馬思同，鄭 陽(yáng)，孫 明，張吉堂，周進(jìn)節(jié)，張宗健

(1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030051；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

油氣管道在使用過(guò)程中，由于輸送介質(zhì)具有腐蝕性或介質(zhì)對(duì)管道存在沖刷作用，隨著服役期的延長(zhǎng)，管道會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕，從而導(dǎo)致管壁的變形或者減薄，最終會(huì)造成油氣管道的穿孔或者泄漏，產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[1-3]。目前工程應(yīng)用較多的管道檢測(cè)技術(shù)包括漏磁檢測(cè)、壓電超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)和電磁超聲檢測(cè)等[4-6]。漏磁檢測(cè)是工程中對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)的有效手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的大范圍快速檢測(cè)，但對(duì)缺陷的定量測(cè)量誤差較大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的精確測(cè)量[5-8]；壓電超聲檢測(cè)對(duì)平面型缺陷較敏感，檢測(cè)精度高，但是檢測(cè)過(guò)程中傳感器與管壁需要通過(guò)液體保持良好的耦合，對(duì)耦合劑和管壁的表面狀態(tài)要求較高[9]；電磁超聲檢測(cè)是近幾年出現(xiàn)的一種新的檢測(cè)方法[10]，具有非接觸、無(wú)需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高溫、高速和在線檢測(cè)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景[11]。

超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)具有缺陷檢出率高、檢測(cè)精度高、缺陷定位定量準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于管道點(diǎn)蝕、局部腐蝕等內(nèi)腐蝕缺陷檢測(cè)，相對(duì)常規(guī)超聲波壁厚檢測(cè)技術(shù)，是一種高精度的腐蝕檢測(cè)成像技術(shù)[1]。然而在一些特殊工況下，傳統(tǒng)的壓電超聲難以實(shí)現(xiàn)C掃描檢測(cè)，而電磁超聲因其非接觸、無(wú)需耦合劑等優(yōu)勢(shì)提高了檢測(cè)的可行性。本次檢測(cè)的環(huán)境位于新疆境內(nèi)的戈壁地區(qū)，使用壓電超聲進(jìn)行檢測(cè)，在野外工況下很難將管壁表面打磨光滑，同時(shí)該管線為在役管道、內(nèi)有介質(zhì)，打磨存在安全隱患，并且打磨也會(huì)造成管壁壁厚的減小，對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。本次檢測(cè)的管道直徑為168.3 mm，由于管徑小、曲率大的原因，壓電探頭與管壁表面為線接觸不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)耦合劑的流失，從而增大檢測(cè)的難度和檢測(cè)結(jié)果的不確定性。而采用電磁超聲檢測(cè)的方法，可擺脫壓電超聲檢測(cè)技術(shù)的機(jī)械接觸和液體耦合在檢測(cè)方面的限制[9]，可以在提離條件下進(jìn)行檢測(cè)，且不需要對(duì)管壁進(jìn)行打磨，只需將管壁外面的包覆層剝離即可。因此，本文采用電磁超聲C掃描的方法對(duì)漏磁檢測(cè)篩查出的管道缺陷區(qū)域進(jìn)行復(fù)檢，進(jìn)一步分析管道腐蝕情況，獲取管道缺陷的具體信息，實(shí)現(xiàn)管道腐蝕缺陷的定量檢測(cè)。

1 電磁超聲描C掃描

1.1 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)原理

電磁超聲檢測(cè)技術(shù)(EMAT)與壓電超聲檢測(cè)技術(shù)一樣，都是利用超聲波來(lái)檢測(cè)缺陷，不同的是電磁超聲是利用電磁耦合的方法產(chǎn)生超聲波信號(hào)[11-12]，其基本原理如圖1所示。當(dāng)在靠近被測(cè)管道表面的線圈中通入高頻電流，就會(huì)在管道表面感應(yīng)出相同的渦流，如果同時(shí)在被測(cè)管道表面再施加一個(gè)恒定磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)與渦流的相互作用，在管道表面又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同頻率的力，即洛倫茲力[13-14]；同時(shí)，在鐵磁性材料中，還會(huì)產(chǎn)生磁化力和磁致伸縮力，在三種力的共同作用下，使得材料表面集膚層內(nèi)的質(zhì)子產(chǎn)生高速振動(dòng)，并在管壁內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生超聲波[15]。

