摘要：長(zhǎng)距離埋地管道運(yùn)輸是目前石油天然氣資源的主要輸送方式，由于地管道運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，各種原因造成的管壁腐蝕直接威脅管道的使用壽命如何了解管道的腐蝕狀況，有目的地對(duì)管道進(jìn)行維修和搶修，確保管道的全運(yùn)行，延長(zhǎng)管道的服役時(shí)間，先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵。近幾年隨著科技的發(fā)展，新型檢測(cè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。本文簡(jiǎn)要介紹三種主要的檢測(cè)技及其原理，并從實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)做了簡(jiǎn)要探討。
關(guān)鍵詞：管道；檢測(cè)方法；漏磁：超聲；渦流
1 前言
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和各個(gè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，工業(yè)、國(guó)防、化工、石油運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)Σ牧腺|(zhì)量、設(shè)備安全的要求越來(lái)越高。材料質(zhì)量問(wèn)題、在役設(shè)備的環(huán)境腐蝕和疲勞斷裂的出現(xiàn)造成了重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重生產(chǎn)事故。飛機(jī)失事、鐵路、橋梁的疲勞斷裂、長(zhǎng)輸管道的泄漏、壓力容器的爆炸等都成為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展的直接動(dòng)力。
對(duì)于輸送管道的檢測(cè)一般在不停輸情況下進(jìn)行，檢測(cè)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣。所采用的方法主要包括外部檢測(cè)和內(nèi)部檢測(cè)。內(nèi)部檢測(cè)(簡(jiǎn)稱內(nèi)檢測(cè))對(duì)檢測(cè)器的要求較高，且對(duì)管道情況的要求也比較苛刻，儀器被投放到高溫高壓的輸送介質(zhì)中，以檢測(cè)器前后的壓力差為動(dòng)力。外部檢測(cè)(簡(jiǎn)稱外檢測(cè))直接利用儀器對(duì)管壁進(jìn)行測(cè)試，此種方法比較靈活但效率較低，不太適用于自動(dòng)化檢測(cè)。
為了解決材料質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行的安全問(wèn)題，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用方面取得了很大的進(jìn)步。對(duì)于油氣輸送管道的檢測(cè)，國(guó)外二十世紀(jì)五六十年代就開(kāi)始研究。國(guó)外以PII公司、TurboScope公司及Pipetronix公司等管道檢測(cè)服務(wù)公司為代表，擁有世界最為先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)技術(shù)，但檢測(cè)費(fèi)用極高。
國(guó)內(nèi)對(duì)于油氣輸送管道的檢測(cè)，主要以廊坊管道技術(shù)公司為代表，該公司擁有Φ273、Φ325、Φ377、Φ529、Φ610、Φ720等多種口徑的漏磁腐蝕及變形的內(nèi)檢測(cè)設(shè)備，可對(duì)各種口徑長(zhǎng)輸管道進(jìn)行在線檢測(cè)。同時(shí)，該公司還擁有11種規(guī)格的管道帶壓封堵設(shè)備，而且對(duì)常規(guī)存儲(chǔ)罐底板的檢測(cè)和管道防腐層的判廢及容器和輸油管道的陰極保護(hù)等都有豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。
在管道外檢測(cè)技術(shù)方面的自動(dòng)化設(shè)備，國(guó)內(nèi)外主要以超聲波、漏磁和渦流等領(lǐng)域的發(fā)展為代表。
隨著科學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)信息領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，一些新型檢測(cè)技術(shù)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用起來(lái)，激光全息檢測(cè)技術(shù)、電磁超生法、聲振法、聲發(fā)射等新技術(shù)都涌現(xiàn)出來(lái)。自動(dòng)化技術(shù)使快速高效可靠的無(wú)損檢測(cè)儀器的產(chǎn)生成為可能。
2 檢測(cè)原理
2.1 漏磁檢測(cè)技術(shù)
(1) 原理：
漏磁檢測(cè)是通過(guò)磁場(chǎng)將被檢物體磁化，拾取缺陷處的漏磁信號(hào)并對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行分析而取得腐蝕情況的。
(2) 漏磁場(chǎng)的形成：
