埋地管道缺陷磁法检测技术实验

埋地管道缺陷磁法检测技术实验李永年李晓松尚兵于鸿达（保定驰骋千里科技有限公司）（俄罗斯动力诊断公司北京办事处）摘要采用“非接触式”磁记忆检测技术在输油管道內腐蚀严重管段进行了实验检测，通过对比，给出了抑制干扰、剥离出管道缺陷异常的办法，取得了预期效果。关键词金属磁记忆管道缺陷磁法检测技术实验前言一、埋地管道缺陷磁法检测技术实质就已发表的文献来看，埋地管道缺陷磁法检测技术基于磁法勘探手段与金属磁记忆检测原理。两项成熟的技术结合起来检测铁磁性埋地管道无疑是一个创新，应用时需考虑如下问题（限于篇幅和能力，这里只对涉及磁法勘探的一些问题表述意见。）：1．需要剥离出缺陷磁场；2．需要抑制非目标管道的磁干扰；3．需要有精度与缺陷磁场量值相适配的磁力计；4．需要有一套科学的检测方案、数据处理手段以及合理的工作流程。二、观测磁场的组成无论由何种原因造成管道缺陷磁记忆效应，缺陷磁场总是叠加在地磁场背景和管道磁场上。图1坐标系示意图1．地磁背景场首先确定坐标系。设y轴指向管道走向（AG）方位，x轴垂直于管道并指向（AG-90°）方位，z轴垂直向下指向地心。（图1）在规定的坐标系中，地磁场用（1）式给出：-1-0000220()[coscos()coscos()sin]2()xyzmGmGHiHjHkHHZHiIAAjIAAkZIarctgHI（1）式中Z：地磁场的垂直分量H：地磁场的水平分量I：地磁场的倾角mA：磁偏角通常采用三分量磁力仪采集磁场数据。在一个不大的范围内工作时，地磁场变化很小，可以认为是“常量”，容易从观测数据中去除。2．管道磁场管道磁场相对比较复杂，不仅与地磁场有关，而且还与管道的方位和倾角、规格和材质以及敷设结构有关。在无缺陷的管段上取得相应参数以后，管道的磁场是可计算的（另文撰述）。在观测数据中去除地磁背景和管道磁场后，剩下的就是缺陷磁场和干扰磁场了。3．干扰磁场应用磁法检测技术检测管道缺陷时涉及的干扰磁场除了环境干扰（邻近铁磁性物体、电气设施等）、时变干扰（磁暴、雷电、交通人流等）以外，还包括连续采样过程中磁力仪相对目标管道位置的变化以及行进速度的变化（影响缺陷定位）所引起的随机性干扰。干扰程度以及对干扰消除的手段直接影响到检测效果。4．缺陷磁场实践证明，管道缺陷磁场的量级变化范围很大，分布形式也极为复杂。一般情况下，对于尺寸不大的缺陷（例如裂纹、点蚀与坑蚀群、焊缝应力开裂等）可按等效偶极子磁场分析，而对于有一定长度的应力疲劳损伤管段可通过有限长管道磁场分析（另文撰述）。实际面临的问题往往是两者的叠加。通过模拟计算或者反演计算的途径得到埋地管道缺陷和应力疲劳损伤管段的位置与危险程度的关键有两个，一是磁力仪的灵敏度和稳定性（硬件），二是抗干扰措施和剥离出缺陷磁场的技巧（检测方法、方案和软件）。实验-2-一、实验仪器埋地管道缺陷磁法检测技术实验使用俄罗斯动力诊断公司生产的TSC-3M-12应力集中测量仪（图2），探头是两个可上下分离的三分量磁通门磁力计，灵敏度为±0.1A/m。二、实验现场实验在MaoRX和MaoSX输油管道上进行，这两个管道恰好已做过TEM管壁厚度检测并确定出“管道內腐蚀严重地段”。在开挖直接评价工作之前，以每个拟开挖点为中心分别布置磁法检测段，每个磁法检测段均为30m长，共布置了14处。为了在检测时尽可能使探头保持在管道正上方，事先探测管道位置并以测绳标记管道轴线在地面的投影，磁法检测员手持检测仪尽可能沿标记匀速行进连续采集磁场数据（图3）。三、实验数据由TSC-3M-12记录的数据格式如表1。表1TSC-3M-12数据记录格式X[mm]Hp-1[A/m]Hp-2[A/m]Hp-3[A/m]Hp-4[A/m]Hp-5[A/m]Hp-6[A/m]0-293-45071-407-532-111-294-44971-407-532-112-294-44972-407-532-10…………………被检管道埋设于路边，规格：φ219×7mm，埋深1.2m左右。