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上海交通大学硕士学位论文摘要 基于漏磁法的海底管线缺陷检测的研究 摘要 本文叙述了海底管道缺陷检测的意义。针对我国输油气管线老龄 化、事故多发的现状，提出了管道内在线检测对管线及时维护、管道 寿命评价、防止恶性事故发生的必要性。 本文在总结国内外管道无损检测诸多方案的基础上，选择漏磁通 法作为管道在线检测的方法。详细地说明了漏磁法无损检测的基本原 理，漏磁信号和缺陷的关系，影响漏磁信号的因素，以及如何由漏磁 信号判别腐蚀缺陷的基本方法；同时，还介绍了磁化和磁路设计的方 法，并对几种磁场测量元件进行了比较。 本文还提出了漏磁检测装置的设计方案，设计了一套数据采集的 单片机系统，从硬件和软件方面进行了详细论述。着重针对管道缺陷 检测系统中的磁敏检测部分，和信号采集记录环节提出了设计方案。 本文还讨论了漏磁法无损检测中缺陷数据的分析与处理。理论分 析和实验都表明缺陷与漏磁信号之间具有对应关系，即漏磁信号的峰 值点对应缺陷的边缘，峰值大小随缺陷深度的增加而增大。本文还对 有限元法在漏磁检测中的应用作了介绍。 最后对海底管线检测及定位技术的前景进行了介绍。该课题的研 制成功，既可用于管道腐蚀缺陷的检查，又可作为评估管道使用寿命 的依据，具有重要的现实意义和长远意义。 关键词：漏磁，在线检测，管道，缺陷 t h er e s e a r c ho fu n d e r w a t e r p i p e l i n ed e f e c td e t e c t i o n b a s e do nm f l a b s t r a c t t h es i g n i f i c a t i o no ft h eu n d e r w a t e rp i p e l i n ed e f e c td e t e c t i o ni s s t a t e di nt h i sp a p e r i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s e n ts i t u a t i o no fa g i n ga n d f r e q u e n t h a p p e n e da c c i d e n to f t h eo i la n dg a sp i p e l i n ei no u rc o u n t r y ，t h e i o e 。i n ed e t e c t i o n t h em a i n t e n a n c ea n de e s t i m a t i o no fpipeline d e t e c t i o ni sn e c e s s a r y l a em a i n t e n a n c ea n oa g ee s t l m a l ；l o no i - t h ep i p e l i n ec a na c h i e v ef r o mt h ed e t e c t i o na n dp r e v e n t st h ev i c i o u s a c c i d e n t s b a s e do nt h es u m m a r yo fm a n yp r o j e c t so fp i p e l i n en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ( n o t ) ，t h ep i p e l i n ed e t e c t i o nb ym a g n e t i cf l u xl e a k a g e ( m f l ) i s s e l e c t e di nt h ep a p e r t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g b ym f l ，t h er e l a t i o nb e t w e e nm f ls i g n a l sa n dt h ed e f e c t s ，t h e f a c t o r s t h a ta f f e c tt h em f l s i g n a l s ，a n da p p r o a c ht oj u d g et h ee r o s i o nd e f e c t sb y m f l s i g n a l sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l 。