行 孙 吉业 中国石 油大学 北京 机 电工程 学院 摘要 管道 内检测技术是应用最为广泛 的维护管道 安全性与完整性的有效方法。鉴于 目前管 道内检测采用超声波、漏磁检测方法对于管道损伤评价存在 的局 限性，提 出采用金属磁记忆方法 进行检测。金属磁记忆方法通过记录地磁场作用下的金属构件表面的漏磁场信息，可对构件微观 缺陷和应力与变形集中区进行辨别。应用 自主研发 的 b 6 1 0 m m管道磁记忆 内检测装置进行 了现场 牵拉试验研究。结果表明，所设计的内检测装置具 有 良好的可靠性与管道通过性 ，并能通过 多通 道数据分辨 出不同类型的缺陷特征 ，采用磁记忆方法进行管道 内检测在技术上是可行的，具有 良 好 的开发应用前景。 关键词磁记忆 油气管道 内检测 漏磁检测 0 引 言 管道内检测技术是应用最为广泛的维护管道安 全性与完整性 的有效方法 。 目前管道 内检 测多 采用超声波 、漏磁 检测 方法。超声波检测准 确性 高 ，但需要耦合剂 ，不适用于天然气管道 ，且检测 前需彻底清除管壁上的蜡 ，不适应我国原油含蜡较 高的特点。漏磁技术可检测出管道腐蚀 、擦伤引起 的金属缺失类缺陷，应用较为简单 ，对检测环境要 求不高，同时适用于输油和输气管道 ，但需要将管 壁磁化饱和 ，检测精度受到管道壁厚 、检测器运行 速度的影响 ，并且对很浅以及长而窄的缺陷检测精 度较差 J 。针对超声漏磁 内检测技术对 于管道损 伤评价存在的局限性 ，国外管道检测公司相继开发 出各种新型 内检测装置 电磁超声 、超声 导波和 远场涡流等 ，同时管道应力状况 的直接检测和评 估成为关注的热点问题 。 金属磁记忆方法通过记录地磁场作用下金属构 件表面的漏磁场信息 ，可对构件微观缺陷和应力与 变形集 中区进行辨识 J 。笔者采用磁记忆方法进 行油气管道 内检测 ，应用 自主研发 的 b 6 1 0 m l T l 管 道磁记忆 内检测装置进行 了现场牵拉试验研究 ，测 试了装置的可靠性与管道通过性能，综合多通道数 据对缺陷信号进行辨别分析。 1 管道磁 记忆 内检测 磁记忆检测方法对于管道早期损伤具有独特的 敏感性 ，具有低功耗、高灵敏度 、非接触、无磁化 和对管道清管次数要求低等优点。其主要原理是在 地磁场和工作载荷的共同作用下，金属构件 的应力 与变形集中区域产生不可逆 的磁状态变化 ，在缺陷 表面形成反映构件应力分布情况的 自有漏磁场。通 过对 自有漏磁场信息的检测与信号特征分析 ，可以 对管段的应力集中程度 以及是否存在微观缺陷进行 评价 ，从 而能有效地避免由于意外疲劳损伤而引发 的管道恶性事故。 笔者 自主开发 了 b 6 1 0 mm管道 内检测装置 ， 并进行了管 内运行仿真 j 。装 置整体采取分节结 构形式 ，由2个测量节和 1 个皮碗清管器组成 ，各 节之间采用万向联轴器相连接 ，如图 1所示 。每个 测量节长 8 2 0 m i l l ，质量为 1 6 8 k g ，运行速度 0 ． 2～ 5 ． 0 m／ s ，最小通过缩径 5 1 0 m m，装配 4 5个 9 5 传感器。 皮碗清管器在管道 内前后气体压差的推动下 ， 带动测量节在管内运行。前后连接的测量节结构尺 寸相同，2个检测环交叉排列 ，均匀覆盖整个管壁 基金项 目国家 8 6 3计划资助课题 “ 基于强磁记忆效应 的管道损伤检测及评价关键技术 ” 2 0 0 6 A A 0 6 Z 2 3 8 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第5期 圆周 。 二 ／ ／J／ ／A／ ／／ ／ r， 1 2 3 4 5 图 1 管道磁记忆 内检 测装置原理 图 1 一皮碗清管器 ；2 一支撑轮 ；3 一 测量 节 ； 4 一检 测环 ； 5 一 里程轮 。 2 试验方案 牵拉试验管道长 1 0 0 m，管径为 6 1 0 mlT l ，由 1 0根管段连接组成 ，管段之间采用法 兰或者焊接 连接。