余方林 于潤橋 廖連文 汪路路

南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室

摘 要： 針對埋地油氣管道因腐蝕泄漏引發安全事故，提出了一種可實際應用于工程的檢測方法——埋地管道非開挖弱磁檢測。通過對弱磁檢測原理和缺陷定位算法的簡敘，驗證了弱磁檢測方法的可行性。利用實驗室自主研發的弱磁檢測儀對預置人工缺陷的管道進行試驗研究，并對管體信號進行定量分析。結果表明，該方法對埋地管道的腐蝕缺陷識別有很好的檢測效果，并實現了管體缺陷的二維成像。

關鍵詞： 腐蝕泄漏；埋地管道；非開挖；弱磁檢測；定量分析

長期埋于地下的油氣管道，發生腐蝕穿孔和應力集中的概率與日俱增，容易發生穿孔泄漏等事故，嚴重時造成爆炸事故和環境污染，使周邊居民生命財產安全受到威脅。為確保地下管網安全運行，急需尋找一種應用于埋地管道的有效檢測手段。本文針對埋地管道非開挖弱磁檢測方法進行了試驗研究，驗證了該方法的可行性。

1 弱磁檢測原理

埋地管道非開挖弱磁檢測技術建立在天然地磁場的基礎上，通過磁信號采集儀在檢測管道正上方進行掃查，采集不同方向上磁感應強度的變化從而判斷檢測管道中是否存在缺陷，并經過數據處理判斷檢測試樣中存在缺陷的位置及大小，是一種無損檢測技術。

假設被檢工件本身的磁導率為μ，工件內部不連續區的磁導率為μ`，若是不連續區為高磁導率物質，即μ`>μ，那么在測磁傳感器通過該區域時，磁感應強度曲線會出現下凹現象;若是不連續區域為低磁導率物質，即μ`<μ，那么在測磁傳感器通過該區域時，磁感應強度曲線會出現上凸現象(圖1)。

圖 1  弱磁檢測原理

為了更好地提高金屬管道中存在的缺陷磁場變化分辨率，提出了磁力梯度張量的測量系統，磁梯度張量測量系統對象是磁場矢量分量的梯度，第一它不受總場測量的約束，所測量的結果反映的是目標體的矢量磁矩信息；第二張量元素受地磁場的傾角、偏角影響小，以下是磁梯度張量的理論研究。

地磁場有方向和大小矢量場，磁梯度張量就是磁場強度在三維空間中的三個分量Bx、 By、 Bz在空間兩兩垂直的三個方向（x,y,z）上的變化率，它構成一個三階矩陣，共9個元素，記為G，表示如下：

由式(2) 、(3) 、(4)可知，在磁梯度張量的9個元素中只有5個分量是相互獨立的。所以只要知道5個獨立分量，就可以求得磁梯度張量的值。地磁場的梯度值比磁異常的梯度值小很多，一般為20 nT/km。在這個原理的基礎上，采用十字形磁梯度張量結構（圖 2），該結構因計算簡單，測量精度高等特點被廣泛運用在磁梯度測量中。

圖2 傳感器十字型測量結構

如圖 2所示， B0、 B1、 B2、 B3為三軸式磁通門傳感器，每個三軸磁通門傳感器均由3個單軸三端式磁通門傳感器組合而成。根據公式（1）、（3）差分近似可得以下結果：

2 試驗儀器

試驗儀器為實驗室自主研發的高精度埋地管道弱磁檢測儀（圖 3），主要包括測磁傳感器和數據分析上位機。為了更好的接近實際工程，由某熱力集團提供試驗場地，將預置人工缺陷的管道埋入地下進行數據采集。為保證傳感器的穩定性，搭建軌道使傳感器從管道上方平穩通過。

1.數據分析上位機； 2.測磁傳感器。

圖 3  埋地管道弱磁檢測儀

當被檢管道本身不存在腐蝕及其他類型缺陷時，檢測曲線變化較為均勻。當存在腐蝕缺陷時，該區域磁場發生異常變化，經數據分析軟件處理后實現二維成像，可對腐蝕減薄的位置及深度進行定量研究。