當(dāng)鐵磁性物體被磁化時(shí)，缺陷處的磁力線會(huì)出現(xiàn)外溢現(xiàn)象，外溢量的大小同材料性質(zhì)、被檢物體的幾何形狀、缺陷的幾何形狀都有關(guān)系。對(duì)于檢測(cè)儀器而言外溢量越大則越容易檢測(cè)到缺陷。當(dāng)磁場(chǎng)由不同磁性物質(zhì)界面穿越時(shí)，由于磁場(chǎng)特性H對(duì)于無(wú)自由電流分布的介質(zhì)是連續(xù)的即▽×H=0、▽·B=0，另外表面切向方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為ht2，切向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為bt2，內(nèi)表面切向分量的磁場(chǎng)強(qiáng)度為ht1切向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為bt1；另材料外表面法向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為bn2法向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度為hn2而材料內(nèi)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為bn1法向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度為hn1。所以對(duì)于材料內(nèi)外表面切向方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度是相等的，法向方向磁感應(yīng)強(qiáng)度是相等的，即：bn1=bn2；ht2=ht1
又由于B=μH，如圖1：
式中μ2為介質(zhì)2中的磁導(dǎo)率；μ1為介質(zhì)1中的磁導(dǎo)率。
由上述理論可導(dǎo)出，當(dāng)磁場(chǎng)由磁導(dǎo)率大的介質(zhì)穿出到磁導(dǎo)率小的介質(zhì)中時(shí)，磁場(chǎng)向法向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此當(dāng)磁場(chǎng)在管壁上遇到缺陷時(shí)由于μ2遠(yuǎn)小于μ1。使得磁場(chǎng)在缺陷出溢出形成漏磁信號(hào)。
所以當(dāng)磁場(chǎng)穿過(guò)不同磁特性的界面時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)管道內(nèi)壁或外壁存在缺陷時(shí)磁場(chǎng)會(huì)從缺陷處溢出如圖2：當(dāng)線圈在漏磁場(chǎng)處進(jìn)行切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)便產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而有電信號(hào)產(chǎn)生。再通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和定位系統(tǒng)得到缺陷的大小和確切位置。
(3) 影響缺陷信號(hào)大小的因素：
A、探頭靈敏度
探頭靈敏度的影響因素很多包括感應(yīng)線圈的電感大小，探頭外殼材料的磁特性等
B、檢測(cè)器在管道中運(yùn)行的速度
由于ε=dΦ/dt
Φ=B×S
ε=d(B×S)/dr
ε=S×(dB/dt)+B×(dS/dt)
由式ε=S×(dB/dt)+B×(dS/dt)可以看出，當(dāng)線圈切割磁力線的速度越快所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。所以調(diào)節(jié)通道板的增益時(shí)也應(yīng)考慮檢測(cè)器運(yùn)行速度的大小。
C、管壁的薄厚：
當(dāng)管道壁板材料相同而板材厚薄不同時(shí)，相同大小的磁場(chǎng)強(qiáng)度在管壁內(nèi)形成的磁通密度不同，所以相同大小的缺陷在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下管壁越薄所形成的漏磁信號(hào)越大。
(4) 組成：
A、動(dòng)力裝置
為了達(dá)到自動(dòng)掃描，提高效率，本系統(tǒng)擬采用動(dòng)力裝置，動(dòng)力由調(diào)速電機(jī)提供，通過(guò)爬行輪牽引在管道上爬行。操作人員在地面對(duì)其進(jìn)行控制操作。
B、檢測(cè)傳感器
可采用線圈傳感器或霍爾元件傳感器兩種方案。將傳感器(簡(jiǎn)稱探頭)合理地分布于管道上方來(lái)拾取漏磁信號(hào)達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的。
為了使得所掃描范圍不漏檢可以將探頭分為前后兩排交叉分布，這樣可以節(jié)省橫向空間同時(shí)保證了避免漏檢。
C、磁化方式
對(duì)于磁化方式存在兩種磁化機(jī)制：
1、利用永久磁鐵對(duì)管壁進(jìn)行磁化，永久性磁鐵的磁性材料可用釹鐵硼。此種方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加輔助設(shè)施靈活方便，但永久性磁鐵磁性強(qiáng)度相對(duì)較小。
