瞬变电磁法在燃气管道腐蚀检测中的应用

2015 年 第 3 期Pipeline Technique and Equipment 2015 No 3 收稿日期:2014-09-28 收修改稿日期:2014-12-28 瞬变电磁法在燃气管道腐蚀检测中的应用 于润桥,刘 健,曹 煜,林 炎,王 亮 (南昌航空大学,江西南昌 330063) 摘要:燃气管道运营过程中,会受很多因素影响,使其失效,发生泄漏、造成事故,其中最常见的问 题就是管体自身的腐蚀老化。 文中提出用瞬变电磁法(TEM)检测埋地燃气管道,主要介绍了瞬变电磁 法检测在役燃气管道的原理,并结合工程实例对燃气管道进行检测,以验证此方法的可行性。 结果表 明:利用瞬变电磁法检测埋地燃气管道腐蚀具有有效性和实用性,应进一步研究以提高检测精度与效 率,为保障燃气管道安全运营提供新的方法。 关键词:瞬变电磁法;燃气管道;腐蚀检测 中图分类号:TU996 文献标识码: A 文章编号:1004-9614(2015)03-0048-02 Application of Transient Electromagnetic Method in Gas Pipeline Corrosion Detecting YU Run-qiao, LIU Jian, CAO Yu, LIN Yan, WANG Liang (Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China) Abstract: Many factors lead to the invalidation in the process of operation which might result in leaks or causing an acci- dent,one of the most common problems is the corrosion and ageing of the pipeline itself. Using transient electromagnetic method (TEM)to detect the buried gas pipeline was presented. The paper mainly introduced the principle of the TEM to detect the gas pipeline in service and combined with engineering example of gas pipeline detecting that verifies the feasibility of this method. Results show that using the TEM to detect the corrosion of buried gas pipeline has certain validity and practicability,which needs further research to improve the accuracy and efficiency,and can provide a new method to ensure the safe operation of gas pipeline. Key words:transient electromagnetic method; gas pipeline; corrosion detection 0 引言 目前,国内外对燃气管道进行检测的方法有很多 种,从最普通的人工巡视到各类便携式报警仪,从管 道内检测爬行器1到防腐层检测技术(如 PCM2) 等。 此外,还有一些在役监测方法3,管体若有泄漏 情况则其内部压力、流量等会出现异常,沿着管线布 置压力、流量、超声波等传感器,实时监测其数值变 化,是有效发现泄漏点的手段。 然而,这些方法都不 能很好地解决管体金属腐蚀检测这一问题。 人工检 漏方法容易受到人为和外界因素的干扰,无法高效地 检测;管道内检测爬行器能较好地直接从管体内部进 行检测,但需停役且易堵塞、检测成本高;PCM 等技术 都是通过检测管道防腐层和阴极保护系统来达到检 测评价管道的目的,不能直观地反映管体的金属腐蚀 程度。 在役监测只能识别已出现一定程度泄漏的情 况,并不能在因严重腐蚀导致管体破损而导致泄漏之 前进行评估,属于事后及时补救。 如果能对管道进行定期检测,便可对管道进行评 估,对验证有缺陷的管道进行及时修理或更换,节约 成本且安全运营意义重大。 传统的无损检测方法难 以实现在不开挖的情况下管道的腐蚀情况检测,而基 于电磁感应原理的瞬变电磁法可以解决这类问题,通 过直接检测管体局部金属的减少量可以判断出腐蚀 程度,从而对燃气管道的泄漏做早期预警。 1 瞬变电磁法(TEM)检测原理 瞬变电磁法是一种新的电磁无损检测方法,在工 程与环境物探中已得到广泛应用。 