圖1 管道電磁超聲檢測(cè)原理

從電磁超聲激發(fā)產(chǎn)生超聲波的原理可以得出，電磁超聲能夠直接在導(dǎo)體中激勵(lì)和接收超聲波，因而具有與被檢對(duì)象非接觸、無(wú)需耦合劑、對(duì)傳感器提離值要求低等特點(diǎn)，尤其適用于管道的缺陷檢測(cè)[16-17]。

1.2 C掃描檢測(cè)策略

為實(shí)現(xiàn)對(duì)管道腐蝕區(qū)域的復(fù)檢，并通過(guò)電磁超聲C掃描的方法對(duì)管壁的腐蝕情況進(jìn)行成像，檢測(cè)前首先對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行手動(dòng)網(wǎng)格劃分。根據(jù)漏磁內(nèi)檢測(cè)對(duì)管道腐蝕的檢測(cè)結(jié)果，確定檢測(cè)區(qū)域?yàn)檠毓鼙谳S向200 mm和周向100 mm的區(qū)域，根據(jù)傳感器的尺寸，確定網(wǎng)格大小為20 mm×20 mm。檢測(cè)區(qū)域如圖2所示。

圖2 檢測(cè)區(qū)域

檢測(cè)時(shí)將傳感器依次放置在劃分好的網(wǎng)格點(diǎn)上，并沿回折形的掃查路徑對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每一網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行掃查，最終獲取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)每一網(wǎng)格點(diǎn)的管壁厚度值。檢測(cè)區(qū)域的網(wǎng)格劃分和掃查路徑如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分及掃查路徑

2 試驗(yàn)研究

2.1 工程背景

新疆某在役埋地原油外輸管線于2012年5月投入使用，管線全長(zhǎng)80.3 km，無(wú)縫鋼管公稱(chēng)尺寸為?168.3 mm×7.5 mm，材質(zhì)為20鋼，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，設(shè)計(jì)輸量為45×104t/a。外防腐層為單層熔結(jié)環(huán)氧粉末，保溫層采用50 mm硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，外保護(hù)層為5 mm聚乙烯材料的包覆層。為了解管線腐蝕狀況，消除管道隱患，對(duì)該段管線進(jìn)行漏磁內(nèi)檢測(cè)。

2.2 漏磁內(nèi)檢測(cè)

漏磁檢測(cè)技術(shù)是利用永磁體將鐵磁性鋼管飽和磁化，當(dāng)管壁沒(méi)有缺陷時(shí)，磁力線位于管壁之內(nèi)；當(dāng)管壁存在缺陷時(shí)，磁力線從缺陷處泄漏產(chǎn)生漏磁，利用磁敏探頭檢測(cè)漏磁信號(hào)，通過(guò)對(duì)漏磁信號(hào)的分析，進(jìn)而獲得缺陷的具體信息[18]。通過(guò)漏磁內(nèi)檢測(cè)，可以根據(jù)管道在不同位置的漏磁信號(hào)變化來(lái)判斷其是否存在缺陷，并通過(guò)對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而得到管道內(nèi)壁的缺陷信息[19]。目前的管道漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，是將管道漏磁內(nèi)檢測(cè)的數(shù)據(jù)繪制成彩色線圖，通過(guò)人工進(jìn)行判讀，觀察出缺陷及腐蝕程度，因而難以準(zhǔn)確直觀地描繪出管道缺陷的形貌并實(shí)現(xiàn)對(duì)管道缺陷的量化分析[20]。

