油田管线全覆盖TEM检测(李永年)

-85-油田管线全覆盖TEM检测李永年尚兵李晓松（保定驰骋千里科技有限公司河北保定071051）摘要：全覆盖TEM检测技术采用“连续式”TEM数据采集与处理手段，不仅能查找、确定管壁厚度减薄部位，还可以发现管道应力集中、人为破坏以及其它管道缺陷。作为间接检测手段，在油（气）田管线腐蚀直接评价（ECDA，ICDA）过程中有着突出的作用。关键词：腐蚀检测管壁厚度全覆盖检测瞬变电磁与长输管线相比起来，油田管线的情况要复杂得多：通过站、井连接成网，密度较大，有的地域甚至密集平行分布；基于工艺流程和不同用途的需要，多种规格管道并存且其防腐（保温）层结构与阴极保护措施也大不相同；管输介质往往具有较强的腐蚀性，管道内腐蚀的情况比较突出；随着油田发展，新管线的敷设是必然的，有的甚至就依傍在老管线附近，腐蚀与防护的环境经常变化；老旧管道的安全运行状况逐年下降，维修与局部更换在所难免，一条管线上存在规格、材质、防护措施不尽相同的管段的现象并不鲜见。油田管线的复杂情况给检测带来了困难，尽管针对不同目的所采用的不同检测手段都可能取得较好的效果，但直接针对管体金属腐蚀与损伤的检测方法依然是油田管线工作者们所期望的。在埋地管道腐蚀直接评价（ECDA，ICDA）过程中，管道壁厚瞬变电磁（TEM）检测技术作为一种较成熟的间接检测手段[1，2，9]，用于查明管道内、外腐蚀严重部位，已经取得了较好的效果。之前一直采用“点测”，即沿管道按一定间距布置测点进行基础检测，在所发现的管壁厚度异常点处加密检测，从而确定腐蚀严重部位的数据采集方式。尽管可以得到准确的平均管壁厚度，但对于管壁减薄部位的发现率依然受到基础检测点距的限制，有可能漏检基础检测点之间的腐蚀严重管段。“点测”也不能确定裂纹等范围较小的应力集中部位以及其它金属损失率很小的腐蚀缺陷。改进的办法就是尽可能地缩小检测点距以至完全覆盖被检测管段。要想做到全覆盖检测，关键是采用“连续式”TEM数据采集与处理手段。1磁记忆、管道缺陷磁性特征研究[3]表明，铁磁性物质在没有外加磁场情况下能自发性取向一致而形成磁畴，磁畴方向无序排列时并不表现出磁性。在外磁场的磁化作用下，磁畴取向于磁化方向而表现出强烈的磁性。铁磁性物质伴随其磁化状态（大小和方向）的变化而发生大小和形状变化的现象即是“磁致伸缩”效应，铁磁性物质的应力形变使其磁化状态发生变化则为“磁致伸缩”逆效应。绝大多数管道是铁磁性工件，在地磁场的作用下，磁滞特性使其应力形变部位保留（记忆）了“磁致伸缩”逆效应导致的磁性（磁化强度的大小和方向）变化。-86-可以用最简单（应力方向与磁化方向一致）情况下应力变化δδΔ与磁化强度变化MMΔ之间的关系说明磁记忆检测方法的物理基础：0033(3)ssbMMCMqMabδδδμμδδδΔΔΔ=⋅=⋅−+（1）式（1）中：C是与被检测对象的饱和磁化强度、磁致伸缩系数、应力强度等有关的参量。根据磁化强度Mr与磁化磁场Hr之间的关系，可以得到（2）式：[]()()()ppvrHMrrMvHdvvCvμμδμδ∂=∂=ΔΔ=⋅∫∫∫rrrgrr（2）式（2）中，pHr是缺陷磁性介质在p点产生的磁场强度，prrr是由缺陷指向p点的径向单位矢量，()vμ是缺陷范围内磁导率分布函数，v是缺陷范围（体积）。（2）式表明，在地磁场和缺陷应力作用下，由“磁记忆效应”所产生的管道磁性特征改变的物理实质是管道缺陷范围内磁导率μ的改变。2管道缺陷物理特性与TEM响应异常在瞬变电磁（TEM）检测方法里，研究的对象是管壁厚度变化和管道物理特性变化。物理特性变化包括“磁记忆现象”导致的磁导率μ的变化和由晶间腐蚀或穿晶腐蚀、氢腐蚀（氢鼓泡、氢脆等）以及热胀冷缩等原因所导致的电导率σ的变化。这些变化影响综合参数α的大小，从而引起管道瞬变电磁场的变化。212()2()bddaddddbddαμσαμσαμσαμσαμσ=ΔΔΔ=−+⋅+ΔΔΔ=−−⋅−（3）-87-（3）式中，a是管道内半径（计算外壁减损时采用），b是管道外半径（计算内壁减损时采用），d是管壁厚度，dΔ是壁厚减薄量。