它属于时间域电 磁法4,利用不接地回线或接地线源向下发送电磁脉 冲,在一次电磁场的激励下,地下导体内部产生感应 涡流场。 在一次脉冲电磁场的间隙期间,涡流场产生 的二次磁场不会随着一次磁场的消失而立即消失,利 用线圈检测二次磁场,通过测量断电后各个时间段的 二次磁场随时间变化规律,可得到不同深度的地电特 第 3 期于润桥等:瞬变电磁法在燃气管道腐蚀检测中的应用49 征,广泛应用于地质勘探领域5。 20 世纪末,用于埋地金属管道腐蚀检测的瞬变电 磁法才开始成为工程物探研究的新领域,尤其是在油 气田长输管道外部无损检测中显示出其独特的优 势6。 瞬变电磁法检测埋地金属管道的原理如图 1 所示。 图 1 瞬变电磁法检测埋地金属管道原理 瞬变响应的感应磁场反应的是管体、管道内输送 介质和管体周围土壤环境的综合信息。 在同一时期 内,不考虑其他强电磁及金属干扰影响,采用相同检 测设备、步骤及操作方式得到的管体综合信号的变 化,只与管体不同区域金属量的多少有关。 瞬变电磁 法检测埋地金属管道时,检测结果所描述的“管道(剩 余)壁厚”是指探测所用传感器(线框)的宽度加 2 倍 管体埋深长度范围内管体的平均剩余壁厚值,反映的 是该段区域内的金属量7,而不是指具体某一测点处 的管壁剩余厚度。 2 瞬变电磁法在燃气管道中应用 2014 年 4 月,对北京某高速公路旁一段在役燃气 管道进行了非开挖检测。 管体表面采用环氧粉末防 腐,管径500 mm,埋深约2.2 m,管线已运营多年,部分 管体可能有较严重腐蚀情况。 开始检测之前,收集待检管线的相关信息,包括 管道材质、规格(管径与壁厚)、埋深、管线走向、运营 状况等。 根据历史数据、腐蚀影响因素和维修记录等 信息,分析可能腐蚀较大位置的分布情况,结合实地 环境因素并避免在靠近强干扰源、强磁场、有金属干 扰物的地方确定检测间距(点距),必要情况下应在基 本检测点距基础上适当加密。 一般采用中心回线装 置平行于地面检测,外面较大的矩形回线为发射线 圈,用于向地下发送阶跃电流(一次脉冲磁场),里面 较小的矩形回线为接收线圈,用于断电后采集二次场 感应电动势(二次感应磁场),线圈中心偏离管线中心 距离过大易造成误差,偏移距离不应超过管道埋深的 10%。 确定可以开始检测后,给检测设备通电,试运行 正常后,从起点处起逐点测量,收集管线瞬变电磁资 料,最后进行分析总结。 挑选出的待检测管线分两段,总长度约为 1 km。 根据委托方结合北斗卫星定位数据提供的管道位置 及走向,选定起点作为检测零点,并利用轮式测距仪 进行测点布设,考虑实际地面植被及路面状况合理选 择不同测距。 使用的探头参数见表 1。 表 1 检测探头具体参数 发射电 流/A 发射频 率/Hz 发射线圈参数接收线圈参数 边长/m匝数线径/mm 边长/m匝数线径/mm 工作装置 类型 1.275321500 80 51000 7中心回线 整套检测系统装在一个临时搭建的小推车上,整 套系统沿管线逐点检测,测距 5 m,并对特殊区域进行 2 m 合理加密测量。 结合测距仪的数据以及相应测点 的多时窗归一化感应电动势,进行壁厚计算,取平均 得到结果,如图 2、图 3 所示。 图 2 第一段管线壁厚分析结果 图 3 第二段管线壁厚分析结果 据管道运营方提供的数据,管道原始壁厚值为 8 mm。 由图 2、图 3 可以看出,经检测的管线存在腐蚀 现象,部分区域内的管道腐蚀较严重。 图 2 中有 2 个区域异常凸起:85 m 处左右 1 号区 域壁厚异常处为居民住房门口,另沿检测线 410 m 附 近异常峰值处为一条公路边,原因为居民住房处及路 边有其他管线交叉、三通接头干扰。 3 号区域管壁腐 蚀较严重,剩余壁厚约 6.0 mm,腐蚀量近 25%。 图 3 中,距起点 120 m 附近(4 号区域)管道腐蚀情况较严 重:剩余管道壁厚约 5.5 mm,腐蚀量约31.2%。 部分管线已开挖,图 2 中 3 号区域为重点腐蚀区 域,定位开挖后使用超声测厚仪测得剩余平均壁厚约 为 6.1 mm,腐蚀量近 24%,腐蚀壁厚实际减薄与检测 结果分析值相近。 (下转第 57 页) 第 3 期杨晓静:LNG 低温管托的结构特点及材料选用57 道的保冷层一同覆盖。 金属保护层厚度选用如表 2 所示。 表 2 金属保护层厚度选用mm 公称直径选用厚度 3000.6 3000.8 2.5 防潮层(Vapor Barrier Foil) 防潮层用于防水(或水蒸气)、防潮,维持保冷层 保冷效果。 LNG 低温管道必须设置防潮层,要求防潮 层搭接适度,厚薄均匀,完整严密,无气孔,无鼓泡或 开裂等缺陷。 材料要求有一定耐温性,夏季不软化、 不起泡、不流淌;有一定抗冻性,冬季不脆化、不开裂、 不脱落5。 本文建议采用复合的 mylar/ aluminum/ my- lar(聚酯薄膜/ 铝箔/ 聚酯薄膜)三层薄膜,粘贴在 HD- PUF 的外侧,应该覆盖整个 PUF 的外表面并超出边缘 50 mm。 