b e s i d e s ，m a g n e t i z i n gt e c h n o l o g yi n m a g n e t i c n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，a n dt h em a g n e t i c f i e l d m e a s u r i n g e l e m e n t si sa l s od i s c u s s e d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g ns c h e m eo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sg i v e n i ta l s og a v e ad e t a i ls t a t e m e n to n c i r c u i td e s i g n ，a n ds o f t w a r ep r o g r a mf o l l o wc h a r te t c a n di tm a i n l y d e s i g n st h ee l e m e n t so fp i p e l i n ed e t e c t o r s u c ha sm a g n e t i cm e a s u r i n g p r o b e ，a n ds i g n a l s a m p l e s o m ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya b o u td e f e c td a t ai nm f l i i i sd i s c u s s e d t h et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n to ft h ed e t e c t o rp r o v e s t h ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i o nb ym 茁li nm ee r o s i o nd e f e c td e t e c t i o no f p i p e l i n e m e a n w h i l e ，w ec a nf i n dt h er e l a t i v eb e t w e e nt h ed e f e c ta n d 匝ls i g n a l s t h ep e a k - p e a ka m p l i t u d eo ft h e ls i g n a li st y p i c a l l ya g o o dm e a s u r eo ft h ed e f e c td e p t ha n dt h ep e a k - p e a ks e p a r a t i o nd i s t a n c e c a nb eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h ew i d t ho ff l a w t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h eu n d e r w a t e rp i p e l i n ed e t e c t i o n s y s t e mi si m p o r t a n tt ot h ef u t u r ep r o j e c t i tc a nn o to n l yb eu s e di n p i p e l i n ee r o s i o nd e f e c td e t e c t i o n ，b u ta l s ob eu s e da st h eg r o u n d so f e s t i m a t i n gt h ea g eo fp i p e l i n e i tc o n t a i n sb o t ht h es i g n i f i c a n tp r a c t i c a l s e n s ea n dp r o f o u n ds e n s e k e y w o r d s ：m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ，i n - l i n ed e t e c t i o n ，p i p e l i n e ，d e f e c t i i i 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密留，在工年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：张善翁 指剥嗽：网卞叉 日期：2 0 0 2 年f 月25 吕日期：乃0 1 年月枷 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立迸行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 弧晶 日期：2 00 7 _ 年1 月? 岁日 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1 课题的研制背景及意义 “近海海底管线检测及定位技术研究”是针对近浅海石油开采中为输送油、 气、水而铺设的大量海底管线的维护和保养，结合海域自然条件的特殊性和国内 实际需求而提出的一项国家海洋$ 8 6 3 的课题。 