3 試驗研究

某熱力公司管道長3 000 mm、外徑610 mm、壁厚8.8 mm,在其管道上方加工了5個人工缺陷。圖 4為試驗管道的俯視圖，各位置缺陷類型和腐蝕深度見表1。

圖 4  試驗管道尺寸及缺陷點

為了保證試驗數據的準確性，用逐漸埋土的方式，分別進行了埋深1 200 mm、 1 500 mm、 1 800 mm試驗。首先將預置好缺陷的管道放入已挖好的土坑內，然后在管道正上方鋪設非鐵磁性材料軌道，通過自制小車在軌道上帶動弱磁傳感器在管道上方勻速移動，將傳感器接收到的數據經過數據采集器傳輸至上位機。上位機內安裝有弱磁檢測數據處理軟件。考慮到試驗過程中因為管道端頭效應，造成信號啟停處的突變，在數據處理時將端頭效應的信號屏蔽，防止影響整體信號造成對檢測結果的誤判。圖 5是試驗現場，左側是試驗前在管道上方預置的5個缺陷。圖 6是埋深1 800 mm檢測數據處理結果。

圖 5  試驗現場

（a）原始曲線圖

（b）梯度信號圖

（c）二維成像圖

圖 6  埋深1 800 mm檢測結果

由圖6（b）梯度信號圖可知，檢測初期經過處理的梯度信號相對比較平穩，磁梯度范圍在﹣100～+100nT內，沒有超過判斷閾值。此后，經過處理的磁梯度信號在550～770mm、1050～1250mm、1550～1700mm、1870～1 920 mm、 2 300～2 400 mm處相對于其他區域存在明顯的峰值，這與人工缺陷管道上的缺陷位置相符。由于檢測過程中由人工推動磁傳感器在管道上方移動，不能保證是完美的勻速運動，故最后的檢測結果與試驗前預置的管道缺陷位置會存在誤差。從檢出效果和檢出率看，該檢測技術具有工程實用性。

4 現場試驗

2015年采用非開挖弱磁檢測方法在河南濮陽某段已停運管道進行試驗。

檢測管道分兩排共6段，兩排長度都是3 800 mm，壁厚3.0～4.5 mm，管道埋深1 500～1 700 mm。其中： 1#、 3#管道表面有防腐層，直觀無法看見管道缺陷位置； 2#鋪設年份較久，表面腐蝕非常嚴重； 4#表面無明顯缺陷 ，5#有三處鋸槽（10×0.4×0.3 mm）， 6#有5處穿孔缺陷，其中2處同時含有兩個直徑6～7 mm孔洞（圖 7）。

圖7 檢測試驗現場

現場檢測結果和開挖驗證如圖 8所示。

（a）檢測結果

（b）開挖管道

圖 8  現場檢測結果和開挖驗證

在檢測段293 mm、 1 026 mm、 2 198 mm、2 481 mm、 2 931 mm、 3 495 mm處顯示異常信號。由圖 8可以看出， 3處區域的磁場梯度值變化明顯，信號趨勢突出。經過開挖驗證，腐蝕缺陷位置誤差小于5 cm，對于長輸埋地管道可以接受。

2017年，用非開挖弱磁檢測儀對內蒙古某在役輸油管道進行檢測。檢測段距離3 600 mm，管道埋深1 600 mm，管徑89 mm，壁厚6 mm。利用減震平衡器輔助傳感器在管道上方采集磁場數據。根據檢測結果找出腐蝕嚴重的點，隨后開挖驗證，結果見圖 9。

（a）檢測結果

（b）開挖驗證現場

圖 9  檢測結果和開挖驗證現場

可以明顯看出，在檢測段1 000 mm和2 300 mm處梯度信號突變。磁梯度變化值分別達到了500 nT 、700 nT。但是管道表面依然光滑，剖開管道后發現管道為內腐蝕，腐蝕深度占原始壁厚的74%。

5 結論

通過對弱磁檢測和磁梯度張量檢測原理分析，利用統計學方法，得出缺陷判斷依據，磁梯度值超過閾值則判斷為缺陷。并對腐蝕類缺陷進行二維成像處理，將檢測結果更加直觀的顯示出來。

自主研發高精度埋地管道弱磁檢測儀，經現場試驗和開挖驗證，表明對管道腐蝕有較高的檢出率，可用于在役管道腐蝕檢測和停運管道隱患排查。

作者：余方林，男，碩士研究生，就讀于南昌航空大學教育部重點無損檢測實驗室，主修儀器儀表工程專業。研究方向： 埋地管道非開挖弱磁研究。