新型供热埋地金属管道非开挖无损检测技术研究

2019年22期
技术创新
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
新型供热埋地金属管道非开挖无损检测技术研究
孙
旭1，段刚太2，陆
源3，杨逍波2，谢富友3，邢乐民2
（1.大唐东北电力试验研究所，吉林长春130012；2.大唐青岛热力有限公司，
山东青岛266500；3.大唐黄岛发电有限责任公司，
山东青岛266500）引言
随着科技的进步和经济的高速发展，
城市基础设施不断完善和加强，城市集中供热无论在规模和技术方面都有了很大发展，不仅表现在供热范围由北向南延伸，而且集
中供热系统规模也在不断扩大。

但随着供热管网输送距离的增长，分支节点和附件设备的增多，较早铺设的热力管
道在运行15年以后开始逐渐出现管道老化、
腐蚀、热能浪费等重大问题，造成安全事故频发[1]，如何确保埋地供热管
道安全稳定运行成为了企业的难题，
也愈来愈受到各级部门的重视。

本文通过对各种非开挖无损检测技术的原理和优缺点进行研究，提出适用于供热行业的埋地金属管道非开挖无损检测技术应用条件。

1管道腐蚀形态及影响因素
目前供热管道多采用高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管，由输送介质的工作钢管、聚氨酯
保温层、聚乙烯塑料外护管由内向外依次结合而成
（见图1），其中聚乙烯塑料外护管起主要腐蚀防护作用。

当外保护层发生破损时，土壤中的空气以及游离水会透过聚氨酯保温层与钢管发生接触，产生电化学反应造成金属腐蚀，根据统计由腐蚀引起的管壁厚度减薄是造成管道失效破
坏的主要原因之一，除此之外，
管道还会出现冲刷减薄泄漏、焊缝失效泄漏、补偿器失效泄漏等失效形式。

2管道非开挖无损检测技术现状
常规无损检测方法在供热埋地管道的检测应用上存在明显劣势，主要体现为：一般需在管道表面露出条件下
进行检测，对埋地管道需开挖施工，
检测一次消耗大量人力物力；检测过程为逐点扫描式，
无法保证检测范围全覆盖。

因此，应用电磁检测技术对埋地管道腐蚀危险区的非
开挖无损检测，提前判断管道腐蚀程度，
计算管道剩余服役寿命，可以极大提高管道检修维护的经济性和安全性。

2.1瞬变电磁检测技术
瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method ，TEM ），是一种人工源的时间域电磁法[2]，其基本原理是电磁感应定律。

埋地金属管道在长期服役后会发生一系列的化学反应进而发生腐蚀，导致管道金属量损失和腐蚀产物堆积，使金属管壁物理特性发生变化，即金属量减少造成的电导率和磁导率下降。

通过检测发现这一变化并经过相应的解析算法对数据进行处理就可以判断管道腐蚀区段，并对管道腐蚀状况给出科学的评价结果。

摘
要：供热埋地金属管道由于其所处环境和运行工况恶劣，一旦发生泄漏和破裂会造成巨大的经济损失和社会负面影响。

管道非开挖无损检测技术具有经济、高效、便捷的优势，对于提前预防管道事故，确保埋地管道使用过程的安全运行具有重要意义。

文章针对目前新型埋地管道非开挖无损检测技术进行研究，总结其技术原理及优缺点，对于后续相关技术的开发及应用具有重要指导意义。

关键词：埋地管道；瞬变电磁；
磁记忆；弱磁中图分类号:TU990.3
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2019)22-0139-03
Abstract ：Due to the harsh environment and operating conditions,the leakage and rupture of heating buried metal pipeline will
cause huge economic losses and negative social impact.The trenchless nondestructive testing technology of pipeline has the advan -
tages of economy,efficiency and convenience,which are of great significance to prevent pipeline accidents in advance and ensure the
safe operation of buried pipeline.This paper studies the current trenchless nondestructive testing technology of new buried metal pipeline,summarizes its technical principle,advantages and disadvantages,which has important guiding significance for the develop -
ment and application of subsequent related technologies.
Keywords ：buried pipeline;transient electromagnetic;magnetic memory;weak magnetism
作者简介：孙旭（1988-），男，汉族，吉林四平人，博士研究生，
工程师，主要从事金属材料方面研究。

图1带包覆层管道结构示意图
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图2一次场与二次场
相比于传统涡流信号，TEM 检测方法的优势主要体现在以下两个方面：（1）TEM 信号频率成分丰富，其中包含的
超低频涡流信号能够穿透一定管壁厚度，
实现构件较深层次信息提取，一定程度克服趋肤效应的影响。

（2）TEM 传感
器激励线圈激发的磁场幅值较大，
能够在大提离距离下进行信号检测。

高永才[3]和石仁委[4]对瞬变电磁法埋地金属管道检测原理进行了初步的理论研究，
并通过现场实验验证了方法的准确度。

南昌航空大学刘凯等人[5]开展了关于瞬变电磁法检测埋地金属管道的一系列研究工作。

通过对脉
冲涡流在城市并行热力管道上的应用进行研究，
对次级所接收到的感应电动势进行归一化处理[6]：
U （τ）I =R[h ，a ，l T ，n T l R ，n R ，L （ατ）]（1）L （ατ）=L[τ，α（μ，σ，b ，a ）]（2）α=1μσ·b 2（3）其中：U （τ）/I 是接收部分的归一化电动势；h 是管道中心距地表距离；a 是管道内径；b 是管道外径；n T 是初级线圈匝数；l T 是初级线圈半边长；n R 是次级线圈的匝数；l R 是次级线圈的半边长；L （ατ）是管道瞬时响应函数；T 是时
间；α是管道时间系数；μ是磁导率；σ是电导率。