我国渤海及渤海湾海域蕴藏着丰富的油气资源，在整个环渤海湾地区的海上 油田勘探开发中，已铺设了几百公里的海底电缆和管道。井组与井组间、井组与 中心平台间、中心平台与陆岸间通过海底管线联成一体，形成了纵横交错的海底 输油网。 但是，海底管线投入运行后就长期承受地质变化、介质腐蚀、海流冲击、振 动疲劳与应力变化等因素的作用，易产生腐蚀与裂纹等缺陷( 如疲劳、应力腐蚀、 硫化物应力腐蚀与氢致裂纹等) ，如不及时修复势必导致管道局部或区段的失效， 发生油气泄漏现象，造成巨大的经济损失和严重的海洋环境污染。 因此，管线运行中如何实现在线检测以及对缺陷部位的精确定位问题提到了 我们面前，但国内目前尚无有效的近浅海海底管线在线检测系统。本课题就是针 对这一难题研制出一套对海底管线进行探伤检测的先进装置，测出管线壁厚及腐 蚀、裂纹等缺陷的尺度及其确切位置，为配套的海底管线维修装置提供目标，形 成一套完整的管线检测和维修体系0 川u 此项目研制成功后，可以及时地发现管道缺陷，修复损坏段，避免引起灾难 性事故，造成经济损失和生态环境的破坏。它的主要功能有： ( 1 )可定期对现有的海底管线进行巡回检查，避免泄漏事故发生； ( 2 )及早发现海底管线缺陷，并对缺陷部位进行精确定位，以便修复； ( 3 )延长海底管线的使用寿命，避免重复建设，提高近浅海石油开发的 经济效益； ( 4 )保护海洋环境，减少对海洋环境造成污染。 通过管线缺陷的统计汇总及缺陷形成机理研究，对海底管线的设计及铺设施 工有重要的指导意义。 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 课题的国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况 国外管道工业发达的国家对管道检测装置的研究已有近四十年的历史。早在 五六十年代，一些石油工业发达国家，如英、美等国，就已面临管道老龄化问题。 美国是发展管道运输最早的国家，自4 0 年代起就开始油气管网建设。那时 管道检测尚未被提到日程上来，但已经开始进行了油气管道的清管作业。最简单 的清管器是一种比管径尺寸略大的橡胶球，靠管内被输送介质的推动，用球体紧 贴管壁行走来进行清管作业。由于清管器在临近接收球筒时会发出似猪叫的声 音，且取出时其外形肥胖、又脏又黑，颇似猪，当时美国的管道工作者称其为 p i g 。后来随着管道业的发展，用来检查管道状况的检测装置也被称为p i g ，“任 何依靠管道内部流体的驱动在管道内运行的设备均称之为p i g ，成了国际上通 用的p i g 定义。 进入6 0 年代以后，初期铺设的管道日趋老化，管道恶性事故不断发生，油 气管道检测和安全评价开始受到各国的极大重视。六十年代初，美国的t u b s c o p e 管道服务公司和英国的b r i t i s hg a s 公司开展了管道漏磁检测技术的研究，两国 率先把无损检测技术( n d t ) 应用在p i g 上，将原来用于清管作业的非智能p i g 改进为具有信息采集、处理、存储等功能的智能检测p i g 。1 9 6 5 年，美国t u b s c o p e 成功地研制出了世界上第一台漏磁管道检测器l i n a l o g ，并投入工程使用，到 1 9 7 7 年英国b r i t i s hg a s 公司也成功地研制出了直径为6 0 0 m m 的漏磁管道检测 器，随后西方各国相继开展了这方面的研制。目前已研制出漏磁法、超声法、涡 流法、电磁超声法等不同原理的管道检测装置达3 0 多种。 进入8 0 年代以后，美国、英国、德国、加拿大、法国、日本等国都相继投 入了大量人力和经费开展这方面研究和研制。 从漏磁管道检测技术的发展历史来看，8 0 年代中期以前研制的可称为第一 代漏磁检测器，8 0 年代中期以后的称为第二代。国外管道公司在诸多类型的长 输管道检测器中，广泛采用的是第二代漏磁管道检测器，接受检测服务的油气管 道已达数十万公里。漏磁管道检测器的发展趋势是提高检测性能( 包括分辨率和 准确性) 。预计该检测器在今后仍是长输油气管道腐蚀缺陷检测的主要工具。 第一代漏磁管道检测器产品存在不少缺点： ( 1 ) 体形庞大、笨重； ( 2 ) 运行不稳定，在输气管线上经常发生故障； ( 3 ) 对弯头、焊缝等周边的检测困难； ( 4 ) 在解释上，检测结果令人费解和难以置信。 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 在进入第二代以后，总结了第一代所积累的经验，进行了改造： ( 1 ) 采用新型的钕铁硼磁铁，提高了磁性强度； ( 2 ) 结构小型化，能通过1 5 d ( 曲率半径为管道直径的1 5 倍) 的直角弯头； ( 3 ) 提高了传感器的灵敏度和精度并增加传感器数量； ( 4 ) 充分利用了先进的计算机技术，在设计上用有限元法等数学算法，提 高检测的分辨率； ( 5 ) 数据存储量大幅度提高，开发了新颖的专用软件，在与管道评价的衔 接上也更方便。 迄今为止，各管道公司还在继续与研究单位、大学研究室等合作，致力于将 漏磁检测器推进到一个更高更新的水平上，例如：美国t u b s c o p e v e t c o 、f b & d ， 英国b r i t i s hg a s ，德国p i p e t r o n i x 等公司都推出了具有自身特色的产品。 