于潤橋，徐偉津，胡 博，廖 城，付 鑫，何恩達(dá)

(無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063）

0 引言

帶包覆層管道在石油、化工和電力等行業(yè)廣泛使用，但由于腐蝕、侵蝕等因素引起的壁厚減薄嚴(yán)重威脅著其運(yùn)行的安全性;因此，對包覆層管道進(jìn)行定期無損檢測至關(guān)重要。

由于帶包覆層管道所固有的特殊性，常規(guī)的無損檢測技術(shù)都需要先去除管道外的包覆層再進(jìn)行檢測，并且常規(guī)無損檢測方法都不能滿足對在役帶包覆層管道的檢測需求［1］。近幾年，國內(nèi)外研究人員在不拆除包覆層條件下對管道腐蝕缺陷的檢測也取得了一些進(jìn)展，例如超聲導(dǎo)波、X射線和智能豬爬行器等。超聲導(dǎo)波檢測在安裝導(dǎo)波探頭時(shí)需要拆除部分管道表面的包覆層，并且低頻導(dǎo)波在檢測長距離管道時(shí)對于小面積腐蝕和均勻性腐蝕區(qū)域檢出率較差［2-3］;X射線檢測由于輻射量大及檢測成本高等原因，在實(shí)際應(yīng)用中不便使用;智能豬爬行器對于被檢帶包覆層管道幾何形狀要求較高，且需停機(jī)檢測［4-5］。

微磁檢測技術(shù)是諸多學(xué)科相互交叉發(fā)展形成的新型工業(yè)檢測技術(shù)，具有操作簡單、檢測速度快、費(fèi)用低、不需要耦合劑，對管道輸送的介質(zhì)不敏感，可在一定提離高度的情況下進(jìn)行檢測等優(yōu)點(diǎn)。本研究提出了一種在地磁場環(huán)境下帶包覆層管道中腐蝕缺陷的微磁無損檢測方法，通過對預(yù)制腐蝕缺陷的檢測和分析包覆層厚度對磁場強(qiáng)度衰減的影響，為研究包覆層厚度對微磁檢測靈敏度的影響和腐蝕缺陷定量分析提供借鑒。

1 微磁檢測原理

當(dāng)被檢管道試件置于均勻的地磁場中，若管道的材質(zhì)是連續(xù)、均勻的，磁力線將均勻分布在管壁內(nèi)部［6］。若管道試件中存在腐蝕缺陷，如圖1所示，H0為遠(yuǎn)離管道腐蝕缺陷處的磁場強(qiáng)度，H1為管道腐蝕缺陷處的磁場強(qiáng)度。當(dāng)管道試件中存在腐蝕缺陷時(shí)，由于母材的磁導(dǎo)率(鐵磁性材料相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1)與腐蝕缺陷處磁導(dǎo)率(缺陷處空氣為無磁性材料相對磁導(dǎo)率約為1)不同，腐蝕缺陷處磁導(dǎo)率小，磁阻大，磁力線將會(huì)改變路徑，優(yōu)先從磁阻較小的腐蝕缺陷底部管道壁內(nèi)通過，剩余部分磁力線將會(huì)從腐蝕缺陷部位溢出管道外壁［7-8］。使用微磁檢測儀在管道外壁進(jìn)行掃查，即可發(fā)現(xiàn)磁場異常區(qū)域。

圖1 含腐蝕缺陷處磁場的異常變化Fig.1 The abnormal changes of magnetic field with corrosion defect

2 檢測試件設(shè)計(jì)

選用材質(zhì)為45鋼的管道進(jìn)行試驗(yàn)，管道尺寸為 φ132 mm ×4 950 mm，加工了 A、B、C、D 4 處深度不同、面積相同的人工缺陷模擬管道腐蝕。

各腐蝕缺陷周向幅度均為360°，其軸向長度為100 mm，腐蝕深度分別為2.04、1.83、1.51、1.18 mm。對管道預(yù)制人工缺陷后，制作不同厚度的包覆層進(jìn)行檢測。保溫層材料選用石棉，最外層的金屬保護(hù)層材料選用厚度為1 mm的鋁皮。所設(shè)計(jì)的試件如圖2所示。

圖2 含人工腐蝕缺陷的帶包覆層管道Fig.2 Cladding layer pipelines with artificial corrosion defects

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 缺陷大小對檢測信號(hào)的影響

本試驗(yàn)使用自主研發(fā)的微磁檢測儀檢測含腐蝕缺陷的包覆層管道，檢測探頭選用高精度測磁傳感器，使用單通道微磁檢測儀在手動(dòng)掃查的方式下對含腐蝕缺陷的帶包覆層管道進(jìn)行檢測，測量管道法向方向的磁場強(qiáng)度變化。對存在4處(A、B、C、D)腐蝕缺陷的管道在包覆層厚度不同的情況下進(jìn)行多次檢測。

試件為預(yù)制腐蝕缺陷的管道，包覆層厚度為20 mm，試驗(yàn)檢測結(jié)果如圖3所示，圖中信號(hào)曲線是由管道端頭磁極、缺陷所導(dǎo)致磁場的變化、地磁場3個(gè)因素綜合所形成。從圖中可知，磁場強(qiáng)度處為－200000～240000 nT，從左往右整體存在下降趨勢:由于管道處于地磁場環(huán)境中被磁化，在管道的2個(gè)端頭形成2個(gè)磁極即N極和S極，磁場從N極出S極進(jìn)，測磁探頭在包覆層外側(cè)垂直管道中心線，從管道端頭所形成的N極到S極進(jìn)行檢測，所以磁場強(qiáng)度逐漸減小。圖中局部區(qū)域磁場急劇的變化是由于缺陷所導(dǎo)致，檢測曲線存在4處磁場急劇變化，其位置與管道預(yù)制缺陷的位置一一對應(yīng)。檢測過程中由于手動(dòng)掃查速度不均勻，而微磁檢測儀數(shù)據(jù)采集的頻率為定值，導(dǎo)致檢測時(shí)缺陷定位與缺陷實(shí)際所在的位置存在微小的偏差。圖3中磁異常信號(hào)1、2、3、4處所產(chǎn)生的信號(hào)幅值分別為 124 940、90 980、84990、66 750 nT，與缺陷A、B、C、D的大小對應(yīng)。