对反应壁厚变化的时窗数据采用最小二乘法进行指数拟合，
得到了反应壁厚变化的时窗数据曲线拟合表达式。

可对城市并行
热力管道腐蚀情况进行检测，
且能计算出单管的壁厚。

实验证明，在相对简单条件下，
瞬变电磁检测方法能够对埋地管道进行壁厚腐蚀测量进行准确测量，但不具备连续检测能力，需要对检测区域进行分段检测。

检测范围由检测线圈大小决定，每个检测
点的覆盖管段范围大，
则对于局部腐蚀检测能力降低，缩小能量聚焦的区域，能够提高瞬变电磁技术的局部腐蚀分辨率，
但会使检测效率下降。

2.2金属磁记忆检测技术
20世纪90年代，俄罗斯学者杜波夫首先提出利用金属磁记忆效应进行金属材料应力检测[7]。

该技术原理为铁磁性金属材料在应力作用下内部产生位错滑移和应力集中区。

这些区域的磁畴在地磁场作用下自发转动形成磁
极，以磁性能的形式抵消应力集中带来的弹性能量，
从而在材料表面形成特定的漏磁场，产生磁记忆效应[8]，具体原
理图见图3。

1-被检件；2-损伤或应力集中区域；3-传感器；4-放大器；5-表面磁场分布；6-表面磁场法线分量输出的磁记忆信号
图3磁记忆检测原理示意图
漏磁场强度的计算公式为：H p =λH μ0
Δσ（4）
其中：H p 是漏磁场强度/（A/m ）；λH 是磁弹性效应的不可逆分量；μ0是真空磁导率/（N/A 2）；Δσ是周期性外加载荷/MPa 。

当应力集中区域漏磁场的切向分量H p （x
）具有最大值时，其法向分量H p （y
）会通过零值点并改变符号。

因此，通过测定铁制工件表面H p （y
）的变化，便可准确推断出铁磁性构件内部残余应力的大小和区域，实现检测应力集中区及缺陷位置的目的。

另外，由于漏磁场的法向分量H p （y
）在金属构件缺陷区域的应力集中区变化剧烈，
因此还可以用磁场梯度值K 来判断该金属构件的缺陷或应力状况，
公式为：K=|ΔH P （y ）|Δl k
（5）其中：K 是磁场梯度值；ΔH p （y ）是相邻两检测点之间漏磁场的变化值/（A/m ）；Δl k 是传感器的采样长度/m 。

由
式
图4试验管尺寸图[11]
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（5）可知，在其他条件相同的情况下，
梯度值越大的区域存在的缺陷或应力就越大。

杨勇[9]等人选用俄罗斯动力诊断公司研制的TSC-4M-16金属磁记忆检测仪以及非接触检测探头对现场埋地管道进行检测，发现了焊缝应力集中位
置。

因此，对于运行中管道，
由于不同位置壁厚不同，会造成相同内压条件下不同壁厚位置产生不同的应力水平现
象，此时适合磁记忆检测技术的应用，
且能发现焊缝缺陷，但易受周围其他电磁信号的影响。

随着检测深度的增加，干扰信号不断增加。

2.3被动式弱磁检测技术
被动式弱磁法检测与磁记忆法检测类似，
利用高精度测磁传感器，如磁通门传感器等，
对地球磁场穿透被检工件后的磁场强度变化进行精准测量，通过分析磁场强度的变化来判断被检工件内部和表面缺陷的一种完全被动式非接触无损检测技术[10]。

埋地金属管道铺设运营之后，由于长期处于地下，
环境相对恶劣，各类腐蚀发生概率会随着时间的增加而增加。

腐蚀一旦发生，必将导致金属管道表面物理状态的改变，引起其所处空间的感应附加磁场强度发生变化。

因此，通过探测埋地金属管道上磁导率的变化和空间磁场强度
的变化，便可以有效推断出管道发生腐蚀的位置，
进而对埋地管道的安全状态进行科学评价。

饶晓龙[11]通过对被动
式弱磁检测原理及检测测试信号特点的研究和总结，
结合磁场梯度变化规律和概率统计原理，
提出被动式弱磁检测采集的管道空间磁场强度、管道埋深和管道腐蚀深度之间
满足指数关系，当磁场梯度在（μ-2σ，μ+2σ）区间外变化时
即可判定为缺陷。

该技术方法对于常见腐蚀减薄及管体缺陷都有很好的检出率，可实现连续检测，检测效率高。

图4和图5为试验管件设计及信号处理结果。

3结论
通过便捷准确的检测手段实现供热埋地金属管道的状态评价，对于节约成本、指导日常检修维护都具有重要意义。

传统检测方法基本还都局限于开挖检测或者部分开
挖检测，检测手段也为逐点扫描式，
效率低，且存在受外界杂散信号干扰和对于复杂管网分辩力不足等缺点。

如何建
立一个快速、便捷的检测系统，
能够持续对管道进行周期性数据采集，实现对管道的定期风险评估，
是未来我们需要攻克的技术难题。

但在实际应用中，我们也应该清醒意识到，单纯依靠某一种技术是不能够满足各种工况下的管道检测要求。

不同检测技术应该互为补充，通过制定完善的现场检测方案，根据实际情况选择不同检测方法相结合
的方式来满足实际生产需求，
这才是能够真正将技术落地的有效途径。

参考文献院
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图5实验数据处理图[11]
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