劉 琰，聶向暉，周 春，張鴻博，李為衛(wèi)，黃 磊，常澤亮，李先明 ，馮 泉

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司 河北 廊坊 065000；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

近年來，由于碳鋼/低合金鋼內(nèi)襯不銹鋼的雙金屬?gòu)?fù)合管優(yōu)異的耐腐蝕性能與高的性價(jià)比，在油氣集輸管道中大量應(yīng)用[1-7]，但也存在因環(huán)焊縫腐蝕、環(huán)焊縫開裂和內(nèi)襯塌陷等導(dǎo)致的刺漏失效頻繁發(fā)生的問題[8-9]，管線運(yùn)行安全隱患沒有有效排除。采用合適的方法檢測(cè)內(nèi)部腐蝕情況，對(duì)確保雙金屬?gòu)?fù)合管油氣集輸管道安全運(yùn)行、改善管道運(yùn)行狀況、提高管道運(yùn)行效率以及雙金屬?gòu)?fù)合管的繼續(xù)推廣應(yīng)用有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道內(nèi)檢測(cè)主要以漏磁內(nèi)檢測(cè)為主，并且在國(guó)內(nèi)外也有很多成功的事例，漏磁內(nèi)檢測(cè)的工作原理是利用管道缺陷處磁力線的變化來探測(cè)和量化缺陷。該技術(shù)因其對(duì)管內(nèi)環(huán)境要求較低、不需要耦合、適用范圍廣(可用于油和氣管道)及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而成為目前應(yīng)用最廣泛也最成熟的技術(shù)。但漏磁檢測(cè)法是建立在鐵磁材料高磁導(dǎo)率特性基礎(chǔ)上的，因而該技術(shù)目前主要應(yīng)用于碳鋼及低合金鋼管線，對(duì)于碳鋼內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管的內(nèi)檢測(cè)目前尚未應(yīng)用，并且對(duì)于漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是否適用于碳鋼內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管的內(nèi)檢測(cè)也是意見不一致。因此，本文擬通過漏磁內(nèi)檢測(cè)有限元分析、牽拉試驗(yàn)從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)碳鋼內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管漏磁內(nèi)檢測(cè)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 碳鋼內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管漏磁內(nèi)檢測(cè)有限元分析

通過有限元法可以繪制缺陷的漏磁場(chǎng)空間分布圖，采用有限元法和實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，可以研究漏磁場(chǎng)與缺陷幾何參數(shù)之間的關(guān)系。應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)碳鋼內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管的常規(guī)單層碳鋼基管(壁厚14 mm)和316L不銹鋼內(nèi)襯管(壁厚2.5 mm)典型壁厚模型的磁化情況進(jìn)行漏磁內(nèi)檢測(cè)有限元分析，確定不銹鋼內(nèi)襯層對(duì)管道磁化的影響，分析結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 漏磁內(nèi)檢測(cè)有限元分析：壁厚14 mm

圖2 漏磁內(nèi)檢測(cè)有限元分析：壁厚14 mm，提離2.5 mm

通過有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

1)壁厚為14 mm時(shí)，管壁和管內(nèi)空氣中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.91 T和213 Gs。

2)壁厚為14 mm，2.5 mm提離時(shí)：管壁和管內(nèi)空氣中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.908 T和209 Gs。

從仿真計(jì)算的結(jié)果分析，316L不銹鋼內(nèi)襯不會(huì)對(duì)鋼管的磁化效果產(chǎn)生影響，在探頭位置空氣中的漏磁相差值在10 Gs以內(nèi)。因此，對(duì)于壁厚為14 mm鋼管，2.5 mm提離對(duì)管壁和管內(nèi)空氣中的磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有明顯影響，對(duì)檢測(cè)器的磁化檢測(cè)能力沒有影響，對(duì)碳鋼基管缺陷可以檢測(cè)。

2 牽拉試驗(yàn)

通過搭建的牽拉試驗(yàn)系統(tǒng)，用Φ508 mm三軸高清腐蝕檢測(cè)器對(duì)某油田刺漏的碳鋼內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行了牽拉試驗(yàn)。

2.1 牽拉試驗(yàn)樣品及檢測(cè)條件

牽拉試驗(yàn)管道總長(zhǎng)約為100 m，由常規(guī)單層碳鋼鋼管及兩節(jié)雙金屬?gòu)?fù)合管管段組成，如圖3所示。雙金屬?gòu)?fù)合管管段取自某油田在役管道，基管壁厚為14.2 mm，不銹鋼內(nèi)襯層壁厚為2.5 mm，兩節(jié)管段均包含環(huán)焊縫。

圖3 牽拉試驗(yàn)管道

按照在牽拉試驗(yàn)管道上的位置將試驗(yàn)樣品進(jìn)行分段編號(hào)，位于上游的雙金屬?gòu)?fù)合管段為管段1，位于下游的雙金屬?gòu)?fù)合管段為管段2。管段1中部有一道環(huán)焊縫，環(huán)焊縫下游沿環(huán)焊縫邊緣存在一處刺漏，如圖4所示。在下游管口存在一處不銹鋼內(nèi)襯塌陷，這兩處缺陷均是從在役管道上截取的真實(shí)缺陷。管段2中部也有一道環(huán)焊縫，該管段上沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖4 刺漏(左側(cè)為內(nèi)壁，右側(cè)為外壁)