通過(guò)對(duì)管線全段進(jìn)行漏磁內(nèi)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管線有6個(gè)位置存在信號(hào)異常，表現(xiàn)為管壁有不同程度的金屬損失，初步判斷為腐蝕缺陷，每個(gè)位置處經(jīng)過(guò)截取和局部放大后的漏磁信號(hào)如圖4所示。通過(guò)對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，可以得到管壁在6個(gè)信號(hào)異常位置的金屬體積損失的深度、長(zhǎng)度、寬度、環(huán)向位置等信息，如表1所示。

圖4 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)在不同位置處的漏磁信號(hào)

通過(guò)檢測(cè)距離和環(huán)向位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的粗略定位，后續(xù)使用電磁超聲C掃描進(jìn)行管道復(fù)檢時(shí)，以該位置信息作為參考，在一定的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)對(duì)管道進(jìn)行掃查。通過(guò)對(duì)缺陷的長(zhǎng)度、寬度和深度信息進(jìn)行分析，可以得出管道在位置6處的腐蝕最為嚴(yán)重，腐蝕面積(軸向長(zhǎng)度×周向?qū)挾?為22 mm×33 mm，最大減薄量為1.43 mm。在位置5處也存在大面積的腐蝕缺陷，腐蝕面積為20 mm×24 mm，最大減薄量為0.75 mm。在管道的其他位置處，管壁存在不同程度的輕微腐蝕，管壁的情況較為良好。

表1 漏磁內(nèi)檢測(cè)結(jié)果

2.3 電磁超聲C掃描復(fù)檢

2.3.1 檢測(cè)系統(tǒng)

本次檢測(cè)系統(tǒng)由自主研制的電磁超聲測(cè)厚儀(型號(hào)為CSEI-UTM)、常溫型電磁超聲傳感器(?18.25 mm的環(huán)形線圈)和上位機(jī)組成。在上位機(jī)的軟件界面設(shè)置儀器參數(shù)，控制測(cè)厚儀激勵(lì)換能器產(chǎn)生信號(hào)，對(duì)管道壁厚進(jìn)行檢測(cè)。在本次所使用的檢測(cè)系統(tǒng)條件下，電磁超聲傳感器檢測(cè)管道壁厚的不確定度(測(cè)量誤差限)為±0.01 mm。針對(duì)本次的檢測(cè)對(duì)象，電磁超聲傳感器的最小探測(cè)面積為直徑4 mm的圓形區(qū)域面積。

2.3.2 檢測(cè)過(guò)程

本次電磁超聲C掃描通過(guò)電磁超聲測(cè)厚儀在預(yù)先劃分好的網(wǎng)格區(qū)域?qū)鼙谶M(jìn)行測(cè)厚，獲取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)每一網(wǎng)格點(diǎn)的厚度數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道腐蝕區(qū)域的C掃描成像。具體的檢測(cè)過(guò)程如下。

(1)清管。為了使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，應(yīng)盡可能地保證傳感器與檢測(cè)工件表面的清潔，因而在檢測(cè)前首先對(duì)管道外壁進(jìn)行清潔處理，主要是對(duì)管壁進(jìn)行擦拭去塵。

(2)網(wǎng)格區(qū)域劃分。根據(jù)漏磁內(nèi)檢測(cè)的結(jié)果，確定可能存在腐蝕缺陷的區(qū)域，并以該區(qū)域作為檢測(cè)區(qū)域，然后對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化處理。

(3)聲速校準(zhǔn)?？紤]到管線不同位置處管壁材料的差異性造成材料聲速的不同，因而在進(jìn)行管道測(cè)厚前，對(duì)儀器進(jìn)行聲速校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)使用相同材料的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行聲速校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中由于難以獲取與被檢管道材料相同的標(biāo)準(zhǔn)試塊，因而使用便攜式壓電測(cè)厚儀對(duì)管壁某一處無(wú)缺陷位置的厚度進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，在測(cè)得的厚度值波動(dòng)不超過(guò)0.01 mm時(shí)，以該處的厚度為標(biāo)準(zhǔn)厚度，對(duì)電磁超聲測(cè)厚儀進(jìn)行聲速校準(zhǔn)。