与磁法（被动场源）检测不同的是，瞬变电磁（TEM）检测是一种主动源场检测方法，可以通过增大激励场源的途径或者采用干扰跟踪与消除技术以获得足够的信噪比，保证数据采集质量，提高检测效果。在TEM检测过程中，向管道施加的激励磁场是一个周期性变化的交变脉冲磁场，众所周知，这是一列主频与脉冲变化周期相同的宽频信号，这样的外加磁场不产生磁记忆效应。当对某一段管道检测时，只要保持激励信号的周期（频率）不变，就不会影响对管壁厚度变化和管道物理特性（包括“磁记忆效应”所致磁导率）变化的检测。需要指出，管道材质晶间结构或充填物（如氢分子）的变化也会导致电导率的变化。在TEM检测方法里，把磁导率与电导率的乘积作为一个参量（μσ）来处理比较方便（见（3）式），不影响管壁厚度和缺陷异常的检测。可以通过一组参数不同的理论模型TEM响应及其反演结果来说明参数变化对TEM检测的影响[6]。对比模型2（φ219×7mm，h=1.5m，μ=150,σ=4460000S）。表1理论模型参数表与反演结果对比表模型号埋深（m）管径（mm）壁厚（mm）相对磁导率μ电导率σ（S）反演壁厚(25-40ms)反演偏差%(25-40ms)12.02737.0015044600007.000.00%21.52737.0015044600007.000.00%31.52197.0015044600006.84-2.27%41.52736.3015044600006.320.32%51.52736.3016544600006.635.17%61.52736.3013544600005.95-5.54%71.52736.3015049060006.696.19%81.52736.3015040140005.86-7.05%91.52736.3016540140006.21-1.49%101.52736.3013549060006.361.00%111.52736.3013540140005.44-13.70%121.52736.3016549060006.9610.44%131.52737.7015044600007.47-3.00%141.52737.7016544600007.65-0.71%151.52737.7013544600007.24-5.92%161.52737.7015049060007.68-0.29%-88-171.52737.7015040140007.19-6.60%181.52737.7016540140007.41-3.81%191.52737.7013540140006.92-10.09%201.52737.7013549060007.49-2.73%211.52737.7016549060007.821.58%221.52737.0015044600007.000.00%231.52737.0016540140006.92-1.20%241.52737.0013549060007.030.43%251.52737.0013540140006.30-10.03%261.52737.0016549060007.486.89%理论模型TEM响应幅值对比剖面图1.0E-011.0E+001.0E+011.0E+021.0E+031.0E+041.0E+051.0E+0602468101214161820222426模型号μV/A图1理论模型（表1）TEM响应对比剖面图不同模型的TEM响应不同（图1、图2），衰减时窗越是晚期差别越是明显；理论模型TEM响应幅值时间特性图1.0E-011.0E+001.0E+011.0E+021.0E+031.0E+041.0E+051.0E+060.11101001000msμV/A1234567891011121314151617181920212223242526图2不同理论模型TEM响应时