管道的内外管壁上分别预置圆孔 、沟槽等不 同形状和不同大小的外缺陷。内检测装置在管内分 别进行 0 ． 5、3 ． 0 m ／ s 的牵拉测试 。 牵拉试验过程中，内检测装置在卷扬机牵拉下 以恒定的速度在管 内运动，对管壁缺陷进行检测。 当内检测装置牵拉至另一边管道端 口时，用叉车将 其运送至试验管道初始端 口。 3 试验结果分析 3 ． 1 数据平滑与滤波 磁记忆检测是对管道损伤处散射出的自有漏磁 场这类弱磁信号进行测量 ，这容易受到周围环境和 装置系统噪声的影响，混人不同程度的电磁干扰信 号 ，影响管道损伤特征提取 ，因此 ，需对磁记忆信 号进行数据平滑与滤波降噪。首先采用最小二乘法 原理对检测数据进行五点滑动平均线性平滑，消除 信号曲线的毛刺和孤立型野值。然后采用半软阈值 小波降噪方法滤除噪声信号 。截取一段管道缺 陷的磁记忆信号数据 ，采用上述方法处理后的数据 如 图 2所示 。 3 ． 2 数 据归一化 缺陷磁记忆信号 由安装在内检测装置周 向的呈 阵列式的传感器采集记录。由于不 同管段的剩磁大 小存在差异和传感器芯片电路系统误差 ，所以即使 传感器采集值相同 ，大小相同缺陷的磁记忆信号绝 对幅值也会有所不同，如图 3所示 。 由于缺陷量化过程 中缺陷参数计算 、设定阈值 等处理过程都是以原始的磁记忆信号为依据 ，所 以 需要对磁记忆信号 进行归一化处理 这里指统一 传感 器基线 水准 ，而非数 据大小在 0～1之 间 ， 以消除传感器之间的这种基线差异 。 之 墨 ．o 姆 5 ．5 6 5 粤 6 ． 0 心 5 5 6 童 6 小 妲 5 啼⋯ 0 0 5 1 ．0 1 ． 5 2 ．0 2 ． 5 3 ． 0 3 ．5 4 ． 0 时 间／s a平 滑前 l I } I I I I l _ 0 r ● } 协 母 啼 一 0 0 5 1 ． 0 1 ． 5 2 0 2 ． 5 3 ． 0 3 5 4 ． 0 时 间／S b ． 平滑后 一 ∥ 善 擘 j 0 声 痧-一 i 时间／ s C 滤波后 图 2 管道损伤磁记 忆信号平滑前后波形对 比 图 3缺 陷管段 磁 记 忆 原始 信 号 3 ． 2 ． 1 消除信号基 线 漂移 设磁记忆信号数据为 { } k 1 ，2 ， 3 ，⋯， 1 7, ，趋势项函数为 0 o。 l k0 2 ⋯ a m k m 1 确定 函数 的各 项待 定系 数 。 J ． 0 ，1 ，⋯， m ，使得 与数据 的误差平方和最小，即 E∑ 一 ∑ ∑ 一 2 满足 E有极值 的条件为 O E 2 0 i1 ， 2 ， 3 ， ⋯ ， m 3 由此可得 m1 元方程组 ∑∑ 一∑x k k 0 4 从而 可求 得 趋 势项 函数 系数 c t j 0 ，1 ，⋯， m 。这 里取 m 3 。 3 ． 2 ． 2 消除传感器间差异 设管道内检测装置周 向总共布置了 Ⅳ个磁记 忆传感器 ，5 为来 自第 i 个传感器信号 已消除基 线漂移 。而为Ⅳ个传感器总体信号平均值，m ， 为 2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 张 兰等 基于磁记 忆方法的油气管道 内检 测试 验研 究 第 i 个传感器信号平均值 。则归一化后的第 i 个传 感器信号为 S S ／ 7 ／, i1 ， 2 ， ⋯ ， J r 5 由于每 5个传感器组成 1 个单元 ，所以计算时 取 N 5 。 采用 上述方法处理后 的归一化数 据如图 4所 示。为避免数据重叠难 以辨认 ，将整体缺陷信号表 示成瀑布图形式 ，如图 5所示。从 图5可以清楚地 分辨出管道上不同类型的缺陷信号 。 图4 缺 陷管段磁记忆 归一化信号 图 5 归 一 化信 号 瀑 布 图 3 ． 3不同类型缺陷信号特征 3 ． 3 ． 1 直焊缝 与 法 兰 当内检测装置通过管段与管段间的直焊缝和法 兰时 ，磁记忆信号幅值都会突然增大。