1 2 2 国内发展概况 国内管道检测技术研究正处于起步阶段，“八五 期间，中国石油天然气管 道局先后从德国、美国引进5 2 9 m m 、2 7 3 m m 漏磁管道检测器( 共3 4 0 万美元) 及配套的7 2 0 m m 几何变形检测器( 2 4 万美元) ，并在鲁宁线( 5 2 9 m m ) 、胶青线 ( 2 7 3 m m ) 进行检测，取得了许多有益的经验。近年来为适应管道检测的需要， 已对从美国引进的2 7 3 m m 漏磁管道检测器进行剖析，成功地将其改造成 3 2 5 m m ，从中掌握了有关技术，收到了很好的效果。加上在“八五”期间中国石 油天然气管道局、四川石油管理局都分别开展过研制漏磁p i g 的可行性研究和部 分启动工作。这些工作为本课题的顺利开展提供了技术上的参考。 由于历史的原因，国内在役老油气管道在设计、建设中，没有考虑管道内检 测问题。管道所经地区地形地貌复杂，管径、弯头规格多样，国外检测装置不完 全适合我国在役老管道的实际情况。立足于国内，借鉴国外先进技术，避免低水 平和基础探索研究，高起点、低投入，研制适用于我国管道实际情况的管道检测 装置是一条发展我国管道检测的有效途径。 我国在漏磁检测、超声检测和射线检测技术方面也做了不少研究工作，如 1 9 9 9 年中国石油天然气管道技术公司研制出3 7 7 漏磁管道腐蚀检测器；上海大 学研制了适合于中、小型管道的超声检测器，进行了室内试验：胜利油田研制出 第一台管道自动爬行x 射线探伤机；辽宁仪表研究所的x g p i i 型管道爬行x 射 线机等。 以上几种检测技术有的只是检测管道是否发生泄漏，并不能对泄漏点进行精 确定位；或者能够对泄漏点或缺陷区域进行管内定位，但无法进行精确大地定位； 另外管内检测器都是种规格只针对一种管径。 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 根据海上油田多年的生产情况，系统地跟踪国内、外近2 0 年的技术发展，提出 了利用探测技术结合专家分析系统用于海底管线检测及定位的技术，用以识别处 理海底管线的缺陷信息、缺陷尺度、缺陷点精确定位，并进行管线缺陷评价，这 将是一项非常实用的技术。 1 3 课题研制的内容 ( 一) 研究内容 国内目前尚无有效的近浅海海底管线在线检测系统，本课题就是针对这一难 题研制出一套对海底管线进行探伤检测的先进装置，测出管线壁厚及腐蚀、裂纹 等缺陷的尺度及其确切位置，为配套的海底管线维修装置提供目标，形成一套完 整的管线检测和维修体系。 ( 二) 总体目标 突破在线检测和精确大地定位的关键技术，形成海洋工程急需的海底管线在 线检测与安全评价系统，确保海底管线安全运行，促成近浅海石油开发，防止海 洋环境污染s 6 叼 ( 三) 技术指标 根据近浅海油田的现状和目前我国海底管线的实际情况，技术指标确定为： 1 、次检测长度：2 0 k m ； 2 、管线拐弯处最小曲率半径：3 d ； 3 、管线内介质温度：5 一8 0 ； 4 、适应管径：2 0 0 一3 2 0 ： 5 、检测速度： 约等于0 5 k m h ； 6 、爬行器行走速度：l k m h ： 7 、缺陷定位精度：小于o 5 m ： 8 、壁厚测量误差：小于0 5 m m ： 9 、检测最小腐蚀面积：l o m m x m m ； 1 0 、最小裂缝长度：l o m m 。 ( 四) 达到的技术水平 该课题将在水下精确大地定位、若干管径通用漏磁检测器、长距离管内智能 爬行等技术将补国内空白，达到国际同期的先进水平。 ( 五) 本人承担的任务 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 漏磁( m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ) 管道检测装置，简称m f l - p i g ，是目前国际 上检测油气管道腐蚀的最先进检测工具。通过检测缺陷所产生的漏磁量，来获知 管道壁上腐蚀缺陷的状态和参数，可为管道剩余强度和剩余寿命的定量评价提供 可靠的第一手数据。 在本课题中，我所承担的主要任务是搜集国内外技术资料，掌握漏磁检测法 的原理和技术，并通过理论研究和试验，初步完成漏磁检测器的传感器探头设计； 同时，设计一套对腐蚀缺陷数据进行采集、存储和处理的系统，通过理论分析和 模拟实验对信息采集与处理技术进行探讨和研究。 上海交通大学硕士学位论文第二章管道缺陷检测技术 第二章管道缺陷检测技术 2 1 管道缺陷检测常用方法 海底管道事故一般指渗漏、穿孔及破裂。渗漏主要与施工和焊接质量有关； 穿孔主要与腐蚀( 主要是内腐蚀) 有关；破裂主要与管材质量及外力破坏有关。 通过海底管道腐蚀的在线检测可及时对管道的内外腐蚀状况作出评价，以防止穿 孔事故的发生。可见，管道内腐蚀的在线检测是预防穿孔的重要手段。 对于海底管道，主要是把智能检测器放到管内，在输送介质的推动下，完成 管道内腐蚀缺陷的检测。