瞬变电磁原理在埋地金属管道腐蚀剩余壁厚地面检测中的应用分析

1、瞬变电磁原理在埋地金属管道腐蚀 剩余壁厚地面检测中的应用分析 石仁委(胜利油田腐蚀与防护研究所，山东东营257000)摘 要：管道腐蚀特别是埋地管道不开挖、不停输情况下的管体腐蚀地面检测技术，近几年 逐渐成为研究的重点。本文结合我们开展的中石化重点攻关课题的研究以及多年的管道腐蚀 地面检测评价实践，介绍了基于瞬变磁场或瞬变脉冲(TEM)法原理的管体腐蚀地面检测技术 的研究以及应用情况，特别是响应信号的性质特征、采集和解释问题，误差以及误差控制的 思路。关键词：瞬变磁场脉冲管体腐蚀数据采集解释响应金属管道敷设运行后，经常会因各种原因而发生腐蚀。对于非埋地管道(特别是没有保 温绝热层的管道)我们可

2、以用超声波测厚仪等直接接触式仪器来检测，而埋地管道由于存在 越挖越腐和开挖本钱的限制，这种方法显然是行不通的。管道内检测技术由于受到管道自身 条件的限制，只适宜大管径的长输管道，对于量大面广的油田内部集输管道和城市燃气管道 而言，要实现不停输在线检测有很大的难度。因此，埋地管道在不开挖、不停输状态下的腐 蚀地面检测成为一个值得深入探讨的问题。一、瞬变电磁技术的提出以及实现思路1、用瞬变电磁技术实现埋地管道腐蚀剩余壁厚检测的理论可行性(瞬变响应根本分析)。、|， 无论是电化学腐蚀、杂散电流腐蚀还是厌氧菌腐蚀，导致的金)1属量蚀失、腐蚀产物垢积，还是疲劳损伤使金属微观(晶间)结构，。 ； ；发生变

3、化等，都会造成埋地钢管的电导率和磁导率变异。因此，只要检测出因腐蚀或疲劳损伤所致的管体金属物理性质的变异部位 和变异程度，经过与(已发生腐蚀和未发生腐蚀)情况比照， 就可以指出腐蚀地段并对腐蚀程度做出评价。因此，我们可以设想：图1 在埋地管道的上方，设法人为地形成一个可以控制的瞬变磁场(用瞬变脉冲电流就可以实现)，利用该磁场(我们叫做一次磁场)在管体中鼓励起随时间变化的 “衰变涡流，(图1)从而在周围空间产生与一次磁场方向相同的二次“衰变磁场，然后我们 通过设法接收二次磁场，并通过对接收到的二次磁场变化情况进行分析，就有可能对腐蚀做出测量或评价。 国内不少专家通过建立理论模型等方式的研究发现：

4、(1)在地面上可以通过设法接受二次磁场(瞬变响应)来获得与管道特性(包括其腐蚀状况)信息相关的瞬变响应脉冲信号；(2) 所接受到的响应信号尽管是一种包含了各种影响在内的综合响应，但是可以从中别离、提取 与被测管道直接相关的时变信息；(3)同一种管道当壁厚有差异时，别离出的响应曲线有差 别，且越到响应的后期，该差异越大1。或者说，多个采样点在某个时段上，有无金属蚀失(壁 厚发生变化)是可分辨的。这一研究从理论上证明：可以通过此法进行管道的腐蚀剩余壁厚 检测与分析。2、借助GDP一32综合收录系统实现瞬变电磁检测(数据采集根本方式研究)。398当从理论上解释并证明了瞬变电磁原理的在进行管道腐蚀剩余

