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近年来，随着国民经济的迅速发展，我国石油与天然气的需求量逐年攀升，石油与天然气管道得到迅猛发展，截止2013年，我国的油气管道总长度已达10.6万km[1]。因此，管道的安全输送对保障我国能源供应和国民经济的发展具有重要意义。 油气管道在运行工程中，由于受到材料本身缺陷、焊接、施工、腐蚀和外界干扰的影响，可能造成管道应力集中、变形、腐蚀减薄与穿孔，裂纹和一些焊接缺陷等，导致输送效率下降，输送介质泄露等安全事故。油气管道的输送介质为易燃易爆物质，一旦发生事故将造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，对社会将造成巨大的负面影响。以四川的12条天然气管道为例，每103km管道的年平均事故为4.3次。图1.1为1969-2003年的事故原因统计数据，由图可知事故主要以腐蚀，施工缺陷和外部干扰为主[2,3]。 图1.11969-2003年四川天然气管道事故统计 工程上为了避免管道事故的发生，常采用无损检测技术对管道的缺陷进行检测。传统的管道检测方法包括射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测和漏磁检测等。虽然这几种技术已成熟，且得到广泛的应用，但其仅对对宏观缺陷的检测效果明显，而不能对微观缺陷和应力集中进行有效的检测，所以不能提前预知事故的发生。 金属磁记忆现象是指在地磁场中，铁磁材料在应力的作用下，其内部磁畴方向发生不可逆的重新取向，内部微观结构发生改变，从而引起其附近的漏磁场信号增大的现象。金属磁记忆检测技术是一种基于应力集中的检测方法，不仅可以检测宏观缺陷，还能对微观的内部缺陷和应力集中进行检测，即能够实现铁磁材料损伤和失效的早期诊断。该技术虽然得到了广泛的理论和应用研究，但其机理尚未完善，也不能实现定量检测。同时对于管道检测方面，大多是针对地面管道的检测研究，而对于埋地管道的非接触式检测却研究很少。本文通过对磁记忆技术的理论研究，以期解决管道检测的关键技术——管道上方自漏磁场在空间的分布规律，对金属磁记忆技术在埋地管道的应用具有一定的指导意义，同时为金属磁记忆技术的定量解释提供理论了一种新的思路。 1.2管道传统的无损检测方法随着现代科学技术的发展，无损检测得到飞速的发展，已然成为一门新兴的应用技术科学。无损检测技术是指在保证检测对象结构和功能完整性的前提下，应用各种物理学和化学原理，如磁学，电学，光学，声学和热学，对工程设备，构件进行检验和测试，以对检测对象的完整性、安全性和可靠性进行评价的技术。在石油与天然气管道领域的常用无损检测方法有射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声检测和漏磁检测等。这些方法各自具有特点，对保证管道安全高效运行起到了重要的作用。 1.2.1射线检测射线检测是利用X射线、γ射线和中子射线易于穿透物体，在穿透物体过程中被吸收和散射而衰减的性质，在感光材料上获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，从而检测出物体内部缺陷的种类、大小、分布状况并做出评价[4]。射线检测具有检测位置不限，缺陷的解释比较容易和易于保存检测结果等优点，但对人体有伤害。
1.2.2超声波检测超声波是超声振动在介质中的传播，其频率在20kHz以上。低频的超声波主要应用于晶粒较粗的材料，较高频率的超声波用于高灵敏度检测和晶粒较细的材料。超声波检测主要是利用超声波指向性好，穿透力强，在介质中传播时遇到界面会发生反射等特点对设备或构件进行检测[4]。超声检测具有灵敏度高、指向性好、可识别缺陷的深度，检测对象的厚度不限和应用广等特点。其缺点主要是检测结果难以解释，不易识别缺陷的类型。
1.2.3渗透检测渗透检测是一种历史久远的无损检测方法，其物理基础主要是润湿作用和毛细现象。渗透液进入构件表面的开口缺陷被吸附，渗透作用的深度和速度与渗透液本身的性质、材料表面状态、缺陷的类型和大小有关[4]。其具有缺陷类型易于识别和适用范围广的优点，但仅限于被检测对象表面的缺陷检测，且对检测对象的清洁度要求高，操作复杂和耗时长。 1.2.4涡流检测涡流检测的物理基础为电磁感应，在交变磁场的作用下，材料内部产生不同振幅和相位的涡流[4]。通过对涡流的检测实现对缺陷的检测。其主要用于检测金属材料的表面和近表面的缺陷，便于实现自动化的高速检测。其缺点主要是缺陷的解释困难，参数难于控制和检测对象必须是导体材料。 1.2.5磁粉检测磁粉检测是通过将磁性材料磁化并显示介质来对磁性材料进行检测的一种无损检测方法。