目前，智能检测器的原理主要基于漏磁检测技术、超声 波检测技术、远场涡流检测技术、射线检测技术、声发射检测技术、电子内窥和 视频检测技术、流量差法、压力分布法、压力波法、s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 法等。 2 1 1 漏磁检测技术 自从1 9 6 5 年美国h t f 公司研制出第一台漏磁式检测器以来，漏磁式检测器 是目前管道工业中应用历史较长、技术较成熟的检测设备，其主要用途是在管道 穿孔之前确定或描述因内腐蚀引起的壁厚变化情况，同时也能检测出管壁的凹 痕、皱摺等缺陷o l j 漏磁式检测器一般由三个模块组成，各模块之间由联轴节连接，参见图2 - 1 。 第一个模块为电池模块，中间模块为探测漏磁的传感器模块，第三个模块为仪器 模块。除检测管道内壁缺陷外，还可以同时测量检测器在管道内行走的距离。 被麓安传纛謦羲头瞧誊豢镰 图2 - 1漏磁式检测器结构示意图 漏磁检测躲斑理掣籍数燃晶蔟4 黜写文 巍茹韶何漏磁检测技术的原理是：漏磁式检测器的磁铁将磁通引入管壁，当检测器在 管内行走时，如果管壁无缺陷，则磁力线囿于管壁之内：如果管道内、外表面有 缺陷，则有一部分磁力线会穿到管壁之外，并发生扭曲。不同形式、不同程度 6 上海交通大学硕士学位论文第二章管道缺陷检测技术 的腐蚀坑会产生不同程度的漏磁通，磁力线扭曲的程度也不同。这些穿出管壁且 被扭曲的磁力线可被漏磁式检测器的线圈或磁铁两极之间的传感器检测出来并 形成电信号，该信号连同其他有关数据一起被记录在电子磁盘上。检测结束后收 回检测器，取出电子磁盘，再将漏磁信号转换到p c 机的存贮器中。技术人员可 根据磁盘中的记录进行分析，并把有腐蚀的地方按其严重程度进行分类，供决策 人员参考。 除美国之外，英国和德国制造的漏磁式检测器也是比较先进的。例如，英国 气体公司已研制出了第二代漏磁式检测器，它采用钕铁硼磁铁，比以前使用的无 碳镍钴铁强1 0 倍，可把大密度的磁通引入管壁，适用于较厚管壁和小直径的管 道，而且还准确地检测出影响管道安全运行的各种缺陷的大小和位置；德国 p i p e t r o n i x 公司开发了具有标准、高和超高三个分辨率等级的漏磁式检测器。 中国石油天然气管道技术公司于1 9 9 8 年成功研制了p t c 漏磁腐蚀检测数据 分析系统( 简称p t c 系统) 。p t c 系统能够提供被检管道上所有腐蚀点的轴向位 置、周向位置、距最近参考点的距离、腐蚀深度、腐蚀面积、距上下游焊缝的距 离等信息，并可对管道上的管件和维修点进行定位，是管道大修和管材鉴定的基 本依据。 漏磁式检测器的优点： ( 1 ) 对管道输送的介质不敏感，可以用于气体、液体或多项流体管道中。 ( 2 ) 可以覆盖管道的整个圆周。 漏磁式检测器的缺点： ( 1 ) 容易产生虚假信号。漏磁式检测器产生的信号不仅与管道缺陷的严重 程度有关，还与管道缺陷的几何形状有关，这就使得腐蚀不严重但边缘陡峭的局 部腐蚀所产生的信号比腐蚀严重但边缘平滑的腐蚀所产生的信号强。这就要求对 信号进行准确解释，以确切评价腐蚀的程度。 ( 2 ) 适应的最大壁厚与管径有关。这是因为，管径越小，漏磁量就越少。 对于较小直径的管道，适应的最大壁厚为1 2 - - - 1 5 m m ；对于较大直径的管道，适 应的最大壁厚为3 0 m m 。 ( 3 ) 检测精度不高。漏磁式检测器的检测精度随管壁厚度的减小而提高， 有关缺陷都能检测出来，但不能可靠地确定缺陷的大小。 ( 4 ) 不能检测轴向缺陷。漏磁式检测器对腐蚀坑和三维机械缺陷最为敏感， 而象裂纹一类的轴向缺陷则检测不到。 7 上海交通大学硕士学位论文第二章管道缺陷检测技术 2 1 2 超声波检测技术 由于漏磁检测技术的检测精度较低，在8 0 年代又开发了超声波检测技术。 超声波检测技术的原理是：位于管道内的超声波式检测器在管道的径向上发 射超声脉冲波，该超声脉冲波进入管壁，在内、外管壁均会产生反射回波，这些 回波的返回时间可反映出管壁的有效厚度，其精度可达0 3 m m 删 不少国家都能生产比较先进的超声波式检测器，它一般由4 个模块组成。现 以日本n k k 公司生产的n k k 超声波检测器( 结构示意如图2 - 2 ) 为例说明其结构 及功能。 瞻法攘鹱 繁攮摩撬翘声靛攥辘： 传嚣饕橇凌 胁悝r 震掘。n 嗡搿聱稀驾稀愚clu2-2n 叼彻胁l j 他 j ；如岫饥c 厦铷他仉吁愀艮们t ，蚶d n c叼7 哆 电泄模块的电池能保证检测器正常工作l o h ；数据模块装有个记录检测数 据的磁带录像机，一盒磁带具有1 6 0 m 字节的存储能力，可记录l o h 的检测数据， 检测到的腐蚀情况及其位置都记录在录像带上；在超声波模块上装配了超声波发 生器和超声波检测器并与传感器模块和用于辅助数据处理的电子装置联接；在传 感器模块的圆周装1 6 0 个传感器。数据处理系统可输出下列三种检测结果：腐蚀 数据图象、管道横向剖面图象、管道纵向剖面图象。 另外，荷兰的r o n t g e nt e c h n i s c h ed i e n s t b t ( r t d ) 公司开发了系缆式超声 波检测器。这种系缆式超声波检测器，由电机驱动在管道内爬行。该仪器从管道 的一端进入，用于控制检测器行走速度和方向的控制设备安装在控制室内。 