邵衛(wèi)林,陳金忠,馬義來(lái),何仁洋

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 壓力管道事業(yè)部，北京 100029)

管道盜油孔的漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別

邵衛(wèi)林,陳金忠,馬義來(lái),何仁洋

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 壓力管道事業(yè)部，北京 100029)

介紹了漏磁內(nèi)檢測(cè)的原理和漏磁信號(hào)的特性，利用環(huán)焊縫和磁路方式相結(jié)合的方法判讀特征信號(hào)的極性，再利用特征信號(hào)一致性的比較原則，并結(jié)合特征信號(hào)的特征和盜油孔的方式，有效識(shí)別出管道盜油孔的信號(hào)，避免管道盜油孔信號(hào)的誤判和漏檢，為今后成品油管道漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和信號(hào)識(shí)別提供技術(shù)支持。

內(nèi)檢測(cè)；管道；漏磁；盜油孔；識(shí)別

石油天然氣的管道運(yùn)輸是我國(guó)五大運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起支柱性的作用。油氣管道的安全生產(chǎn)對(duì)國(guó)家具有重要意義，因管道的特殊性，從地域和時(shí)間上都難以做到全天侯監(jiān)測(cè)，加之大多數(shù)管道深埋地下，地表巡視的安保效果也難以保證，油品的盜采成為油氣管道安全生產(chǎn)的一大隱患，且隨著盜油技術(shù)的進(jìn)步，盜油方式越來(lái)越隱蔽，每年為國(guó)家和企業(yè)帶來(lái)很大的油品經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)盜油孔對(duì)管道設(shè)備的維護(hù)、安全生產(chǎn)以及環(huán)境保護(hù)，都造成了巨大的隱患[1]。

采用管道外檢測(cè)的組合檢測(cè)技術(shù)、利用檢測(cè)的防腐層破損情況進(jìn)行盜油孔判斷的方法不僅可靠性低，且對(duì)于修復(fù)完好的外防腐層，此方法無(wú)效[2]；采用傳統(tǒng)的壓差法和聲波輻射方法漏報(bào)率較高，靈敏度較低，在盜油者深知防盜檢測(cè)方法的情況下，該方法易被破解[1]。漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)以其對(duì)管道內(nèi)部環(huán)境要求不高、不需要耦合劑、適用范圍廣等優(yōu)越性，成為目前長(zhǎng)輸管道檢測(cè)中使用最廣、技術(shù)最成熟的檢測(cè)手段[3]。在漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析中，通過(guò)特征信號(hào)的極性識(shí)別和特征判斷，能正確地識(shí)別出盜油孔的漏磁信號(hào)特征。筆者利用環(huán)焊縫和磁路方式相結(jié)合的方法判讀特征曲線的極性，再利用特征曲線一致性的比較原則，并結(jié)合特征信號(hào)的特征和盜油孔的方式，有效識(shí)別出管道盜油孔的信號(hào)，避免管道盜油孔信號(hào)的誤判和漏檢，為今后成品油管道漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和信號(hào)識(shí)別提供了技術(shù)支持。

1 盜油孔形式

孔盜油的形式主要有三種：① 抱箍式，利用較大規(guī)格的扁鋼做成環(huán)形管卡狀盜油裝置，然后沿盜油閥→螺紋短管→鉛塊方向打孔進(jìn)行盜油，此方式使用較少；② 鋼釬式，利用較粗且有一定長(zhǎng)度的無(wú)縫鋼管制成一釬頭帶錐度的鋼釬插入管道，在錐頭側(cè)面開孔，在釬尾安裝一旁通閥盜油，此方式使用較少；③ 焊接式，在管道上直接焊接短管，連接安裝鉆孔控制閥，再通過(guò)高壓非金屬軟管連接遠(yuǎn)程盜油閥，此方式較多[4]。焊接盜油孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊接盜油孔結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)盜油方式可知，實(shí)現(xiàn)盜油需要兩個(gè)條件:① 管道上打孔后管道內(nèi)的液體在一定壓力條件下產(chǎn)生外泄通道，這樣管體會(huì)產(chǎn)生缺陷，造成管道本體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，則管體內(nèi)部會(huì)形成金屬損失；② 打孔處一定有外接金屬物，才能實(shí)現(xiàn)一定壓力條件下外泄液體的密閉通道，則管體外部會(huì)形成金屬增加。

