油气管道环焊缝检测

图2(e)所示是l0=1500mm，t=7mm，r0=100mm的管道，取测线r=0，θ=0°时，管道内磁场的分 布。可见，较长管道内的磁场分布与较短管子的类似，只是轴向分量和径向分量的平坦部分 更长一些。可以预见当管道很长时，管道内可近似认为是一匀强磁场。
α=0°
α=90°α=0° α=90°
r=0r0,θBaidu Nhomakorabea0°
测线
t
Z

r0

r
X
O
Y
l0
M Z
X
图 1 管道模型示意图
管道内磁场计算结果如图2(a)-(d)所示。对于l0=500mm，t=7mm，r0=100mm的管道，分 别取测线r=0，θ=0°；r=0.2r0，θ=0°；r=0.2r0，θ=72°；r=0.2r0，θ=144°。从图2(a)-(d)的每一幅 图可以看出对于每一磁化角度和测线，管道内的磁场强度无论是幅值还是沿轴向的变化规律， 均无明显变化。不同测线上的磁场分布差别不大。当磁化角度α从0°逐渐增大至90°时，测线 上磁场轴向分量(Hx)逐渐减少，径向分量(Hz)逐渐增加。管道内磁场的分布具有明显的对称 性。其中Hz关于管道中垂面始终成偶对称分布，仅有一个极值；当α较小时Hx关于管道中垂 面成偶对称分布，且有多个极值；当α较大时Hx关于管道中垂面成奇对称分布；Hy始终很小。
二． 理论分析
采用三维磁体表面磁荷分析方法分析任意方向均匀磁化的铁磁性管道表面的磁荷 密度分布，如式(1)所示。其中，rs 为磁体表面某一点的位置矢量，r’为磁体表面除去 rs 以后剩余表面上任一点的位置矢量，H0为磁化磁场强度，n 为磁体表面 rs处单位法向量， μ 为磁体相对磁导率。
所研究的管道模型及坐标系的建立如图 1 所示，M 为磁化强度，M∥XOZ 面，M 与 OZ 轴的夹角为 α。将铁磁性材料内外表面、端面一共分隔成 N 个面元 Si，并认为每个面元内的 磁荷密度 σi 为常量，结合(2)式将式(1)离散化，并整理可得(3)式。
由于管道环焊缝处的表面形状和内部的晶相结构的特殊性，其声阻抗和电磁阻抗与 管道其余处存在很大不同，理论上可以采用涡流、超声等主动式无损检测设备来识别和 定位焊缝。但是，这两种方法均需要激励装置，功耗比较大，通常需要与管壁特殊配合， 结构也比较复杂，使用起来十分不便。此外，对于气体或成品油输运管道，还可考虑使 用光学传感器检测焊缝，但价格比较昂贵，且对油品的透明度有很高的要求，很不实用。 而利用管道内磁场识别焊缝是一种被动检测方法，不需要与管壁接触，对内检测器的运 动状态无特殊要求，与输运的油品种类无关。
油气管道环焊缝检测
一． 背景
石油在当今社会中起着非常重要的作用，石油的运输用到埋在地下的石油管道。然 而由于某些人为因素（如不法分子偷油）和自然因素（如管道铺设时间长而老化），使 得管道出现很多泄漏，这一方面造成能源的浪费，带来很大经济损失，另一方面也污染 环境。所以对管道泄漏的及时检测就显得尤为重要。泄漏检测有很多方法，如负压波检 测法，声检测法，磁检测法，红外检测法等。而对于像腐蚀这样的原因造成的泄漏属于 微小泄漏，得用内检测方法。内检测法的原理为：把内检测器放进管道中，内检测器靠 油的推力前进，在内检测器中放入声传感器，检测整个过程的声信号，泄漏点处的声信 号会有个突变，从而检测出泄漏点来。管道内检测器能够在管道运行的状态下检测出管 道缺陷并对缺陷进行定位，对保证管道安全运行具有重要作用。由于管道内检测器测量 的管道缺陷同管道（内检测器）位置一一对应，因此必须准确知道每一时刻管道内检测 器的位置。目前管道内检测器常用的定位方法，如里程轮法、捷联惯导方法等，都需要 地面标记装置进行辅助定位以消除累计误差。地面标记装置一般要求沿管线每隔一公里 布放一个，使用不便，尤其很难应用于海底管道内检测器的定位。本课题组油气管道检 测实验发现，管道内环焊缝处磁场明显区别于管道内其他位置的磁场。如果能够利用管 道内检测器采集的磁场信号对环焊缝进行识别，则可结合管道现场施工资料，如管道焊 缝编号、单节管道长度等，对管道内检测器进行高精度的里程定位，并且可以避免使用 地面标记装置，为管道内检测器的准确里程定位提供一种应用方便的新方法。
（d）500mm管道测线4上磁场分布
α=0°
α=0°
α=90°
α=90°
r=0r0,θ=0°
（e）1500mm管道轴线磁场分布 图2 不同磁化角度、不同长度管道内磁场分布；α=0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°;r0=100mm;t=7mm;
(a)-(d)l0=500mm,(e)l0=1500mm
管道材质通常为合金钢，磁导率比较大，且当磁导率变大时，铁磁性材料表面磁荷密度 分布规律很快以同一模式趋于某一极限，但是分布规律不变。解方程组(3)即可得到各个面 元上磁荷密度分布。在管道内选定一组测点，记为 P={ri|i=1,2,…,M}；前述划分的面元这里 另记为 S={Sj|j=1,2,…,N}。根据式(4)计算测线上各点磁场分量。
等效磁荷法可以有效获得铁磁性材料表面磁荷密度分布，进而方便地求出其周围磁 场分布。本文首次采用等效磁荷法，针对不同的磁化方向计算了非轴向磁化圆柱管状铁 磁性材料表面磁荷密度分布及管内磁场分布并分析了管道内环焊缝处异常磁场产生的 原因及特点。然后设计了一个用于测量管道内磁场的球形载体，测量了某输油气实验管 道内的磁场，以验证上述分析的正确性。最后对所测数据进行处理，通过对管道内环焊 缝处异常磁场的识别和定位而实现对管道环焊缝的识别和定位。
从上述计算结果可以看出测线的位置对磁场沿轴向的分布规律影响不是很大。但是当磁 化方向不同时，管道内轴向及径向磁场分量差别比较大。对于实际的管子，由于每节管子的 磁化方向和磁化强度均不相同，环焊缝处磁场可能是图中不同磁化方向情况的组合和不同的 管道取向的组合，包括轴向不同指向和周向不同转角。于是焊缝两侧的磁场常常不会对称， 焊缝附近的磁场分布情况就比较复杂，不会出现单一的分布情况。但是焊缝附近的磁场会明 显区别于远离焊缝处的磁场。管子拼接或焊接时是处于地磁场中的，跟焊接之前的所处的磁 场环境一样，并没有对管子进行更强的磁化，管子表面磁荷的分布几乎不会被影响。因此， 管子拼接或焊接之后的磁场应该几乎是焊接或拼接之前的管子的磁场的叠加。于是在环焊缝 处会有明显的磁场幅值的跳变。这说明管道现场检测实验发现的管道内环焊缝处磁场的跳变 不是偶然因素所致，是由深刻的物理规律所支配的。
（a）500mm管道测线1上磁场分布
α=0°
α=90°α=0° α=90°
r=0.2r0,θ=0°
（b）500mm管道测线2上磁场分布
α=0°
α=90° α=0° α=90°
r=0.2r0,θ=72°
（c）500mm管道测线3上磁场分布
α=0°
α=90°α=0° α=90°
r=0.2r0,θ=144°