r t d 公司已开发了多种型号的系缆式超声波检测器。其中，r t dp i t2 0 0 0 型可以检测长2 0 0 0 m 管道内、外腐蚀的位置、深度，并可测量腐蚀部位的剩余壁 厚。这种检测器采用3 2 个超声波传感器，可以均布在管道的同一横截面上；也 可已近距离地错开排列在不同的横截面上。检测结果可以即时提供，也可以记录 在磁带上。 到目前为止，p i t2 0 0 0 型系缆式超声波检测器已在北美、欧洲及远东成功 地用于d 6 5 0 - 1l o o m m 的管道上。如果管道的长度超过电缆的长度，则可从管道 两端分别检测。 r t dp i t6 0 0 0 为另一种系缆式超声波检测器，它可以检测长达6 0 0 0 m 的管 道。p i t6 0 0 0 型和2 0 0 0 型在设计和结构上相同，所用的传输信号的电缆均为光 上海交通大学硕士学位论文第二章管道缺陷检测技术 纤电缆，它分两种，一种适于直径5 0 0 - , 7 5 0 m m 的管道；另一种适于直径4 0 0 - - 6 0 0 r a m 的管道，并都可通过3 d 弯头和其它规格的弯头。 超声波式检测器的优点： ( 1 ) 检测精度高，可检测的最小壁厚为5 r n m 。 ( 2 ) 无需对检测结果进行评价即可知道缺陷的位置。 ( 3 ) 适用于裂纹的检测。 ( 4 ) 采取一些技术手段，可以精确地检测出内、外腐蚀。 ( 5 ) 不同管道材质的超声波很相近的特征，对检测结果基本无影响。 超声波式检测器的缺点： ( 1 ) 对输送介质有限制。这种检测器在管壁和传感器之间有一种耦合剂， 因而，它仅限于用在输送液体的管道上。 ( 2 ) 超声波式检测器采用的传感器的直径比漏磁式检测传感器的直径小。 因此，需要更多的传感器才能覆盖整个圆周。 2 1 3 涡流检测技术 涡流检测技术的原理是：在涡流式检测器的两个初级线圈内通以微弱电流， 使钢管表面因电磁感应而产生涡流，用次级线圈进行检测。若管壁没有缺陷，每 个初级线圈上的磁通量均与次级线圈上的磁通量相等，由于反向连接，次级线圈 上不产生电压。有缺陷时，磁通发生紊乱，磁力线扭曲，使次级线圈的磁通失去 平衡而产生电压。通过对该电压的分析，检测出腐蚀情况”b j 涡流式检测器可检测输送气体、液体的管道。 同样，不少国家能生产涡流检测器。这里以日本n k k 公司为例( 见图2 - 3 ) 予以说明。 电法撬袭记录攥辚娓瘴电子翔抟蓐墨壤斑 哪蝎& 5 躲；焉磐式铲徽构薪躺脚忉 i j i 憎2 33 c 如i i l f fl 忡小d 产耐扛七口蜘舾秭脚穸哆 n k k 涡流式检测器由三个模块组箴：电池模块、记亲模块、狷流电子和传感 器模块。电池模块和记录模块的结构和功能与该公司的超声式检测器的结构和功 9 上海交通大学硕士学位论文 第二章管道缺陷检测技术 能一样。涡流电子和传感器模块是涡流检测器的核心，用于处理传感器检测出的 信号。在涡流电子和传感器模块的圆周上装1 6 0 个传感器。另外，还装配了用于 检测辅助数据的传感器和电子装置。检测器的驱动力来自介质压差。在直管段， 驱动力是5 k n ；在弯曲管段，驱动力是i o k n 。 2 2 各种管道缺陷检测技术对比 由于检测方法的不同，导致可检测对象、检测范围及检测结果都有所区别。 2 2 1 漏磁检测与超声检测的比较 表2 1 为超声检测与漏磁检测两种方法的对比。 由表中可见，因为漏磁检测爬机的检测探头得贴近管壁进行检测，当管壁不 平，如有焊瘤，或管壁积有其它杂质时，将引起检测探头的抖动，从而产生虚假 数据。漏磁检测爬机对管壁缺陷无法定量分析，其测得的检测数据不够精确，需 经过校验放能使用。漏磁检测爬机由于其检测机理所限，它对金属敏感度很高， 当管道所用材料混有杂质时，将影响它对管道的测量。另外，对于大管径及管壁 较厚的管道，漏磁检测爬机的能力亦是有限的。但漏磁检测爬机可对各种管壁缺 陷实施检验，它不受检测介质的影响，即被测管道内的油液对漏磁检测爬机的检 测没有影响，漏磁检测爬机适于检测中小型管道，检测时不易产生漏检现象。 同样由附表可知，超声检测爬机适合对大管径、厚管壁的管道进行检测，它的检 测精度很高，检测数据简单且不需对检测数据进行校核，这就大大提高了爬机的 检测效率。然而，超声检测对检测介质敏感，当管壁缺陷处的蜡质层过厚，将影 响超声检测爬机对该处的检测，超声检测爬机对超声探头的方向及至管壁的距离 要求很高，它的扫描带受超声探头的限制，处理不当易产生漏检。 综上所述，对在役输油管道实施检测，无论漏磁检测爬机或超声检测爬机都 是行之有效的检测工具。漏磁检测爬机适于检测管壁的细小缺陷，如管壁裂纹和 直径很小的腐蚀点等。在检测管壁的厚度方面，它则不如超声检测爬机那样简便。 另外，漏磁检测爬机需存储的检测数据很多。超声检测爬机在检测管壁的细小缺 陷方面不如漏磁检测爬机那样精确，但它在测厚方面，其精度要优于漏磁检测爬 机，且需存储的检测数据较漏磁检测爬机要少得多。由于受超声波的物理特性所 限，超声检测爬机要在有油或水等传导介质的条件下才能正常工作。 l o 上海交通大学硕士学位论文 第二章管道缺陷检测技术 采用漏磁法可对冷轧钢管内部进行检测。如研制的芯棒断裂监测装置，针对 钢管内部芯棒进行探伤已成功应用。