图中白线是管道轴线在地面投影位置。图3实验检测现场图2实验所用仪器1TSC-3М-12应力集中测量仪-3-表1中X既是记录序号，也表示记录位置，通过采集起、止序号和采集段长度最终换算成与其他检测方法相一致的检测点号。Hp-1、Hp-2、Hp-3是下探头的三个分量，Hp-4、Hp-5、Hp-6是上探头的三个分量，按顺序分别对应于垂直管道的水平方向、垂直管道的向上方向和沿管道的水平方向。表中数据的实际单位是0.1A/m。磁场数据采集密度大约140个/米左右，原始记录图示如图4。图4MaoRX5935-5965段磁法检测数据图四、数据处理由于各种磁场叠加的原因，从原始数据上往往看不到直观的结果，需要经过适当的数据处理。通过与开挖检验结果对比的途径，对磁法检测实验数据做过多种分析和处理，目的在于探寻一种既符合俄罗斯联邦国家标准ГОСТР52005-2003《无损检测金属磁记忆方法基本要求》的规定，又能抑制干扰、剥离出管道缺陷磁异常的办法。限于篇幅，本文只介绍确定目标异常的办法。1．滑动滤波滑动滤波可以减弱行进采集过程中无法控制的随机性误差干扰。121PjinPjsoiinHniH（2）式中PjsiH是滑动滤波后磁场数据，PjoiH是原始采集的磁场数据，i是观测点号，是滑动滤波窗内的数据点数，2n1j表示磁场分量，其中1、2、3是下探头的，4、5、6是上探头的。通过图5与图4对比可看出滤波效果。-4-MaoRX5935-5965段磁场（滤波）数据图-100-80-60-40-200205935594059455950595559605965mA/m012345678910A/m/mHp-1Hp-2Hp-3Hp-4Hp-5Hp-6ΔH1/ΔxΔH2/ΔxΔH3/ΔxΔH4/ΔxΔH5/ΔxΔH6/Δx图5MaoRX5935-5965段磁场滑动滤波数据图2．去除地磁场背景已知检测位置的地磁要素时，可以通过计算的方法从三分量数据中减去地磁背景场；如能准确定位观测点，两点之间相应分量相减也能去除地磁背景场的影响；更方便的办法是两个三分量探头之间相应分量相减即可去除地磁背景场的影响，但需要两个探头之间有很高的一致性。应当注意的是，三种办法都不能去除局部磁性体干扰。MaoRX5935-5965段磁场（下探头-上探头）数据图-20-15-10-50510155935594059455950595559605965mA/m0510152025303540A/m/mHp（1-4）Hp（1-5）Hp（1-6）ΔH(1-4)/ΔxΔH(2-5)/ΔxΔH(3-6)/Δx图6MaoRX5935-5965段磁场（去除地磁背景）数据图图6是用下探头与上探头对应分量相减去除地磁背景后得到的磁场及相应分量沿管道走向（南北）梯度数据图。3．确定缺陷异常段及异常段最大异常ГОСТР52005-2003《无损检测金属磁记忆方法基本要求》规定用金属-5-变形磁指标（m）表征管道缺陷的危险程度，m定义如下：maxmPinkinedinHklkmk（3）（3）式中：磁场强度变化率inkPH：两个测点之间磁场差值模量：测点之间距离klmedink：异常段磁场强度变化率的平均值maxink：异常段内磁场强度变化率的最大值上述规定脱胎于接触式磁记忆检测，用于埋地管道磁法检测时，寻找磁场强度变化率的最大值容易，划分该最大值所在异常段的范围却很困难，也就是说计算时缺乏分段的具体依据。通过对比，下述办法比较适当：medink1）对一段管道（例如30m长）的磁场滑动滤波数据（见2式）求磁场强度变化率，其中（4-1）式为下探头（）和上探头（）的计算式；（4-2）式为下、上探头磁场分量差的（ibinkitinkibtink）计算式。