2 6 缝隙填充物(Gap Filler) 因热胀冷缩原理,上下 HD-PUF 之间会留出适当 缝隙(gap),应填充柔软的材料以避免冷量的流失,较 常用的材料(Basotect G 玻璃棉)弹性好、密度低,适用 于低温工况。 上下 HD-PUF 之间需填充部分见图 2。 2.7 保冷粘结剂、密封材料 保冷采用的粘接剂应在使用的低温范围内保持 粘接性能,密封材料应能耐低温、易固化,对保冷层材 料不溶解,对金属壁无腐蚀,粘结力强、密封性好。 保 冷粘结剂在 - 196 时 的 粘 结 强 度 应 大 于 0. 05 MPa1。 图 2 上下 HD-PUF 之间需填充部位(gap 部分) 3 结束语 目前,这种结构的 LNG 低温管托在国内在建的 LNG 接收站中已开始应用,实践证明其保冷结构设计 和材料的各项性能均符合生产要求,与管道本体的搭 接处有较好的保护,也能满足管道承重的要求,基本 解决冷量泄漏的问题。 根据使用的方式不同,可以改 变低温管托底部结构,实现滑动、导向、固定、防振动 等多种支架类型,这些低温管托为保证 LNG 接收站正 常运行起非常重要的作用。 参考文献: 1 GB 50264 工业设备及管道绝热工程设计规范. 2 方锦坤. LNG 低温管道支架设计. 广东化工,2012,39 (13):107-108. 3 ASTM D1621 Test Method for Compressive Properties of Rigid Cellular Plastics. 4 ASTM C177 Standard Test Method for Steady State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus. 5 GB/ T 4272 设备及管道绝热技术通则. 作者简介:杨晓静(1981),工程师,主要从事石化工艺及管道 设计工作。 E-mail:yangxj25 (上接第 49 页) 3 结论 (1)埋地金属管道与周围土层存在电性差异,当 管道因腐蚀而产生金属缺失时,管道的导电性发生明 显变化,使用瞬变电磁法能接收到明显变化的感应电 动势,能初步确定埋地燃气管道腐蚀缺陷的位置,通 过计算剩余壁厚能定量评价管道的腐蚀程度; (2)此方法检测的是一段范围内管道的平均金属 减少量,不能判断是外壁还是内壁腐蚀,另外对局部 较小程度腐蚀(如点蚀、孔蚀)较难分辨出。 改进线 圈,提高缺陷分辨率、优化腐蚀剩余壁厚算法以提高 检测精度与效率等是下一步的工作。 参考文献: 1 李军.基于瞬态模拟的燃气管道泄漏检测与定位技术研 究:学位论文.天津:天津城市建设学院,2008. 2 邱焕勇,杨鑫.PCM 防腐层检测技术在燃气管道防腐层检 测中的应用.全面腐蚀控制,2009,23(9):10-13. 3 赵金辉.燃气管道泄漏检测定位理论与试验研究:学位 论文.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010. 4 VOZOFF K. Electromagnetic methods in applied geophysics. Surveys in Geophysics,1980,4 (1-2):9-29. 5 ESBEN A, ANDERS V C, LARS H J, et al. A resolution study of buried valleys using laterally constrained inversion of TEM data. Journal of Applied Geophysics,2008, 65(1): 10-20. 6 EPOV M I, MOROZOVA G M, ANTONOV E Y, et al. Method of nondestructive testing for technical state of casing strings in oil-and-gas wells basing on the transient electro- magnetic method. Journal of Mining Science, 2003, 39(3): 216-224. 7 黄桂柏, 王淑英. 瞬变电磁法在埋地钢质管道腐蚀检测 中的应用.石油化工腐蚀与防护, 2001, 18(4): 39-42. 作者简介:于润桥(1963 ) ,教授,主要从事电磁检测与仪器 研究。 E-mail:yurunqiao 163.com 瞬变电磁法在燃气管道腐蚀检测中的应用瞬变电磁法在燃气管道腐蚀检测中的应用 作者：于润桥， 刘健， 曹煜， 林炎， 王亮， YU Run-qiao， LIU Jian， CAO Yu， LIN Yan， WANG Liang 作者单位：南昌航空大学,江西南昌,330063 刊名： 管道技术与设备 英文刊名：Pipeline Technology an