理论与试验证明，对于内部缺陷，漏磁法检 测灵敏度高于涡流法。 ( 3 ) 检测范围 漏磁法只适用于铁磁性材料的检测，适宜于大直径厚壁钢管探伤及钢管、棒 材内部探伤。 涡流法适用于各种导电材料，与材料的铁磁性无关。它较适宜于检测普通薄 壁管及棒材外表面缺陷。 ( 4 ) 信号处理 漏磁法采用永久磁铁或直流磁化方式，由于没高频信号存在，干扰小，给信 号处理带来很大方便，且信号处理及传感器结构都十分简单。 涡流法由于有高频激励信号存在，给信号处理带来一定困难，容易引起信 号相互干扰，信号处理及传感器结构较为复杂。 2 3 本章小结 综上所述，对各种检测方法在输油管道缺陷检测中的应用的总结，得出如 下结论： ( 1 ) 超声波探伤虽然精度很高，能准确地测出腐蚀缺陷和被测工件的厚度， 但它的检测速度慢。一段1 0 0 公里长的输油管道，用超声波探伤，大约需要十几 天，甚至几十天，使供电系统成为棘手问题。管道内壁的不光滑也影响测量的准 确性。另外，超声波探伤需要耦合剂，在输油管道中，很容易实现，而在气管道 中，则很难实现。而且管道中的杂质还会影响耦合效果。 ( 2 ) 涡流检测方法可同时测量被测工件的多种性能，但它抗干扰能力差， 由于它自身产生交变磁场，因此需要相对较强的激励源，功耗较大。 ( 3 ) 漏磁通检测法比超声波探伤法测量速度要快得多，它对管道内壁的光 滑程度要求不高，适合于测量被腐蚀的管壁。与超声波探伤相比，它不能很确切 地判定腐蚀缺陷的深度及管壁的剩余厚度，只能粗略地判断管壁的损伤程度。但 作为管道寿命评估的依据，不需知道缺陷的确切值，只要知道缺陷的大概等级， 能够确定管道还能使用多久或是否要等换即可。例如，能确定出缺陷深度已达到 壁厚的8 0 以上，即认定该管需更换，至于为8 5 还是9 0 s ，则不必知道。 因此本课题在总结和比较各种测量方法的基础上，选用漏磁通法作为管道 腐蚀缺陷检测的基本方法。漏磁通法是目前世界各管道检测公司采用最多的检测 1 2 上海交通大学硕士学位论文第二章管道缺陷检测技术 方法。 上海交通大学硕士学位论文 第三章漏磁检测原理 3 1 漏磁法原理 第三章漏磁检测原理 3 1 1 漏磁法检测的基本原理 漏磁法腐蚀缺陷检测是近年来在输油气管道检测中常用的一种有效方法。 它通过测量被磁化铁磁材料工件表面漏磁感应强度的大小来判定工件腐蚀缺陷 程度。 漏磁法检测适用于铁磁材料，如对导磁钢管及钢板的腐蚀缺陷检测。其基 本原理如图3 - 1 所示。 ( a ) 无缺陷( b ) 有缺陷 脚他3 l 图潍产嗡勰理和嘶i c ! ? 4 1 5 图3 - 1 ( a ) 中，在被测工件上通入一个封闭的磁场，将工件磁化，在工件表 面用磁敏传感器测量漏磁通。由于工件壁无腐蚀缺陷，厚度基本不发生变化，磁 场从工件中穿过，在工件内均匀分布。在理想情况下，泄漏的磁通基本为零，但 实际上磁铁的磁通量不可能完全从工件中穿过，少量磁通从壁外经过，因此磁敏 传感器测得的漏磁信号不一定为零，但其值是固定不变的。 图3 - 1 ( b ) 为被测工件有缺陷时的情形。由于工件部分变薄，引起磁通分布 不均匀，一部分磁场仍从被测工件内穿过，另一部分从工件缺陷的凹陷中穿过， 还有一部分则从工件外穿过，渗透到空间中，这部分从工件中“泄漏”出来的磁 通量即为漏磁通。当工件表面有缺陷时，由磁敏传感器测得的漏磁通量会明显增 大。无论工件内表面有缺陷还是外表面有缺陷，在工件的两面均会产生漏磁通。 1 4 上海交通大学硕士学位论文第三章漏磁检测原理 3 1 。2 基于漏磁通的缺陷信号分析 3 1 2 1 缺陷信号的描述 工件在磁场中饱和磁化时，缺陷周围产生漏磁场。可以把缺陷的两个侧面看 作两个磁极，用等效的磁偶极子来模拟。对各种表面缺陷可用下述3 种磁偶极子 模型来描述6 3 j 1 点偶极子模型 工件表面的点状孔、洞等缺陷可用等效点偶极子模型来模拟。点磁荷m 在空 间任一点p 所产生的场强为： h ：罢 ( 3 1 ) ，。 r 为点p 到点磁荷m 的距离。 m r e 霄2 。潆磁e m p 厦，- ，e c 训r e3 2 胁 t0 【仲4 e 相距为2 a 的两个点磁衙( 磁偶极子) 在空阿任一点所产生的磁场其x ，y 方 向的两个分量是： 一薪) 争2 ，一匠研， u 纠 _ = _ 南一南) 争3 ， 2 线偶极子模型 工件表面的低浅划道、拉痕等缺陷可用图3 - 3 所示的等效线偶极子模拟。 赫 ，、【 m = r h 上海交通大学硕士学位论文第三章漏磁检测原理 p 彳。h r 2 o 。 i l- l l r 图3 3 线偶极子模型 吁c l 垤 3 3 讹d 邢。比，一e 【 所谓线偶极子就是具有符号相反，线磁荷密度盯，相等，相距为缺陷宽度2 a 的两条无限长磁荷线。一条无限长的正磁荷线在与它相距为_ 的点p 所产生的场 强为 h l ：_ 2 0 - ! _ ( 3 - 4 ) 1 同理，对于负磁荷线有 h 2 - 专吃 5 ) 线偶极子在空间任一点场强是上述两式的矢量和h = h 。+ h ：，h 的水平分 量h ，和垂直分量h y 分别为 - x = 3 面偶极子模型 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 对于裂纹、折迭一类的缺陷可用面偶极子来模拟，它是具有符号相反，面磁 荷密度相吒等，相距为缺陷宽度2 a ，深度为d 的两个磁荷面( 如图3 - 4 所 示) 。 