其在工业上的应用非常普遍[4]。磁粉检测可以检测材料表面和近表的裂纹、发纹、夹层和未焊透等缺陷。检测对象表面的涂层对检测无影响，设备简单，速度快，操作方便。其缺点主要是要与材料表面接触，需要磁化设备，且检测对象会出现剩磁。 1.2.6漏磁检测漏磁检测是石油与天然气管道内检测的主要方式[4,5]，可实现埋地管道的非开挖检测。如图1.2所示，其通过携带有永磁体的检测器在管道内运行将管壁磁化，使罐壁的磁化达到饱和。同时管壁与钢刷、磁铁及铁心形成磁回路，当管壁没有缺陷时，磁力线在管道内均匀分布，形成匀强磁场。在缺陷罐壁处，磁力线发生扭曲，穿出管壁从而形成漏磁场。漏磁检测可实现对管道腐蚀和裂纹等的检测，但其不适用于小型管道，退磁困难，带来磁污染。 图1.4 埋地管道漏磁检测器 1.2.7金属磁记忆检测技术金属磁记忆技术是一种被动的检测方法，其不需要额外的磁化设备，且不受防腐保温层的影响。在地磁场中，铁磁性油气管道在内部介质和外载荷的作用下，内部的磁畴将发生不可逆的重新取向，使管道磁化，从而在管道上方产生自漏磁场（SMFL）。当管道存在宏观缺陷或微观结构缺陷时，大多出现局部应力集中，而应力集中将引起局部漏磁场的突变，即漏磁场Hp的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp(y)过零点，如图1.3所示。同时也可以通过法线分量的梯度出现峰值作为判断缺陷存在的依据。金属磁记忆技术与其它技术的主要区别在于其能实现对设备或构件缺陷的早期诊断，从而可有效的防止事故的发生，对石油与天然气管道的安全运行具有重大的意义。 图1.5 磁记忆检测原理图 在石油与天然气管道领域，金属磁记忆技术与其它无损检测技术相比，具有明显的优势，主要特点如下[7,8]： （1）不需要额外的磁化设备。金属磁记忆技术是利用地磁场和应力的作用实现管道的磁化，从而产生SMFL信号。 （2）可以实现管道缺陷的早期诊断。研究表明，应力集中是大多数缺陷产生的前奏，从而基于对应力集中的金属磁记忆检测可预防事故发生。 （3）不需要提前处理。管道表面的防腐层和保温层对磁记忆信号无影响，无需对检测表面进行处理。 （4）操作简单，检测速度快。金属磁记忆技术的操作非常简单，检测时的速度可以达到0.5m/s，可实现大规模检测。 （5）不受管道形状和尺寸的限制。金属磁记忆技术是一种外检测技术，不受管道内径和形状的影响，可实现管道设备的100%检测，为管道的完整性管道提供数据支撑。 参考文献： [1]狄彦, 帅健,王晓霖,等.油气管道事故原因分析及分类方法研究[J].中国安全科学学报,2013, 23(007): 109-115. [2] 王旭.长输管道事故案例统计分析及对策研究[J]. 广州化工,2013, 41(14): 233-235. [3]胡灯明,骆晖. 国内外天然气管道事故分析[J].石油工业技术监督, 2009, 25(9): 8-12. [4] 张俊哲．无损检测技术及其应用(第二版)[M]．北京：科学出版社，2010：265-268. [5] 武万辉,郭勇, 王同德,等. 管道漏磁检测技术及应用[J].管道技术与设备, 2009 (2): 33-34. [6]Jiang Q.Study of Underground Oil-Gas Pipeline Corrosion Pits Estimation Based on MFLInspection Method [J]. Journal of Testing and Evaluation, 2010, 38(2): 250-253. [7] Dubov A,Kolokolnikov M S. Assessment of the material state of oil and gas pipelinesbased on the metal magnetic memory method [J]. Welding in the World, 2012,56(3-4): 11-19. [8] Dubov A A.Development of a metal magnetic memory method [J]. Chemical and PetroleumEngineering, 2012, 47(11-12): 837-839. [9] Dubov A A. Astudy of metal properties using the method of magnetic memory [J]. MetalScience and Heat Treatment, 1997, 39(9): 401-405. |
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