付大為， 郭 鶱， 胡鐵華

（機械科學研究總院集團有限公司， 北京 100044）

0 引言

鐵磁性油氣管道是石油天然氣儲運輸特種重大基礎設施。 由于運輸距離長、應用范圍廣，油氣管道常為埋地鋪設， 常年累月受內外介質侵蝕， 造成油氣管道早期失效，而引發(fā)能源安全供給及社會公共安全重大隱患。應用油氣管道內檢測手段，對油氣管道進行檢測，實現(xiàn)對油氣管道早期缺陷發(fā)現(xiàn)、早期預防，避免惡性事故發(fā)生。 近年來，由于高速發(fā)展需求，我國管道建設速度之快、埋下隱患之多堪稱世界之最。 給后期管道安全運行及維護帶來了巨大壓力。為此，國家科技部全方位對管道安全運維立項，重點解決威脅油氣管道安全運行的兩大殺手-金屬損失及裂紋，早期檢測、早期預防。本文基于正交激勵磁場，完成油氣管道壁五維度（長、寬、深、內、外）金屬損失及裂紋檢測及量化， 為油氣管道科學評價及完整性管理提供了重要科學依據。

1 正交激勵磁場激勵感測原理

在鐵磁性油氣管道內壁施加軸向恒磁場， 在軸向恒磁場垂直方向施加高頻動磁場，如圖1 所示。

圖1 鐵磁性油氣管道正交磁場磁化示意圖

圖1 中的鐵磁性油氣管道內壁， 其同時施加了兩種互相垂直的激勵磁場，一為恒磁場Q（|B|，|H|），另一為動磁場q（|b|，|h|）。 管道壁在正交激勵磁場共同作用下的磁化場為Q＇（|B+b|，|H+h|），其磁化工作線可用圖2 表示。

討論：（1）軸向恒磁場提供了預磁化場，其靜態(tài)工作點為Q（B，H），此時鐵磁性管道壁靜態(tài)磁導率為μBH，其值為100～200 之間。

（2）垂直高頻動磁場q（|b|，|h|）與軸向恒磁場共同作用下，管壁處于動態(tài)工作點Q＇（|B+b|，|H+h|），此時管壁將產生動態(tài)磁導率張量∨μbh， 此張量的比靜態(tài)磁導率μBH小很多。

圖2 鐵磁性管道壁動磁B-H 曲線

（3）磁化工作點由Q（B，H）變化到Q＇（|B+b|，|H+h|），即施加的較小的磁感應強度，引起較大的磁場強度變化，起到了攝動效應。

（4）研究表明，影響管壁感應磁場的主要因素有五個：材料的靜態(tài)磁導率μBH、材料的動態(tài)磁導率張量∨μbh、正交軸向恒磁場B 和正交動磁場b 之間的夾角余弦及動態(tài)激勵磁感應強度的變化率。

由上述討論可知，當管道壁無缺陷時，正交磁場的夾角保持正交，及其夾角為90°，余弦為0，管壁磁化感應保持不變；當管壁存在缺陷，管壁磁化場發(fā)生了形變，此時恒磁場與動磁場磁化感應場夾角發(fā)生了改變， 即不再保持90°，根據管壁內外缺陷不同，其夾角可在0°～180°范圍變化，余弦可正可負，由此可確認缺陷在管道內壁或者管道外壁；當管壁存在裂紋類型缺陷，正交感應場夾角趨于0°或者180°，感應場達到峰值，故此，此正交激勵磁場可以檢測裂紋； 感應場與動態(tài)激勵磁感應強度的變化率相關，可以造沖擊激勵場（理論上導數(shù)無窮大，頻域帶寬趨于無窮）。 由此可得出結論，正交激勵磁場可實現(xiàn)鐵磁性油氣管道金屬損失及裂紋同時檢測。

2 正交激勵磁場融合檢測技術

圖3 漏磁與動磁融合檢測示意圖

由上一章正交激勵磁場激勵感測原理可知， 正交激勵磁場可實現(xiàn)對管道金屬損失缺陷及裂紋缺陷同時檢測。 漏磁與動磁融合檢測的對象是基于鋼管靜態(tài)直流磁化與動態(tài)脈沖激勵聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出的空間漏磁場與動磁場。 通過電磁控陣技術，空間漏磁場被三軸霍爾傳感器所檢測，空間動磁場被動磁線圈傳感器所檢測。 漏磁與動磁融合檢測示意圖如圖3 所示。為了實現(xiàn)物理上全覆蓋管道內壁，采用周向物理陣列如圖4 所示。其電磁控陣原理圖如圖5 所示。其中的勵磁陣列為探頭提供動態(tài)飽和磁化工作點，一般需要根據金屬材料電導率、磁導率、厚度、檢測速度要求，選擇預磁化方式與預磁化勵磁波形，這里使用直流磁場。 組內的探頭錯時異步啟動探測；不同集線器下的探頭陣列同步啟動探測。

圖4 探頭陣列實體

圖5 電磁控陣工作原理圖

3 正交激勵磁場內檢測原型機平板測試

通過陣列控陣技術及動磁漏磁融合技術實現(xiàn)， 完成了正交勵磁管道內檢測原型機。在X70 材質的11 塊樣板上，制備了裂紋缺陷、條狀缺陷、坑狀缺陷等三種不同類型、不同尺寸的人工缺陷。利用游標卡尺、卷尺、塞尺等測量工具測量每個樣板缺陷的實際尺寸，并記錄，形成缺陷列表，如表1 至表3 所示。

圖6 正交勵磁鐵磁性金屬平板缺陷實驗

表1 平板裂紋缺陷表

（續(xù)表1）

表2 平板溝槽缺陷表

表3 平板坑狀缺陷表

（續(xù)表3）

實驗結果為檢出率100%。正交勵磁檢測平板缺陷的典型波形圖如圖7 所示。

圖7 正交勵磁檢測平板缺陷圖

4 結論

綜上所述，本文給出了以下結論：①提出了正交勵磁檢測新原理和新方法； ②發(fā)明金屬損失及裂紋同時檢測新技術；③制作了正交勵磁原理型樣機；④制作了動態(tài)平板缺陷試驗臺， 實現(xiàn)平板缺陷自動檢測； ⑤通過實驗確認，正交勵磁檢測原理可行；⑥正交勵磁方法對鐵磁性金屬管道的軸向、軸向、傾斜等裂紋型缺陷、溝槽型缺陷及坑狀缺陷均能100%檢出。