2 檢測(cè)方法

2.1 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)基本原理是鐵磁性材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷。漏磁內(nèi)檢測(cè)器利用固定在筒體上的永磁鐵產(chǎn)生的磁力線，通過(guò)永磁鐵上的鋼刷耦合進(jìn)入管壁，再通過(guò)另一側(cè)的鋼刷、永磁鐵和筒體在管壁全周產(chǎn)生一個(gè)閉合磁回路，使兩個(gè)鋼刷間的管壁達(dá)到磁飽和來(lái)實(shí)施檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，如果管壁的材料連續(xù)均勻，則管壁中的磁力線將被約束在管壁中，其磁通是平行于管壁表面的，幾乎沒(méi)有磁力線從表面穿出；但當(dāng)管壁的材料表面和內(nèi)部存在缺陷(不連續(xù))時(shí)，其缺陷處的磁導(dǎo)率會(huì)很小，磁阻很大，使得磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁力線路徑改變，部分磁通會(huì)直接通過(guò)缺陷或在管壁材料內(nèi)部繞過(guò)缺陷外，還有部分磁通會(huì)離開管壁表面，通過(guò)空氣繞過(guò)缺陷再重新進(jìn)入管壁中，在管壁缺陷處形成漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)形狀取決于缺陷的幾何形狀；漏磁信號(hào)被位于兩磁極之間的磁傳感器檢測(cè)到，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被采集到檢測(cè)器的存儲(chǔ)器中。檢測(cè)完成后，可離線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和判讀，獲得管道包括缺陷在內(nèi)的管道相關(guān)特征信息[3]。漏磁內(nèi)檢測(cè)原理[5]如圖2所示。

圖2 漏磁內(nèi)檢測(cè)原理示意

2.2 漏磁信號(hào)分析

漏磁場(chǎng)信號(hào)反應(yīng)了所檢管道的相關(guān)特征信息，從漏磁場(chǎng)信號(hào)分析可以得到管道的缺陷、環(huán)焊縫等相關(guān)特征信息。管道的漏磁場(chǎng)信號(hào)包含水平分量Bx(軸向分量)、垂直分量By(徑向分量)和環(huán)向分量(周向分量)[3]。假設(shè)平行于管道軸心上有一矩形缺陷，則水平分量平行于管道軸心，缺陷中心處水平分量有極大值且左右對(duì)稱，其有一個(gè)極大峰值和兩個(gè)谷值，利用其峰谷值可以評(píng)估缺陷的徑向深度；垂直分量與管道軸心垂直，其關(guān)于缺陷中心對(duì)稱且中心處為零，缺陷的左邊緣處達(dá)到正的最大值，缺陷的右邊緣處達(dá)到負(fù)的最大值，垂直分量有一個(gè)大小相等且正負(fù)相反的峰值，利用其峰峰間距值可以評(píng)估缺陷的軸向長(zhǎng)度；環(huán)向分量沿著管道圓周方向均勻分布，利用其感應(yīng)的通道數(shù)量可以評(píng)估缺陷的周向?qū)挾萚6-7]。漏磁場(chǎng)信號(hào)的水平分量和垂直分量如圖3所示。

圖3 漏磁場(chǎng)信號(hào)水平分量和垂直分量示意

2.3 漏磁信號(hào)識(shí)別

管道內(nèi)檢測(cè)完成后，利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)管道的缺陷和特征信息進(jìn)行識(shí)別和判讀，因磁力線從磁鐵的N極出來(lái)進(jìn)入S極，在磁體內(nèi)部磁力線從S極到N極。故識(shí)別軟件的結(jié)果與檢測(cè)器磁鐵的裝配方式相關(guān)。定義如下：沿管道的軸向方向(見圖2)，左側(cè)裝配的勵(lì)磁磁鐵的N極在上S極在下，右側(cè)裝配的勵(lì)磁磁鐵的S極在上N極在下，則檢測(cè)器閉合磁路磁力線排列為順時(shí)針?lè)较?，稱為順時(shí)針磁路裝配，以下簡(jiǎn)稱為順磁路；同理磁力線排列為逆時(shí)針?lè)较虻模?jiǎn)稱為逆磁路。