图 6是不同 管段连接部位信号图。 型 舶Ⅱ 上j。 J ⋯ L 。 L ． 上 。 ⋯ L l 1 1 时 1 珂／ S b． 4 ～8 管段 图 6 不 同管段连接部位信号 图 图6 a 为 l ～ 4缺陷管段磁记忆信号图，其中管 段 1 、2和管段 2 、3之 间是直焊缝连接 ，管段 3 、 4之间是法兰连接 。图 6 b为 4～8缺陷管段磁记忆 信号图 ，其中管段 4、5之 间是直焊缝连接 ，管段 5 、6 、7 、8之间是法兰连接。 直焊缝和法兰信号波形有以下特征① 当通过 管段之间的直焊缝与法兰连接时 ，多通道的磁记忆 信号同时出现一个突变的波峰；②直焊缝所对应的 磁记忆信号波峰值相对法兰所对应 的磁记忆信号波 峰值要小，并且法兰信号波峰值会超出传感器量程 范围，出现饱和。 3 ． 3 ． 2螺旋焊 缝 螺旋焊接钢管是指用钢带或钢板弯曲变形为圆 形或方形等形状后再焊接成的表面有接缝 的钢管。 虽然焊接钢管比直缝焊管生产工艺复杂 ，生产效率 低，成本高 ，但 由于螺旋焊管 的强度 比直缝焊 管 高 ，并且能用较窄的坯料生产管径较大的焊管 ，所 以大 口径油气输送管道大都采用螺旋焊管。图 7为 1 根螺旋焊缝管道外观示意图。图 8为 1 段含缺陷 的螺旋焊缝管段的磁记忆信号。 图 7 螺旋焊缝管道示意 图 图 8螺 旋 焊 缝 检 测 信 亏 图 螺旋焊缝信号波形具有以下特征 ① 当内检测 装置运行检测至管道螺旋焊缝时，检测信号在相邻 的多个传感器 中同时出现波峰 ，波形大小相同且有 小角度的相位差；② 内检测装置牵拉速度恒定 ，对 应 7个连续螺旋焊缝的波峰之间的间距相同。③螺 旋焊缝的磁记忆信号波峰值比较大，掩盖了微小缺 陷所对应的磁记忆信号 ，分析管道缺陷时应去除。 3 ． 3 ． 3 圆孔类缺 陷 单个传感器单元 包含 5个传感器 通过 圆 孔缺陷的磁记忆信号如图 9所示 原始信 号已经 过归一化 处理 ，Y轴 信号 偏置 幅度 为 1 ． 2 V，下 同 。圆孔尺寸如表 1 所示。 表 1 圆孔尺寸 m m 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 孔径 3 0 3 0 3 0 3 0 5 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 深 度5 ． 0 5 ． 6 6 ． 5 7 ． 0 3 ． 4 0 ． 7 1 ． 5 2 ． 2 4 ． 6 7 ． 0 石油机械 2 0 1 0年第3 8卷第 5期 ＼ j型 n 迎 里 咖 堡 9 圆孔 缺 陷检 测 信 号 图 圆孑 L 类缺陷信号波形有以下特征 ①圆孔缺陷 信号表现为突变的波峰 ，波峰大小与圆孔尺寸大小 有关 ；②受传感器敏感范围限制，能够检测出孔径 为 3 0和 5 0 m m圆孔 ，孔径为 5 mm圆孔磁记忆信 号不明显 ；③由于传感器距离圆孔缺陷位置远近不 同，同一圆孔对应的不同传感器检测信号波峰幅值 存在差异 ，距离越近幅值越大 ；④缺陷信号峰值与 孔径深度大小有关 ，并且成正比例关系。计算 3号 传感器 正好通过圆孔缺 陷信号的梯度 峰峰值 与孑 L 径 、深度的关系，如图 1 0所示 。 嚣 j型 图 1 0圆孔深度与梯度峰峰值 关 系图 3 ． 3 ． 4沟槽 类缺 陷 单个传感器单元通过沟槽缺陷的磁记忆信号图 如图 1 1所示 。沟槽 宽均为 1 0 ra i n ，深 度也相 同， 长分别为 1 0 、3 0、4 0 、5 0、8 0 、1 0 0和 2 0 0 m m。 之 墨。 咖 迎 垦一1 采 集 点 图 1 1 沟槽缺陷磁记 忆信 号图 沟槽类缺陷信号波形有以下特征①沟槽类缺 陷信号表现为突起的矩形方波，方波宽度、幅值与 沟槽尺寸大小有关 ；②相同深度 、宽度条件下 ，沟 槽越长 ，信号方波的波宽越大。 4 结 论 1 b 6 1 0 m m管道磁记忆 内检测装置机械外 形设计合理 ，结构简单紧凑 ，具有 良好的管内通过 能力，装置启动和运行所需牵引力较小。 