(4)C掃描。將傳感器沿掃查路徑依次放置在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每一網(wǎng)格點(diǎn)上，對(duì)管道的壁厚進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取一組檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的管道厚度數(shù)據(jù)。檢測(cè)過(guò)程中，為了在每一檢測(cè)點(diǎn)獲得更加準(zhǔn)確的管道壁厚值，可以通過(guò)調(diào)節(jié)儀器的參數(shù)來(lái)獲取良好的信噪比，然后再進(jìn)行測(cè)厚。

2.3.3 信號(hào)處理

為獲取管道內(nèi)壁腐蝕后的形貌特征和缺陷的具體信息，對(duì)管道不同位置處采集到的C掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)后處理，通過(guò)管壁腐蝕形貌的三維圖和管壁減薄量的灰度圖來(lái)表征管道的腐蝕情況。

在輸油管道中，由于介質(zhì)的沖刷和腐蝕，會(huì)在管道內(nèi)壁出現(xiàn)一些腐蝕坑，而這些腐蝕坑在介質(zhì)的運(yùn)輸中又會(huì)發(fā)生一些演化，最終形成連續(xù)的條狀或帶狀腐蝕坑?？紤]管道中的腐蝕多為這類(lèi)連續(xù)性的腐蝕坑，同時(shí)為了彌補(bǔ)實(shí)際工況下檢測(cè)數(shù)據(jù)量較少的不足，通過(guò)后處理的方法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并予以插值處理，對(duì)細(xì)化后的網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壁厚值進(jìn)行近似評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)管道腐蝕的成像和定量分析。使用二維插值函數(shù)中的三次樣條插值方法進(jìn)行插值，插值公式如下：

si(x)=a0(x-xi-1)3+a1(x-xi-1)2

+a2(x-xi-1)+a3

(1)

原始數(shù)據(jù)為20 mm×20 mm的網(wǎng)格大小，經(jīng)過(guò)細(xì)化后，網(wǎng)格大小為2 mm×2 mm，并通過(guò)插值處理對(duì)細(xì)化后的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行賦值。

通過(guò)信號(hào)后處理，得到管線在不同位置檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的管壁腐蝕和管壁減薄云圖，如圖5，6所示。

圖5 不同位置檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的管壁腐蝕云圖

2.3.4 結(jié)果與分析

結(jié)合管壁腐蝕和管壁減薄云圖，能夠快速發(fā)現(xiàn)管道的缺陷，確定管道腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域以及管壁腐蝕的最大深度，這將對(duì)后續(xù)對(duì)管道的腐蝕剩余壽命評(píng)估提供一定的參考依據(jù)[21-22]。

在管壁腐蝕云圖(見(jiàn)圖5)中，可以觀察到管道內(nèi)壁腐蝕的三維形貌特征，為了更加直觀地表現(xiàn)出管壁內(nèi)表面的腐蝕情況，對(duì)管壁內(nèi)表面進(jìn)行了局部放大?？梢园l(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)壁的腐蝕主要為伴隨著點(diǎn)狀腐蝕坑的條狀或片狀腐蝕，在點(diǎn)狀的腐蝕坑處管道的腐蝕深度大，此處位置最容易發(fā)生管道的穿孔或泄漏，需進(jìn)一步分析其腐蝕缺陷的具體信息。管道實(shí)際的最大壁厚值為8 mm,已超出管道的公稱(chēng)壁厚(7.5 mm)，管壁減薄云圖(見(jiàn)圖6)中的負(fù)值亦可看出，原因可能是管道的制造誤差導(dǎo)致。

圖6 不同位置檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的管壁減薄云圖

在管壁減薄云圖(見(jiàn)圖6)中，可以觀察到管道在不同位置檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的管壁減薄量(即腐蝕的深度信息)，并通過(guò)顏色值來(lái)表征腐蝕的程度。為了對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)管道的腐蝕進(jìn)行定量分析，得到管壁在不同腐蝕深度下的腐蝕面積，通過(guò)提取邊緣的方法，以0.1 mm的腐蝕量為間距，對(duì)不同腐蝕深度下的邊界點(diǎn)進(jìn)行提取，如圖7所示。以邊界點(diǎn)包圍區(qū)域的面積作為管壁在不同腐蝕深度下對(duì)應(yīng)的腐蝕面積，得到不同腐蝕深度下腐蝕面積所占檢測(cè)區(qū)域總面積的比值，如表2所示。