2、采用電磁鐵的方法對(duì)管壁進(jìn)行磁化，電磁鐵可利用硅鋼片為軛鐵用線圈纏繞通電形成磁場(chǎng)。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)管壁的磁化強(qiáng)度可調(diào)易于控制。
D、機(jī)械架構(gòu)
為了適應(yīng)各種管道的檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械構(gòu)架應(yīng)具有活動(dòng)機(jī)構(gòu)。
E、數(shù)據(jù)處理
對(duì)于所采集的數(shù)據(jù)可以使用實(shí)時(shí)顯示處理的方法，也可以采取存儲(chǔ)后期處理方案。
1、實(shí)時(shí)處理分為信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸兩種機(jī)構(gòu)，信號(hào)傳輸由檢測(cè)器傳出的數(shù)據(jù)為采樣信號(hào)，傳出后直接進(jìn)入工控機(jī)由工控機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，這樣的優(yōu)點(diǎn)是采樣速度和處理速度可以達(dá)到很高，但難免存在傳輸線上的信號(hào)衰減，傳感器需要作特殊電路上的處理。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸由于傳輸距離相對(duì)較長(zhǎng)所以可以使用RS-232進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸，此種方法硬件設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。由計(jì)算機(jī)直接接收檢測(cè)器所傳出的數(shù)據(jù)或信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。2、后期處理的方法較為復(fù)雜，檢測(cè)器必須存在里程記錄和方位記錄等功能。首先將檢測(cè)器采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到檢測(cè)器的存儲(chǔ)器中，檢測(cè)完成后由檢測(cè)器傳出數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到管道的腐蝕點(diǎn)。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了檢測(cè)時(shí)的繁瑣操作過(guò)程但所采集的數(shù)據(jù)量增加了，一次性檢測(cè)的距離受到限制。
F、電源
電源是檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，可以通過(guò)電池或由電纜線提供。
G、總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
H、適用范圍
此種檢測(cè)方法需對(duì)被檢管道的保溫層進(jìn)行剝離最大防腐層厚度為6mm。
2.2 超聲檢測(cè)技術(shù)
當(dāng)今超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展日新月異，新技術(shù)新成果層出不窮。為了能夠適應(yīng)帶有防腐層管道的檢測(cè)，我們對(duì)超聲新技術(shù)進(jìn)行了前期調(diào)研，找到一種先進(jìn)的超聲檢測(cè)方法Lamb Wave超聲檢測(cè)技術(shù)。Lamb-Wave波是在板中傳播的橫波縱波反射及充分干涉疊加，激起全板振動(dòng)。此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是超聲波在被檢物體中以整體板的形式向前傳播，依靠接收探頭接收數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)缺陷。本技術(shù)可以將發(fā)射探頭與接收探頭分離開(kāi)來(lái)，這樣可以減少防腐層的剝離。
本檢測(cè)方案初步定義如下：
(1) 原理：
蘭姆波一般適用于厚度與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)谋“?，蘭姆波的激發(fā)與頻率、板厚縱波的入射角密切相關(guān)。在檢測(cè)時(shí)不同模式的蘭姆波在板材界面的不同厚度處有不同的能量流分布，在被檢物體內(nèi)部表現(xiàn)為有不同垂直位移分量和水平分量。因此在檢測(cè)時(shí)僅用一種模式不能發(fā)現(xiàn)其中的全部缺陷。就位移分量的特點(diǎn)來(lái)看，垂直分量越大，傳遞給周圍介質(zhì)的能量越大，蘭姆波能量傳遞越快，傳播距離越短，相反水平分量越大，能量傳遞損失越小，傳播距離越遠(yuǎn)，所以一般選擇模式時(shí)一般選擇水平分量大的模式。
(2) 組成：
A、探頭
探頭是超聲波產(chǎn)生和接收的直接傳感器，要想在不同材料的工件中產(chǎn)生Lamb-Wave超聲波應(yīng)具有不同制造工藝的探頭。為了能夠形成板波，矩形壓電晶片位于垂直板面的方向上的平面內(nèi)其長(zhǎng)邊應(yīng)至少為板厚的7～10倍，并應(yīng)有適當(dāng)?shù)娜肷浣牵ＷC聲束有足夠的寬度，以便充分疊加干涉。
B、超聲波發(fā)生電路