為研究漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)該油田雙金屬?gòu)?fù)合管的檢測(cè)能力，在兩個(gè)雙金屬?gòu)?fù)合管段上共預(yù)制了11個(gè)人工缺陷，其中8個(gè)人工缺陷為圓形缺陷，如圖5所示。采用機(jī)械打磨的方式進(jìn)行加工，主要用于模擬自然形成的腐蝕缺陷。3個(gè)人工缺陷為沿圓周方向的窄槽如圖6所示，用EDM(電火花刻傷)方式進(jìn)行加工，主要用于模擬該油田雙金屬?gòu)?fù)合管道上的刺漏缺陷，缺陷尺寸見表1，其中用于加工人工缺陷的鋼管的壁厚為14.2 mm。

圖5 人工缺陷(圓形缺陷)

圖6 人工缺陷(沿圓周方向的窄槽)

表1 人工缺陷尺寸

2.2 牽拉試驗(yàn)檢測(cè)

牽拉試驗(yàn)所用的Φ508三軸高清腐蝕檢測(cè)器搭載三軸漏磁檢測(cè)技術(shù)，可同時(shí)記錄檢測(cè)器漏磁場(chǎng)矢量的三軸分量。其中軸向分量是漏磁場(chǎng)矢量沿管道軸向的分量，傳統(tǒng)的單軸檢測(cè)器只采集這一個(gè)分量，對(duì)于該分量的研究?jī)?nèi)容較多，是缺陷漏磁場(chǎng)最具代表的分量。徑向分量是漏磁場(chǎng)矢量沿管道直徑方向的分量，對(duì)于管道缺陷處存在兩個(gè)強(qiáng)度相同、方向相反的峰值。徑向分量的變化使缺陷長(zhǎng)度上的判定更為精確，同時(shí)徑向分量的強(qiáng)度同缺陷深度的相關(guān)度較高。周向分量是漏磁場(chǎng)矢量沿管道圓周方向的分量，對(duì)于管道缺陷處存在兩組共四個(gè)方向相反的峰值。周向分量的變化同缺陷長(zhǎng)度和寬度的相關(guān)度較高。另外，檢測(cè)器上裝備有ID/OD傳感器，通過局部磁化管道內(nèi)壁形成局部磁場(chǎng)區(qū)，當(dāng)管道內(nèi)壁出現(xiàn)缺陷時(shí)局部磁場(chǎng)區(qū)的磁場(chǎng)被干擾，ID/OD傳感器探測(cè)這種干擾從而發(fā)現(xiàn)缺陷。管道外壁的缺陷對(duì)該局部磁場(chǎng)區(qū)不能產(chǎn)生干擾，也就不能探測(cè)到管壁外部的磁場(chǎng)，從而區(qū)分管道內(nèi)外缺陷。

牽拉試驗(yàn)共進(jìn)行4次，速度分別為0.5 m/s、1 m/s、2 m/s和3 m/s。

2.2.1 管道特征檢測(cè)

通過牽拉試驗(yàn)，可檢測(cè)到法蘭、環(huán)焊縫等特征，特征信號(hào)如圖7所示。

圖7 法蘭及環(huán)焊縫特征信號(hào)

圖7中共標(biāo)識(shí)了3處法蘭，分別位于管段1和管段2兩端。由于每個(gè)法蘭由兩個(gè)法蘭片通過螺栓連接，兩個(gè)法蘭片之間為氣體間隙，當(dāng)漏磁檢測(cè)器通過時(shí)，會(huì)在法蘭片間的氣體間隙處發(fā)生大量磁通泄漏，在彩色圖顯示模式下即為明顯的縱向紅黃色漸變區(qū)域。

圖7中共標(biāo)識(shí)了2處環(huán)焊縫，分別位于管段1和管段2中部。環(huán)焊縫由于存在余高，與正常管壁相比壁厚較大，在漏磁檢測(cè)中會(huì)呈現(xiàn)明顯的金屬增加信號(hào)。本次所檢測(cè)的復(fù)合管，其環(huán)焊縫在焊接過程中內(nèi)表面所使用的是用于焊接不銹鋼的焊料，其導(dǎo)磁性能較差，從導(dǎo)磁的角度分析，能夠有效導(dǎo)磁的環(huán)焊縫的壁厚與正常管壁相比較薄，因此在彩色圖模式下顯示為縱向淺藍(lán)色的區(qū)域。

上述特征信號(hào)與常規(guī)管道上的特征信號(hào)相比，法蘭信號(hào)沒有區(qū)別，環(huán)焊縫信號(hào)雖然有區(qū)別，但是有明顯的規(guī)律，因此上述特征可檢測(cè)。