5、壁厚检测的可行性之后， 还需要做的工作就是探讨在实际中如何形成瞬变磁场并得到相应的瞬变响应信号。通过分析 研究和大量的实际检测探索，我们发现：美国Zonge工程公司生产的GDP-32综合收录系统(一 种在探矿上应用较广装置)，可以作为进行埋地管道腐蚀剩余壁厚检测中瞬变磁场信号产生和 接收的辅助技术手段。在此根底上，我们借助保定驰骋千里科技研发的一个特制传感器，作为与GDP-32综合收录系统配套的发生和检测电磁信号的硬件设备。利用该装置，通过瞬间断开鼓励电流形成了一次磁场“关断脉冲。此一随时间陡变的磁场在管体中鼓励起 随时间变化的“衰变涡流，从而在周围空间产生与一次场方向相同的二次“衰变磁场，二

6、 次磁场穿过接收回线中的磁通量随时间变化在接收线圈中鼓励起被测电动势，从而，使我们 最终观测到用鼓励电流归一化的二次磁场衰变曲线一瞬变响应。二、采集获得的瞬变响应信号的根本性质及其分析当给放在管道上方的正方形鼓励线框(特制传感器)中通过GDP-32综合收录系统通以脉 冲电流，并瞬间断电以后(tO)，就会在线框周围包括被测管道在内的有耗介质中鼓励起了 随时间衰变的涡旋电流，这时，通过放置在管道正上方的收线框(特制传感器)，就可以接收 到与管体上涡旋电流相关的二次磁场在接收线框中所激起的归一化电动势，其函数表达式如 下2：半叫咖知“,nR,LL(av)=Lz，口(p，仃，b，口)】1口=“仃b其中

7、：U(T)I是接收线圈中的归一化电动势；h是被测管道的中心埋深；a、b分 别是管道横截面的内、外半径；nw、1T、是发射线框的匝数与半边长，nR、lR是接收线框的匝 数与半边长；L(Q T)是被测管道的瞬变响应函数，T是时间；Q称作被测管道的综合时间 常数；p和0分别是管道的磁导率与电导率。显然，我们在这里得到的归一化的脉冲瞬变响应信号只是一种电位(电势)信号。这种 电位(电势)信号：一是需要通过一系列的复杂演算做进一步的转化，使其从电位信号解释 出平均管壁厚度；二是我们所能测到的是一个瞬变响应，即衰变磁场曲线。因此每一个突变 脉冲，我们需要测假设干次，为了消除偶然干扰因素，每一处我们需要进行

8、大量的信号采集， 也就是说这种测量的数据采集量相当巨大；三是这种接收到的信号与许多因素有关，是一种 对众多因素(包括各种干扰)及其非常复杂的相互作用后果的综合的间接反映，因此，需要对各种与反映管体状况无关的干扰信号进行剔除。三、从瞬变响应信号中解析剩余壁厚我们得到了二次磁场衰变曲线一瞬变响应信号以后，关键的问题就是要研究：如何通过 对该信号的分析，来反演出管体腐蚀后的剩余壁厚。l、研究影响综合响应信号的因素，别离解析“腐蚀响应信号399从上述表达式以及其它方面的分析研究 说明：影响瞬变响应的因素可分为三类：即几 何因素，介质因素和干扰因素。因此，要综合 响应信号中别离出“腐蚀响应信号，主要就

9、是对上述三种因素进行区分和量化。几何参数 均属可确定因素，在作了适当的装置设计后可 以将其简化成一个常数来对待，且这个常数通 过反复的检测试验与验证分析可以得到一个 确切的曲线或着说计算参数；介质因素具有一圈2广肃I硅j管佐席伽舱涮千扰信马锆布图定程度的连续可比照性，因此在一定条件下可作为背景来处理；干扰因素那么相对无规律可寻，处理起来比拟复杂。图2为我们在胜利油田 广利联合站防腐技术现场试验区内，用瞬变电磁原理进行管体腐蚀检测试验(管道腐蚀剩余 壁厚)检测时所测得的电磁干扰信号分布图。通过反复试验，我们发现，瞬间干扰可以通过提高信噪比的方法予以抑制，加大鼓励信 号(包括鼓励电流的增大，发、收