2 该装置可 以有效地检测 出螺旋焊缝 、管 道连接部位以及圆孔 、沟槽等不同深度、不同大小 的人工模拟管道缺陷，检测分析结果与管道实际刻 伤情况相符。 3 牵拉试 验结果表 明，采用磁记忆方法进 行管道 内检测在技术上是可行的，具有 良好的开发 应用前景。下一步将继续改进检测装置对实际管道 的适应能力 ，完善强磁记忆 内检测装置的缺陷定位 技术 ，提高缺陷的量化识别水平。 参考文献 [ 1 ] 严大凡，翁永基，董绍华 ．油气长输管道风险评价 与完整性 管理 [ M]．北京 化学工业 出版社， 2 0 05 12 0． [ 2 ] 宋生奎，宫敬 ，才建，等 ．油气管道内检测技 术研究进展 [ J ]．石油工程建设，2 0 0 5 ，3 1 2 1 01 4． [ 3 ] C r o u c h A E，B e u k e r T ． I n L i n e S t r e s s M e a s u r e m e n t b y t h e C o n t i n u o u s B a r k h a u s e n Me t h o d [ C]． P r o c e e d i n g s o f I PC 2 0 0 4 I nt e r n a t i o n a l Pi p e l i n e Co n f e r e n c e， Oc t o b e r 48， 2 0 0 4，Ca l g a r y， Al be r t a， Ca na d a ． [ 4 ] B e u k e r T ，B r o c k h a u s S ，A h l b r i n k R，e t a 1 ． A d d r e s s i n g Ch a l l e n g i n g En v i r o n me n t s Ad v a n c e d I n Li ne I n s p e c t i o n S o l u t i o n s f o r G a s P i p e l i n e s [ C]． P r o c e e d i n g s o f ．t h e 2 4 t h Wo r l d Ga s Co n f e r e n c e ， Oc t o b e r 59， 2 0 0 9， Bue n o s Ai r e s，Ar g e n t i n a ． [ 5 ] B a b b a r V，S h i a r i B，C l a p h a m L ． Me c h a n i c a l D a m a g e De t e c t i o n w i t h Ma g n e t i c F l u x L e a k a g e T o o l s Mo d e l i n g t h e E f f e c t o f L o c a l i z e d R e s i d u a l S t r e s s e s『 J 1． I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s ，2 0 0 4， 4 0 1 4 3 4 8 ． [ 6 ] 张卫民，董韶平，张之敬 ．金属磁记忆检测技术的 现状与发展 [ J ]．中国机械工程，2 0 0 3 ，1 4 1 0 8 9 28 9 6． [ 7 ] 贾运行 ，张来斌 ，樊建春 ．多支撑 轮式 管道机器 人 运动仿真 [ J ]．石油机械，2 0 0 9 ，3 7 8 3 9 41 ． [ 8 ] 潘泉，张磊，孟晋丽，等 ．小波滤波方法及应 用[ M]． 北京 清华大学出版社 ，2 0 0 5 5 8 6 1 ． 第一作者简介 见本刊 2 0 1 0年第 4期 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 2 6 本文编辑刘锋