2.2.2 管道真實(shí)缺陷檢測(cè)

通過牽拉試驗(yàn)，可檢測(cè)到刺漏、內(nèi)襯塌陷等管道真實(shí)缺陷，缺陷信號(hào)如圖8所示。

圖8 刺漏及塌陷特征信號(hào)

圖8中位于管段1中部環(huán)焊縫上的金屬損失信號(hào)即為刺漏信號(hào)。此處刺漏完全腐蝕掉了不銹鋼層，由于316L不銹鋼材質(zhì)導(dǎo)磁性非常差，這部分金屬損失對(duì)漏磁信號(hào)沒有影響。同時(shí)，刺漏處的部分碳鋼層也已經(jīng)被腐蝕，因此對(duì)于漏磁檢測(cè)呈現(xiàn)出明顯的金屬損失信號(hào)，即中心位置由綠色漸變至黃色，兩側(cè)呈現(xiàn)出較深的藍(lán)色。

圖8中位于管段1中部環(huán)焊縫與下游管口之間下方的橫向淺藍(lán)色區(qū)域即為內(nèi)襯塌陷信號(hào)。此處內(nèi)襯塌陷僅為不銹鋼層的塌陷，碳鋼層沒有受到影響。由于內(nèi)襯的塌陷，檢測(cè)器的鋼刷及傳感器均遠(yuǎn)離了碳鋼管壁，對(duì)碳鋼管壁的磁化較差，大量磁通位于空氣中，因此漏磁檢測(cè)呈現(xiàn)為壁厚減薄的信號(hào)。

上述真實(shí)缺陷中的一處刺漏缺陷可以檢測(cè)到明顯信號(hào)，另一處內(nèi)襯塌陷也呈現(xiàn)出有明顯規(guī)律的信號(hào)，因而這些缺陷可檢測(cè)。

2.2.3 管體人工缺陷檢測(cè)

通過牽拉試驗(yàn)證明，可檢測(cè)到預(yù)制人工缺陷中的1～8號(hào)缺陷，這些人工缺陷位于鋼管管體的管壁上,缺陷信號(hào)如圖9所示。

圖9 1～8#人工缺陷特征信號(hào)

圖9中1～4號(hào)缺陷為外部缺陷，5～8號(hào)缺陷為內(nèi)部缺陷。對(duì)于這些分別位于不同管壁位置、周向位置，大小不同的缺陷，均可采集到標(biāo)準(zhǔn)的金屬損失信號(hào)，且缺陷的體積越大時(shí)信號(hào)越強(qiáng)，體積越小時(shí)信號(hào)越弱，這符合常規(guī)管道的漏磁檢測(cè)規(guī)律。上述缺陷中體積最小的為8號(hào)缺陷，其尺寸為30 mm×30 mm×14.2 mm×12%，達(dá)到了漏磁檢測(cè)器的一般檢測(cè)閾值要求，不銹鋼內(nèi)襯的影響可以忽略不計(jì)。

綜上所述，對(duì)于本次試驗(yàn)中的管體人工缺陷，可以進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.4 內(nèi)襯層人工缺陷檢測(cè)

通過牽拉試驗(yàn)證明，無法檢測(cè)到預(yù)制人工缺陷中的9～11號(hào)缺陷，這些人工缺陷位于不銹鋼內(nèi)襯層上，缺陷對(duì)應(yīng)位置如圖10所示。

圖10中標(biāo)識(shí)了9～11號(hào)缺陷所在的位置，在這些位置上，漏磁信號(hào)是非常均勻的狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯的金屬損失信號(hào)，這是由于316L不銹鋼材質(zhì)導(dǎo)磁性非常差，在不銹鋼內(nèi)襯上的金屬損失對(duì)于檢測(cè)器在碳鋼管壁上形成的磁路幾乎沒有影響。

圖10 9～11號(hào)人工缺陷特征信號(hào)

因此，對(duì)于本次試驗(yàn)中的316L不銹鋼內(nèi)襯上的人工缺陷，不能進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)論

1)可檢測(cè)出雙金屬?gòu)?fù)合管上法蘭、環(huán)焊縫等管道特征。

2)可檢測(cè)出刺漏和內(nèi)襯塌陷等管道真實(shí)缺陷。

3)可檢測(cè)出位于碳鋼基管管壁上的人工缺陷。

4)無法檢測(cè)出位于不銹鋼內(nèi)襯層上的人工缺陷。

如果雙金屬?gòu)?fù)合管的不銹鋼內(nèi)襯層因介質(zhì)腐蝕發(fā)生破損，碳鋼鋼管會(huì)因電偶腐蝕而加速腐蝕并很快導(dǎo)致刺漏失效，無法檢測(cè)到位于不銹鋼內(nèi)襯層上的腐蝕缺陷就不能有效避免刺漏失效發(fā)生，因此單獨(dú)的漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)不適用于雙金屬?gòu)?fù)合管不銹鋼內(nèi)襯層的檢測(cè)，應(yīng)采取電磁渦流加漏磁內(nèi)檢測(cè)的組合檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。