超聲波發(fā)生電路由同步脈沖產(chǎn)生電路(由主控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生)功率放大電路、升壓電路組成。超聲檢測(cè)儀應(yīng)有足夠的發(fā)射功率和發(fā)射脈沖寬度，保證發(fā)射脈沖有足夠長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間以利于波的干涉。頻率的選擇與被檢物體的材質(zhì)、厚度相關(guān)。Lamb-Wave波檢測(cè)通常使用的頻率范圍為0.6～1OMHz，最常用的有1、1.5、1.8、2、2.5、和5MHz。
C、超聲波接收電路
超聲波接收電路由信號(hào)接收和信號(hào)放大及衰減電路組成。
D、數(shù)據(jù)處理
由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析顯示圖象。
E、電源
提供電源為220V 50Hz
F、總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
2.3 渦流檢測(cè)技術(shù)
(1) 原理
渦流檢測(cè)技術(shù)是一種新型檢測(cè)技術(shù)，它利用導(dǎo)體中的渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體材料中的缺陷性質(zhì)進(jìn)行分析。由電磁理論可知，隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)導(dǎo)體中通以交變電流時(shí)會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部和周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，在交變磁場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體中將產(chǎn)生與所加交變電流相反的電動(dòng)勢(shì)，表現(xiàn)為交變電流的阻抗。對(duì)于渦流檢測(cè)器其應(yīng)用時(shí)探頭線圈中通以交變電流，交變電流在被檢導(dǎo)體內(nèi)形成與其相反的渦旋電流如圖：
當(dāng)被檢測(cè)物體上有缺陷存在時(shí)，所形成的渦旋電流將繞過(guò)缺陷，所以所形成的感應(yīng)電磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而使耦合后的阻抗發(fā)生變化，其變化將在探頭上感應(yīng)出來(lái)。渦流檢測(cè)優(yōu)越之處在于其激勵(lì)信號(hào)為交變電流，通過(guò)對(duì)交變電流相位的不同的分析可以提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，提高靈敏度。
(2) 組成：
A、探頭
渦流檢測(cè)器的探頭是渦流檢測(cè)的關(guān)鍵部分，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的高低和信噪比的大小。良好的探頭設(shè)計(jì)和適宜的探頭結(jié)構(gòu)形式能使原本不易探測(cè)的缺陷信號(hào)得以增強(qiáng)。探頭的形式主要包括差動(dòng)式(Differential)、絕對(duì)式(Absolute)、和反射式(Reflection，Drive pick-up)線圈，一般根據(jù)被檢材料材質(zhì)檢測(cè)速度等因素對(duì)探頭形式進(jìn)行選擇。
B、信號(hào)發(fā)生電路：
被檢導(dǎo)體上渦流的產(chǎn)生較為復(fù)雜，首先需要一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，一般由線圈產(chǎn)生。通過(guò)向探頭(線圈)中通以特定頻率的交流電，交流電的頻大小非常重要，它不僅直接影響檢測(cè)缺陷的深度，而且對(duì)檢測(cè)靈敏度影響也很大。交變信號(hào)通常為較大功率的正弦波信號(hào)，這樣有利于拾取信號(hào)的分析。
C、信號(hào)處理部分
首先由探頭接收信號(hào)，通過(guò)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行阻抗分析，提取相位的變化確定缺陷的信息，但對(duì)于被檢導(dǎo)體而言由于探頭的提離效應(yīng)和被檢導(dǎo)體邊緣效應(yīng)的影響，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)抑制無(wú)用信號(hào)帶來(lái)的影響。
3 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展日新月異，檢測(cè)精度不斷提高，本文中提級(jí)的三種檢測(cè)方法各有利弊。對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)的最終處理要求不一，為了提高檢測(cè)質(zhì)量可以利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行深度加工。從而充分挖掘檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)資源。
(本文作者：常連庚 陳崇祺 張永江 季峰 中國(guó)石油天然氣管道局管道技術(shù)公司 河北廊坊 065000)
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