变曲线对比图-89-埋深大（模型1）的TEM响应幅值小，只要其他参数相同，其时变曲线在双对数坐标图上与模型2的呈平行关系（图4），埋深变化不影响壁厚反演结果；模型参数变化与反演结果对比图5.007.009.00051015202530模型号0.0%20.0%40.0%60.0%80.0%100.0%120.0%模型壁厚mm反演壁厚(15-25ms)反演偏差%(15-25ms)反演壁厚(25-40ms)反演偏差%(25-40ms)反演壁厚(40-63ms)相对磁导率变化%电导率变化%图3理论模型参数变化与其TEM响应反演结果对比图管径小（模型3，219mm）的TEM响应幅值小（图4），尽管电磁参数相同，但因反演过程中仍然采用了模型2的管径值（273mm），反演管壁厚度值产生偏差（表2），因此，对于管径不同的被检管段应当分别进行反演；管径、埋深不同的理论模型TEM响应时间特性图1.0E+001.0E+011.0E+021.0E+031.0E+041.0E+051.0E+060.11101001000msμV/Aφ273×7,h=2.0φ273×7,h=1.5φ219×7,h=1.5图4管径、埋深不同的理论模型TEM响应时间特性对比图TEM响应的变化与壁厚变化成正比，壁厚变化幅度相同（±10%），增大（模型13）者的TEM响应增大幅度比减小（模型4）者的TEM响应减小幅度明显（图5），仅有壁厚改变时，反演壁厚相对模型壁厚的偏差较小且随着反演时窗移向晚期而减小，壁厚大者（模型13，7.7mm）比壁厚小（模型4，6.3mm）的“最佳反演时窗”更靠晚期是意料中的事（图2）；-90-壁厚不同电磁参数相同TEM响应幅度时变曲线图0.00.51.01.52.02.53.01101001000msμV/Ab=7.0,μ,σb=6.3,μ,σb=7.7,μ,σ壁厚6.3mm不同电磁参数的TEM响应幅度时变曲线图0.00.51.01.52.02.51101001000msμV/Ab=6.3,μ,σb,1.1μ,σb,0.9μ,σb,μ,1.1σb,μ,0.9σ图5电磁参数相同、壁厚不同的理论模型TEM图6壁厚相同（6.3mm）、电磁参数不同的理论模型响应幅度时变曲线对比图TEM响应幅度时变曲线对比图壁厚保持不变（图6、图7），多数情况下，磁导率减小（模型6、15）或电导率减小（模型8、17）反演壁厚小于模型壁厚，磁导率增大（模型5、14）或电导率增大（模型7、16）反演壁厚大于模型壁厚（表2）。磁导率的减小（或增大）幅度与电导率的增大（或减小）幅度相当而互相抵消（模型9、10、18、20）时反演壁厚接近于模型壁厚。磁导率与电导率同时减小（模型11、19）或增大（模型12、21）时，反演壁厚相对于模型壁厚的偏差最大，其中同时减小者尤甚（图3）。图6、图7与图8中，μ=150、σ=446000（S）图8中表示的是壁厚与电磁参数都有变化时的TEM响应幅值变化（与模型2:φ273×7、μ=150、σ=4460009(S)对比）随延时增大而变化的曲线图，可以看出，壁厚、电磁参数变小时的影响要突出一些，例如，尽管电磁参数变大1.21倍，但壁厚6.3mm相对壁厚7mm的TEM响应值仍然是减小的，只是在壁厚与电磁参数均增大的情况下，其TEM响应值才有明显的增大。壁厚7.7mm不同电磁参数的TEM响应幅度时变曲线图0.00.51.01.52.02.51101001000msμV/Ab=7.7,μ,σb,1.1μ,σb,0.9μ,σb,μ,1.1σb,μ,0.9σ壁厚、电磁参数均有变化TEM响应幅度时变曲线对比图0.01.02.03.04.05.01101001000msb=7.0,μ,σb=6.3,0.9μ,0.9σb=6.3,1.1μ,1.1σb=7.7,0.9μ,0.9σb=7.7,1.1μ,1.1σ图7壁厚相同（7.7mm）、电磁参数不同的理论模图8壁厚、电磁参数不同的理论模型TEM响应幅度TEM响应幅度时变曲线对比图型