2.3.1 金屬增加特征識(shí)別

因管道環(huán)焊縫焊接工藝原因，環(huán)焊縫有一定的焊接余高，而環(huán)焊縫焊接余高外與管材本體平整位置處相比，焊接余高位置會(huì)產(chǎn)生金屬增加。順磁路環(huán)焊縫漏磁特征垂直分量信號(hào)如圖4所示。

圖4 順磁路環(huán)焊縫漏磁特征垂直分量信號(hào)示意

從圖4中的順磁路環(huán)焊縫漏磁垂直分量信號(hào)中取其中任意一個(gè)通道，并將信號(hào)放大，順磁路環(huán)焊縫單通道漏磁垂直分量如圖5所示。

圖5 順磁路環(huán)焊縫單通道漏磁垂直分量信號(hào)示意

從圖4和圖5中的順磁路環(huán)焊縫漏磁垂直分量信號(hào)可知，環(huán)焊縫焊接余高漏磁信號(hào)特征點(diǎn)都是先上后下的趨勢(shì)，可看作是一個(gè)周期的正弦函數(shù)，極性值是先正后負(fù)[8-9]，金屬增加信號(hào)特征如表1所示。

表1 金屬增加信號(hào)特征

因此，只要是金屬增加的地方，就能夠通過(guò)特征信號(hào)極性一致性比較原則，對(duì)此類特征信號(hào)進(jìn)行特征判斷。

2.3.2 金屬損失特征識(shí)別

環(huán)焊縫屬于金屬增加，而在管體上金屬損失的特征和金屬增加特征是一個(gè)相反的特征，順磁路金屬損失檢測(cè)漏磁特征垂直分量信號(hào)如圖6所示。

圖6 順磁路金屬損失檢測(cè)漏磁特征垂直分量信號(hào)示意

從圖6中的順磁路金屬損失檢測(cè)漏磁特征垂直分量信號(hào)中取其中任意一個(gè)通道，并將信號(hào)放大， 順磁路金屬損失單通道漏磁垂直分量信號(hào)如圖7所示。

圖7 順磁路金屬損失單通道漏磁垂直分量信號(hào)示意

從圖6和圖7中的順磁路金屬損失漏磁垂直分量信號(hào)可以觀察出，金屬損失漏磁信號(hào)特征點(diǎn)都是先下后上的趨勢(shì)，可以看作是一個(gè)周期的余弦函數(shù)，極性值是先負(fù)后正，金屬損失信號(hào)特征如表2所示。

表2 金屬損失信號(hào)特征

因此，只要是金屬損失的地方，就能夠通過(guò)特征信號(hào)極性一致性比較原則，對(duì)此類特征信號(hào)進(jìn)行特征判斷。

3 特征信號(hào)工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 特征信號(hào)識(shí)別

圖8 某長(zhǎng)輸管道的特征漏磁信號(hào)垂直分量示意

通過(guò)對(duì)某長(zhǎng)輸管道漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該特征點(diǎn)的特征漏磁信號(hào)垂直分量如圖8所示。為便于觀察和分析，從圖8的漏磁特征信號(hào)垂直分量中取中間兩個(gè)通道，并將信號(hào)放大，特征漏磁信號(hào)垂直分量放大信號(hào)如圖9所示。

圖9 某長(zhǎng)輸管道的特征漏磁信號(hào)垂直分量放大信號(hào)示意

從圖9可以看出，此信號(hào)包含兩部分，信號(hào)外部幅值大的信號(hào)特征極性為先上后下，信號(hào)內(nèi)部幅值小的信號(hào)特征極性為先下后上。已知環(huán)焊縫(金屬增加)的極性為先上后下，通過(guò)極性特征信號(hào)一致性比較原則，首先可以判斷出該特征信號(hào)的判讀特征，外部特征信號(hào)為金屬增加特征，內(nèi)部特征信號(hào)為金屬損失特征；其次，依據(jù)該特征信號(hào)垂直分量的峰峰間距值和環(huán)向分量的占比通道，經(jīng)過(guò)評(píng)估判斷出該特征信號(hào)的長(zhǎng)度和寬度均為40 mm。