10、回线匝数、面积增加)，提高叠加次数，避开干扰时间段等， 都是常用的手段。这样，通过将几何因素常数化、介质因素做背景化处理以及采取各种抑制或避开干扰信号的措施后，我们就可以从综合响应信号中别离出“腐蚀响应信号来。2、减少误差，提高检测精度 通过上述分析并最终通过反复试验，确信我们可以别离出我们需要的“腐蚀响应信号以后，我们就不得不面对如何提高检测精度的问题了。而这个问题的关键又首先在于尽可能 地减少或消灭各类误差，以检测出用户关心的最小金属蚀失量。就误差而言，主要有观测误 差和收录误差两类。其中，观测误差主要由装置本身的误差和定位误差构成。而如果我们处处使用同一个装 置进行检测的话，装置误差将成

11、为系统误差，它不会影响到观测精度，只影响反演解释的可 靠性。而定位误差，只要我们探管做的准确，保证精度应当说这是不难办到的，而事实上目前的探管技术已经相当成熟。因此，只要我们在检测中足够的细心，理论上的观测误差完全 可以控制在需要的范围之内。装置误差表现为系统误差，定位误差又可以很方便、 - 、地控制在规定的范围(一般为4)以内，于是，信号“的收录误差成了关键。 一9、通过反复试验，我们发现：虽然由于各种环境影响，坚6、收录误差不可防止，但是，收录误差可以通过合理地选势4 择数据采集时间，如防止雷雨天测量、车辆过往时段等，2以减小误差；通过增加观测的叠加次数或者增大鼓励场0510 15 20

12、25 3035源的功率，同样可以减小收录误差。在实际检测中，对采样时段(时窗)于每一个测量点，每一个瞬变脉冲，我们均在31个时段图3上进行采样，即我们通常所说的使用31个时窗进行数据采集(图3)，每个采样点我们一般连续进行512次瞬变脉冲响应信号的采集，有时甚至对各 时段进行1024次采样或更多，直到监控时窗所显示的采样数据质量符合要求为止。实践证明：通过这些方法，可以使此项误差控制在3以内。这样，只要管道因腐蚀而产生的物理特性变 化可以引起lO的瞬变电磁响应异常，就能够把这样的腐蚀程度检测出来。3、利用有用信号规律，提高检测准确性我们其所以能够从测得的瞬变信号中分析出管道腐蚀，是因为管道的瞬

13、变电磁响应与管 体金属蚀失量或因腐蚀引起的管材物理参量相对变化之间存在着本质的关系。腐蚀作用破坏 了管体原有的物性和结构而形成了新的物质一腐蚀产物，腐蚀产物使腐蚀管段的等效电导率 和等效磁导率下降，导致瞬变信号衰减加快。进一步的研究还说明：在其他条件不便的情况 下，管道的管径、壁厚、材质、输送介质等物理量对管道的瞬变电磁响应信号的影响有规律 可寻，掌握这些规律是我们提高分析判别能力(即从测得的瞬变电磁响应信号中反演出管体腐蚀剩余壁厚)的重要条件。四、瞬变电磁技术在腐蚀检测中的实践自2004年起，我们就应用瞬变电磁技术对胜利油田的河口、孤东、胜利、东辛、滨南等 采油厂的输油、输气、混输、污水等几

14、十条埋地管道进行了不开挖、不停输地面腐蚀检测。 附表1是我们在胜利油田滨南采油厂某埋地稠油管道上，利用该技术在地面上进行的不开挖管壁腐蚀剩余厚度检测分析结果与解剖后用超声波测厚仪实测的误差。(这是我们特意进行的一次纯粹实验性检测)从检测实验的数据分析结果来看：没有干扰的地方平均均方误差完全 可以控制在5以内；只有有干扰的地方才出现了较大的均方误差。附表2那么是我们在其它管 道上进行腐蚀剩余壁厚检测试验的验证点数据附表一1 滨南稠油管道数据采集精度平均均方相对误差 平均均方相对误差编号备注编号备注()()2315 08244504102320 106 4455 4122325 045 4460