(c)位置3檢測(cè)區(qū)域

(d)位置4檢測(cè)區(qū)域

(e)位置5檢測(cè)區(qū)域

(f)位置6檢測(cè)區(qū)域

表2 不同位置檢測(cè)區(qū)域的腐蝕缺陷信息

在位置1的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，管壁的最大腐蝕深度為0.31 mm，有2個(gè)區(qū)域的腐蝕深度在0.1 mm以上，面積為3 970 mm2，其中深度0.2 mm以上的腐蝕面積為840 mm2，共有3個(gè)腐蝕區(qū)域。在位置2的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，管壁的最大腐蝕深度為0.31 mm，有3個(gè)區(qū)域的腐蝕深度在0.1 mm以上，面積為4270 mm2，其中深度0.2 mm以上的腐蝕面積為740 mm2，共有2個(gè)腐蝕區(qū)域。在位置3的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，管壁的最大腐蝕深度為0.54 mm，深度0.2 mm以上的腐蝕面積為5 080 mm2，其中深度0.3 mm以上的腐蝕面積為1 970 mm2，共有5個(gè)腐蝕區(qū)域，深度0.4 mm以上的腐蝕區(qū)域有3個(gè)。在位置4的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，管壁的最大腐蝕深度為0.67 mm，有5個(gè)區(qū)域的腐蝕深度在0.2 mm以上，面積為5 640 mm2，其中深度0.4 mm以上的腐蝕面積為1 800 mm2，共有2個(gè)腐蝕區(qū)域，有一個(gè)區(qū)域內(nèi)的腐蝕深度達(dá)到0.6 mm以上。在位置5的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，管壁的最大腐蝕深度為0.63 mm，深度0.2 mm以上的腐蝕面積為8 190 mm2，深度0.4 mm以上的腐蝕區(qū)域有3個(gè)，面積為2 650 mm2，其中有一處區(qū)域內(nèi)存在深度0.6 mm以上的腐蝕點(diǎn)。在位置6的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，管壁的最大腐蝕深度為0.71 mm，深度0.2 mm以上的腐蝕面積為13 680 mm2，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)管壁存在大面積的腐蝕，深度0.4 mm以上的腐蝕面積為8 330 mm2，其中深度0.6 mm以上的腐蝕區(qū)域有4個(gè)，面積為1 570 mm2，有一個(gè)區(qū)域內(nèi)的腐蝕深度達(dá)到0.7 mm以上。

3 結(jié)語(yǔ)

在管道缺陷的檢測(cè)中，漏磁內(nèi)檢測(cè)的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)部缺陷的初步定位，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)電磁超聲C掃描的方法對(duì)開(kāi)挖后的管道缺陷區(qū)域進(jìn)行復(fù)檢，可以進(jìn)一步得到管道內(nèi)部缺陷的具體信息。通過(guò)對(duì)電磁超聲C掃描的信號(hào)進(jìn)行后處理，得到了管道檢測(cè)區(qū)域內(nèi)腐蝕缺陷的形貌、深度、面積等信息，為后續(xù)對(duì)管道的腐蝕剩余壽命評(píng)估提供了依據(jù)。

由于目前使用的檢測(cè)系統(tǒng)尚未配備專(zhuān)用掃查裝置，在檢測(cè)過(guò)程中需手動(dòng)劃分網(wǎng)格和移動(dòng)傳感器，檢測(cè)效率較低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的大面積精細(xì)化檢測(cè)。在接下來(lái)的研究中，將對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，配以自動(dòng)掃查裝置，從而對(duì)管道進(jìn)行更加精細(xì)的自動(dòng)化電磁超聲C掃描檢測(cè)。