綜上，根據(jù)盜油孔方式可知，一個(gè)盜油孔會(huì)在管道上產(chǎn)生兩個(gè)特征:一方面管體盜油孔會(huì)產(chǎn)生金屬損失;另一方面，密閉盜油孔會(huì)產(chǎn)生金屬增加，可見盜油孔由外部的金屬增加和內(nèi)部的金屬損失兩部分組成。盜油孔的外部金屬增加部分一般為圓形短接，這樣其長(zhǎng)度和寬度相等，因此，可以判斷出該處漏磁曲線特征為可疑盜油孔特征。

3.2 盜油孔開挖驗(yàn)證

通過(guò)上述分析，根據(jù)漏磁內(nèi)檢測(cè)相關(guān)開挖驗(yàn)證方法，對(duì)特征點(diǎn)位于12點(diǎn)鐘方向,大小為40 mm，金屬增加信號(hào)中間帶金屬損失信號(hào)的可疑盜油孔進(jìn)行開挖驗(yàn)證，開挖驗(yàn)證的現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示，從圖中能明顯看出此處為盜油孔。

圖10 盜油孔開挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

利用漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，以及環(huán)焊縫和磁路方式相結(jié)合的方法進(jìn)行特征信號(hào)的極性判讀，能夠判斷出金屬增加和金屬損失特征信號(hào)的極性。利用極性信號(hào)一致性的比較原則，能夠?qū)μ卣餍盘?hào)的極性和特征進(jìn)行判斷；依據(jù)該特征信號(hào)垂直分量的峰峰間距值和環(huán)向分量的占比通道，能評(píng)估出該特征信號(hào)的長(zhǎng)度和寬度。

漏磁內(nèi)檢測(cè)盜油孔信號(hào)可以分解為兩部分：一部分是外部的金屬增加信號(hào)，實(shí)際特征為外部的密閉通道；另一部分是內(nèi)部的金屬損失信號(hào)，實(shí)際特征為內(nèi)部的盜油孔通道；盜油孔一般為圓形，其長(zhǎng)度和寬度相等。

根據(jù)上述盜油孔特征識(shí)別方法，開挖結(jié)果表明:通過(guò)極性信號(hào)一致性比較原則，并結(jié)合特征信號(hào)和盜油孔的方式，能有效識(shí)別成品油管道的盜油孔，避免管道盜油孔信號(hào)的誤判和漏檢，為今后管道漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析和信號(hào)識(shí)別提供技術(shù)支持。

[1] 孫旭,劉斌.長(zhǎng)輸管道盜油孔弱磁檢測(cè)[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2014,36(4):436-440.

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The Recognition of In-line Inspection Magnetic Flux Leakage Signals of Oil-Stealing Pipeline Hole

SHAO Weilin, CHEN Jinzhong, MA Yilai, HE Renyang

(Pressure Pipeline Division, China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

This paper introduces the principle of magnetic flux leakage in-line inspection and the feature analysis of the magnetic flux leakage signals based on the magnetic flux leakage technology for in-line inspection. This paper uses the method of combining circumferential weld and magnetic circuit method to identify the polarity of characteristic signal, through comparing the consistency of polar curve and the comparison with the size of the characteristic signal and the way of oil-stealing hole, the technology can effectively identify the pipeline oil-stealing hole, the technology can avoid misjudgment and undetected pipeline oil-stealing hole, and provide technical support for pipeline magnetic flux leakage in-line inspection data analysis and signal recognition in the future.

in-line inspection; pipeline; magnetic flux leakage; oil-stealing hole; identification

2016-10-10

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ090175)

邵衛(wèi)林(1983-)，男，工程師，碩士，主要從事壓力管道內(nèi)檢測(cè)和相關(guān)技術(shù)研究工作

邵衛(wèi)林，shaowl2008@163.com

10.11973/wsjc201705002

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0006-04