圖3 微磁檢測儀對帶包覆層管道腐蝕缺陷的檢測結(jié)果Fig.3 Detection results of corrosion defects in pipelines with cladding layers by micro magnetic detector

3.2 包覆層厚度對磁場強(qiáng)度衰減的影響

微磁檢測探頭在包覆層外側(cè)對管道進(jìn)行檢測，包覆層厚度(等效于提離高度)對測磁探頭所采集的磁場強(qiáng)度有影響。為分析其影響大小，建立包覆層厚度與磁場強(qiáng)度的物理模型，并通過理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。分析包覆層厚度與磁場強(qiáng)度衰減的關(guān)系，有益于對帶包覆層管道腐蝕缺陷做定量分析，同時(shí)可以分析包覆層厚度對檢測靈敏度的影響。

管道在地磁場的環(huán)境下被磁化，若管道存在腐蝕缺陷，其缺陷處會(huì)形成2個(gè)磁極，即一個(gè)N極一個(gè)S極。如圖2中所設(shè)計(jì)的360°橫向刻槽腐蝕缺陷，缺陷處的磁場可以等效于圖4所示的一個(gè)永磁環(huán)所產(chǎn)生磁場分布，缺陷處的磁場模型可以等效于點(diǎn)偶極子在圓弧上的積分［9］。

圖4 永磁環(huán)模型Fig.4 permanent magnet ring model

相距2b的2個(gè)極性相反的磁荷形成一個(gè)點(diǎn)偶極子(圖5)，由磁的庫倫定律可知，磁荷qm在空間任一點(diǎn)A的磁場可以表示為

由公式1可求得，點(diǎn)偶極子在空間A處y方向的磁場分量為

點(diǎn)偶極子的積分模型如圖6所示，圖中的圓為腐蝕缺陷永磁環(huán)的橫向截面，檢測探頭在圖中的N處正對永磁環(huán)，包覆層厚度為h，a、b點(diǎn)為通過N點(diǎn)的直線在圓弧上的2個(gè)切點(diǎn)處產(chǎn)生的磁力線可被在N處的檢測探頭所測得。在鐵磁性材質(zhì)的管道中處產(chǎn)生的磁力線需穿透兩層管壁到達(dá)被測點(diǎn)N，由磁屏蔽原理可知處產(chǎn)生的磁力線到達(dá)N處的磁場強(qiáng)度非常小［10］，可以忽略不計(jì)。

圖5 點(diǎn)偶極子模型Fig.5 Point dipole model

圖6 點(diǎn)偶極子積分模型Fig.6 Integral model of point dipole

式中:R為被檢測管道的半徑;x為檢測位置N離永磁環(huán)在x軸方向中心點(diǎn)橫向截面的相對位置;b為缺陷在軸向方向長度的一半;r為檢測探頭離缺陷處的距離(即包覆層厚度);h為被積分點(diǎn)M到探頭所在位置N的距離。

把管道預(yù)制缺陷A的相關(guān)系數(shù)代入公式(3)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如圖7所示，圖中x軸表示檢測位置N離永磁環(huán)在x軸方向中心點(diǎn)橫向截面的相對位置，r軸表示檢測探頭離缺陷處的距離(即包覆層厚度)，Hy表示測磁探頭所測得的磁場強(qiáng)度。從圖7中可知磁場的最大值、最小值是在提離高度為零的情況下分別對應(yīng)刻槽缺陷的兩端;磁場強(qiáng)度隨著測磁探頭與被測管道距離的增大而減小。

圖7 物理計(jì)算模型結(jié)果圖Fig.7 Results figure of physical calculation model

通過理論模型與試驗(yàn)進(jìn)行對比的方式驗(yàn)證了模型建立的準(zhǔn)確性。對管道預(yù)制缺陷A，在x為40 mm處，包覆層厚度不同的情況下，使用微磁檢測儀進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。圖8中的曲線是在圖7中x為40 mm處的曲線加上20050 nT所得，而20050 nT的磁場是由地磁場和管道兩端端頭所形成的兩個(gè)磁極對被測位置影響的結(jié)果，從我國1980年編制的中國地磁圖中查得南昌垂直地磁場強(qiáng)度為31 520 nT，根據(jù)管道磁場模型求得由于管道被磁化形成的磁極在被測處磁場強(qiáng)度為－11 470 nT，可求得在被測處由于非缺陷因素所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為20050 nT。由圖8可知理論模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，最大相對誤差為8.5%。

圖8 理論模型與試驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.8 Contrast figure between theoretical model with test results

4 結(jié)論

1)提出了一種在地磁場環(huán)境下對帶包覆層管道腐蝕缺陷檢測的新方法。該方法在不拆除包覆層的情況下能很好地檢測出管道上的腐蝕缺陷，并通過試驗(yàn)的方式證明了異常信號(hào)幅值的大小隨著腐蝕缺陷的增大而增大。

2)通過理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，證明了當(dāng)測磁傳感器在包覆層外側(cè)對管道進(jìn)行檢測，所采集缺陷處異常信號(hào)的大小隨著包覆層厚度的增大而減小。

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