15、2932330040 4465 3532335 0044470 L 33234021l4475 0852345041 44802341有交叉管道2350182 4485 O842355 3089高压线干扰 4490 12523604500高压线干扰 4500压线干扰 4660 600不明干扰2370 5675高压线干扰 4665 04123725509高压线干扰 4670725 盗油点23750764675 0882380 1594440 2184445 3227有并行管道401表一2胜利油田其它管道腐蚀剩余壁厚检测试验验证点数据开挖验证位置 检测值(衄) 实测值(珊

16、)误差() 备注 河东线51292569 69l014河东线47317 66 683 337 丁义线8323 68688 116 丁义线17800 54 543 055 丁义线17836 53 516 27l 丁义线18230 58 554 469现河注水2800 631606 155目标管上方存在干扰 孤五一孤四注水185 16561704282胜采混输坨二1125627 625 O32 胜采混输坨五800 63l661 454 孤东外输油管2-875 69 664 392 孤东外输油管2-975 67 670 0O 孤东外输油管3-975 75 779 372 孤东输气管14475 666

17、75222 孤东输气管14602 67667 046从表2中所列15处开挖验证情况可见，管壁厚度检测符合率达933，其中与实测壁厚 的偏差不超过3的占了总开挖验证数的533。从TEM检测原理上讲，腐蚀导致的管体内、外管壁平均厚度减薄是难以区分的。由于管道可能会输送腐蚀性介质，发生在管体内壁的腐蚀往往更引起人们的关注。对于在线运行的 管道，观察、分析其内腐蚀的本钱令人咋舌，于是，利用现有的试验场设施就成了试验工作 的必然选择。管道内壁腐蚀导致管壁平均厚度减薄情况下的检测效果试验安排在我们胜利油 田腐蚀与防护研究所的广利联防腐技术中试基地。附表3为试验验证结果。附表一3利用广利联防腐技术中试基地试

18、验管段所做管壁厚度检测试验验证结果实测数据检测数 相对误 编号平均值 据 差实测值(岫)(皿n)(哪)()16209634 648638 636 634 635638 63763865 1881700I 653 656650 64865l 649654 648 65l 650152114675 670680 674 667 649 662 675 669 64 4332411626629 622629 627 629 629 627 62865 3672415632 632 638 631 648636 626635 635 65 2362604642 640 638 645 642 639

19、645640 641 64 0162614 638 638637637 636 637 637 635637 640472620 656650 661 653 657662 658 666658 651222706 646642 636 648 647646 645 6396“64 0622912634 646 648 6。48 659652648 650648 64 123从壁厚验证表中所列11处验证情况可见，由于试验管段周围干扰因素比拟少，管壁厚度 检测符合率达100，其中与实测壁厚的偏差不超过3的占了总开挖验证数的90。五、研究和试验取得的根本结论1、被测管段的金属蚀失量最终可以用该管段

20、的瞬变时间常数予以表征。一般说来，瞬变 常数越大说明管体金属蚀失量越大。鉴于瞬变常数取决于被测管段的电导率、磁导率、管径、 壁厚以及管内所输送介质的电导率、磁导率、介电常数等，因此首先要将性状不同的管段分 开并分别确定其金属蚀失量。2、尽管可以不必考虑管体未腐蚀局部的材质物理特性在长期埋设情况下会发生什么样的 变化，但是却不能不考虑由于腐蚀致使管壁(平均)厚度减薄而引起的等效电导率和等效磁 导率变化对综合参量的影响。3、综合归纳以上几个方面的结果，不难给出内、外腐蚀情况下综合参量变化与管壁厚度 变化之间的函数关系。(1)当管道几何尺寸、管材及管内输送介质的电磁物理参数时，可以通过综合参量的变化来确定管壁(平均)厚度的变化。 (2)尽管从理论上可以区分腐蚀(金属蚀失)是发生在管内壁还是发生在管外壁，但是实际计算