1 6 上海交通大学硕士学位论文第三章漏磁检测原理 图3 - 4 面偶极子模型，f 晒l 他3 啤如小c b 撕o c e o d e 【 _ 空n f f ：- ap 磁场强度的水平分量h ，和垂直分量h ，分别为 耻2 十蚀高尚岛t a n 而4 x - a ) 伊8 ， 日，= 仃， ，n 鱼掰一- n 鱼掰 。3 9 ， 在实际应用中，工件内的自然缺陷并不都是垂直于工件表面，而是各种角 度都可能有。我们称这种缺陷为倾斜型缺陷，称其角度为倾角0 。为描述这种缺 陷产生的漏磁场信号，采用坐标变换的方法作近似处理( 如图3 - 5 所示) 。 h 。2 = h n s i n 0 一hy i c o s 0 日j ，2 = h e ls i n 0 + h x lc os0(3-10) m l 、 ，70i l 隧，_ 一。参9 k 、_ 产u 毋一 r 图3 - 5 倾斜型缺陷 一q 化 3 垮 卫p c “丘t 凹如1 2 c t 其中，h ，：，h ，：分别为在x ：一y ：型标系中空间任一点场强的水平分量和垂 1 7 上海交通人学硕士学位论文 韶二章c l j 磁检测原理 直分量，i i h 分别为在，一h 坐标系中空唰任点场强的水平分量和垂直 分量。把( 38 ) 式和( 3 - 9 ) 式代入得： h 。= ：。- s i n a a r c t a n i j + ：一a r c t a n i ；。二：；。；：j i 岛 一 叩瑚，n 崭笋山气掣笋 片。一：a ，c 。s 。f a r c t a n i i 揣一a r c t a n i ：j + 。二s j n a - n ! ! - ： ：! ；：；i ；j ；9 ：一- n ! i ：! i ：；竽 。卜1 2 3122 缺陷信号的分析 缺碥参数对漏磁场的影响 图3 - 6h 的至司分肃圈 w 3 6 p 商1 舭牛勺 当探头对j _ 件进行扫描叫，霍尔元件实际上是切割漏磁通的垂直分量i - 1 而 得缺陷信号的，h 。的空i 训分布曲线如目3 - 6 所示 实验和研究表明，在一定的切割速度和切割角度条件下，缺陷的深度d 、宽 度a 、倾斜角目等参数与漏磁通的法向分量h 有君密切关系，改变这些参数，h 。 将随着发生相应变化。根据( 39 ) 式，其它参数不变，当改变缺陷的深度d 时， f i 的峰值随着d 的加深而增大，计算纬果如图3 7 ( a ) 所示。另一方面，h 、随 着缺陷宽度a 的增大而减少，如槊宽度增大到一定的程度以至不能形成磁桥时， 上海交通大学硕士学位论文 第三章漏磁检测原理 h y 为零。所以，考虑缺陷的深宽比d a 对漏磁信号的影响更为合理，如图3 - 7 ( b ) 所示，h ，的峰值还是随着d a 的减小而降低。 ih g ，风 x 图3 - 7 缺陷参数对漏磁场的影响， 确1 l 佗3 1 血f a 伽吃 k 白棚e 如和咖伽m - e ；e 卜枷朋砚相职心 对倾斜缺陷，轴向磁化时，倾斜角与h ，之间的关系如图3 7 ( c ) ，倾斜角矽 越小，h ，也越小，越不利于缺陷的检出。由此可知，当缺陷的取向与钢管轴线 平行时，应采用径向磁化方式。磁化方式的选择，原贝i 上应使工件内磁力线与缺 陷的延伸方向垂直，这样，缺陷产生的漏磁通最大，最有利于缺陷的检测。由于 自然缺陷的取向是随机的，所以，采用复合磁化方式才能保证检测到各种取向的 缺陷。图3 - 8 是在磁化强度h 。= 6 2 0 7 ( a m ) ，轴向磁化方式时对无缝钢管上的 人工缺陷进行实验所测得的结果，可以看到，实测结果与理论分析是一致的。尤 其需要指出的是，缺陷的深度与漏磁信号的峰值成一线性比例关系，这是漏磁检 测法区别于其它方法的一大特点。 h ，o r l z 61 0 =8 、 6 蚓4 凝； 蜒： k u 日略 l2 345 缺陷深度d ，、 h r o f _ 一 _ ， 、 唰 搿 赡 长 嘣 缺陷深宽比d a ，、 h _ r o r _ 、一一 、 吲 翅 赡 求 嘣 9 06 03 0 缺陷倾角秒 图3 - 8实验结果( 缺陷参数d ，d a ，曰与所测得的 栩肌，8 惹鞴之群蕊气乏研凇) 7 砌【f 他3 ，8艮州f t 了o ，盯即n ，i i e 竹th 4 ：协7f 日m7 2 缺陷信号反演缺陷参数 1 9 上海交通大学硕士学位论文 第三章漏磁检测原理 缺陷产生的缺陷信号经信号处理后，可用示波器观察，也可在p c 机上定位 显示，缺陷信号提供了许多有关缺陷的信息。当探头沿工件表面做相对平移运动 时，探头内的感应线圈切割漏磁通的法向分量，法向分量h ，的波形如图3 - 9 所 示。 2 a 1 r一， h p o j厂 h 灿p 脚他3 1 价1 e 麻。牟如 实验表明，这个波形的形状与缺陷深度和宽度有着一定的对应关系，由于h 。 实际上反映了漏磁通的变化率，在缺陷中间，漏磁通达到最大值，h 、，的变化率 为零，故图中信号过零处对应缺陷的中间位置。而在缺陷的两个侧面上漏磁通变 化率最大，对应信号的两个峰值。由此可知，h ，的两