1132116241()()iiiiiisbsbPjPjbinjiiststPjPjtinjiiHHkxxHHkxx（4-1）1133211()iiiisbstsbstPjPjPjPjbtinjiiHHHHkxx3i（4-2）2）求该段管道磁场强度变化率的平均值（ink）和绝对偏差平均值（）。1111NininllNinlinlkkNkkN（5）3）根据管道的具体情况确定磁场强度变化率的异常分级，一般情况下，按-6-表2分级可能是适当的。表2磁场强度变化率异常分级表级别一级二级三级区间ink＜ink+ink+≤＜inkink+2.5ink≥ink+2.5属性正常运行监视运行维修4．缺陷性能磁指标缺陷性能磁指标（ГОСТР52005-2003《无损检测金属磁记忆方法基本要求》中称为金属变形性能磁指标。称作“缺陷性能磁指标”可能更广义一些）应在开挖检验时对缺陷进行接触式磁记忆检测后计算得到，它可以作为标定值对地面检测结果进行校正。遗憾的是此项工作未能进行。五、实验结果依据上述办法对所有做了磁法检测的管段进行数据处理，剥离出的异常分布均以相同的方式图示。普遍情况是，下探头磁场梯度、上探头磁场梯度以及下、上探头磁场差的梯度所表达的异常分布大体一致，只不过下探头的异常幅度较大，显然是距离管道较近的原因。MaoRX标称规格为φ219×6mm，除4135-4165段走向东西外，其余各段走向均为南北，埋深1.0m~1.2m左右。內腐蚀和人为破坏（盗油点）均较严重，多发性穿孔漏油。多数管段的异常分布具有突出、集中的特征（图7-1和图7-2）。MaoSX标称规格为φ114×5mm，走向近东西，埋深不足1m。异常分布呈弥散状（图7-3和图7-4），应当是与管内结垢严重有关。MaoRX5460-5490段磁场（滤波后）强度变化率散点图20304050605460546554705475548054855490mA/m/m下探头梯度上探头梯度下减上梯度图7-1MaoRX5460-5490段磁场梯度异常分布图-7-MaoRX12085-12115段磁场（滤波后）强度变化率散点图2040608010012012085120901209512100121051211012115mA/m/m下探头梯度上探头梯度下减上梯度图7-2MaoRX12085-12115段磁场梯度异常分布图MaoSX1235-1265段磁场（滤波后）强度变化率散点图5101520253035401235124012451250125512601265mA/m/m下探头梯度上探头梯度下减上梯度图7-3MaoSX1235-1265段磁场梯度异常分布图MaoSX1385-1415段磁场（滤波后）强度变化率散点图5101520253035401385139013951400140514101415mA/m/m下探头梯度上探头梯度下减上梯度图7-4MaoSX1385-1415段磁场梯度异常分布图-8-依据表2的思路，对各检测段作了级别划分，限于篇幅，表3中只列出了不同异常级别管段的累计长度。表3-1、表3-2、表3-3有着大体一致的结果，因为检测对象和数据处理手段是一样的。但依然还有差别，应当与干扰以及观测误差有关，也与探头的灵敏度有关。应当注意到，下、上探头磁场相减虽然去除了地磁场背景，但也减弱了目标异常特别是弱异常的信息，尤其是在磁探头灵敏度不高（本次实验所用磁探头的灵敏度为0.1A/m）的情况下更为突出，5460-5490段和10160-10190段可能属此类情况（表3-3）。表3-1MaoRX、MaoSX下探头磁场梯度与异常分级（累计长度）检测管段检测管长（m）梯度平均值梯度最大值平均偏差一级管长（m）二级管长（m）三级管长（m）MaoRX4135-41653011.1034.874.6523.804.172.035460-54903012.8441.355.2924.003.672.335935-59653014.0655.265.9823.983.952.077180-72103013.3139.565.3