带包覆层管道腐蚀缺陷的微磁检测技术

于润桥，徐伟津，胡 博，廖 城，付 鑫，何恩达

(无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063）

0 引言

带包覆层管道在石油、化工和电力等行业广泛使用，但由于腐蚀、侵蚀等因素引起的壁厚减薄严重威胁着其运行的安全性;因此，对包覆层管道进行定期无损检测至关重要。

由于带包覆层管道所固有的特殊性，常规的无损检测技术都需要先去除管道外的包覆层再进行检测，并且常规无损检测方法都不能满足对在役带包覆层管道的检测需求［1］。近几年，国内外研究人员在不拆除包覆层条件下对管道腐蚀缺陷的检测也取得了一些进展，例如超声导波、X射线和智能猪爬行器等。超声导波检测在安装导波探头时需要拆除部分管道表面的包覆层，并且低频导波在检测长距离管道时对于小面积腐蚀和均匀性腐蚀区域检出率较差［2-3］;X射线检测由于辐射量大及检测成本高等原因，在实际应用中不便使用;智能猪爬行器对于被检带包覆层管道几何形状要求较高，且需停机检测［4-5］。

微磁检测技术是诸多学科相互交叉发展形成的新型工业检测技术，具有操作简单、检测速度快、费用低、不需要耦合剂，对管道输送的介质不敏感，可在一定提离高度的情况下进行检测等优点。本研究提出了一种在地磁场环境下带包覆层管道中腐蚀缺陷的微磁无损检测方法，通过对预制腐蚀缺陷的检测和分析包覆层厚度对磁场强度衰减的影响，为研究包覆层厚度对微磁检测灵敏度的影响和腐蚀缺陷定量分析提供借鉴。

1 微磁检测原理

当被检管道试件置于均匀的地磁场中，若管道的材质是连续、均匀的，磁力线将均匀分布在管壁内部［6］。若管道试件中存在腐蚀缺陷，如图1所示，H0为远离管道腐蚀缺陷处的磁场强度，H1为管道腐蚀缺陷处的磁场强度。当管道试件中存在腐蚀缺陷时，由于母材的磁导率(铁磁性材料相对磁导率远大于1)与腐蚀缺陷处磁导率(缺陷处空气为无磁性材料相对磁导率约为1)不同，腐蚀缺陷处磁导率小，磁阻大，磁力线将会改变路径，优先从磁阻较小的腐蚀缺陷底部管道壁内通过，剩余部分磁力线将会从腐蚀缺陷部位溢出管道外壁［7-8］。使用微磁检测仪在管道外壁进行扫查，即可发现磁场异常区域。

图1 含腐蚀缺陷处磁场的异常变化Fig.1 The abnormal changes of magnetic field with corrosion defect

2 检测试件设计

选用材质为45钢的管道进行试验，管道尺寸为 φ132 mm ×4 950 mm，加工了 A、B、C、D 4 处深度不同、面积相同的人工缺陷模拟管道腐蚀。

各腐蚀缺陷周向幅度均为360°，其轴向长度为100 mm，腐蚀深度分别为2.04、1.83、1.51、1.18 mm。对管道预制人工缺陷后，制作不同厚度的包覆层进行检测。保温层材料选用石棉，最外层的金属保护层材料选用厚度为1 mm的铝皮。所设计的试件如图2所示。

图2 含人工腐蚀缺陷的带包覆层管道Fig.2 Cladding layer pipelines with artificial corrosion defects

3 试验结果与讨论

3.1 缺陷大小对检测信号的影响

本试验使用自主研发的微磁检测仪检测含腐蚀缺陷的包覆层管道，检测探头选用高精度测磁传感器，使用单通道微磁检测仪在手动扫查的方式下对含腐蚀缺陷的带包覆层管道进行检测，测量管道法向方向的磁场强度变化。对存在4处(A、B、C、D)腐蚀缺陷的管道在包覆层厚度不同的情况下进行多次检测。

试件为预制腐蚀缺陷的管道，包覆层厚度为20 mm，试验检测结果如图3所示，图中信号曲线是由管道端头磁极、缺陷所导致磁场的变化、地磁场3个因素综合所形成。从图中可知，磁场强度处为－200000～240000 nT，从左往右整体存在下降趋势:由于管道处于地磁场环境中被磁化，在管道的2个端头形成2个磁极即N极和S极，磁场从N极出S极进，测磁探头在包覆层外侧垂直管道中心线，从管道端头所形成的N极到S极进行检测，所以磁场强度逐渐减小。图中局部区域磁场急剧的变化是由于缺陷所导致，检测曲线存在4处磁场急剧变化，其位置与管道预制缺陷的位置一一对应。检测过程中由于手动扫查速度不均匀，而微磁检测仪数据采集的频率为定值，导致检测时缺陷定位与缺陷实际所在的位置存在微小的偏差。图3中磁异常信号1、2、3、4处所产生的信号幅值分别为 124 940、90 980、84990、66 750 nT，与缺陷A、B、C、D的大小对应。

图3 微磁检测仪对带包覆层管道腐蚀缺陷的检测结果Fig.3 Detection results of corrosion defects in pipelines with cladding layers by micro magnetic detector

3.2 包覆层厚度对磁场强度衰减的影响

微磁检测探头在包覆层外侧对管道进行检测，包覆层厚度(等效于提离高度)对测磁探头所采集的磁场强度有影响。为分析其影响大小，建立包覆层厚度与磁场强度的物理模型，并通过理论计算和试验结果进行对比。分析包覆层厚度与磁场强度衰减的关系，有益于对带包覆层管道腐蚀缺陷做定量分析，同时可以分析包覆层厚度对检测灵敏度的影响。

管道在地磁场的环境下被磁化，若管道存在腐蚀缺陷，其缺陷处会形成2个磁极，即一个N极一个S极。如图2中所设计的360°横向刻槽腐蚀缺陷，缺陷处的磁场可以等效于图4所示的一个永磁环所产生磁场分布，缺陷处的磁场模型可以等效于点偶极子在圆弧上的积分［9］。

图4 永磁环模型Fig.4 permanent magnet ring model

相距2b的2个极性相反的磁荷形成一个点偶极子(图5)，由磁的库伦定律可知，磁荷qm在空间任一点A的磁场可以表示为

由公式1可求得，点偶极子在空间A处y方向的磁场分量为

点偶极子的积分模型如图6所示，图中的圆为腐蚀缺陷永磁环的横向截面，检测探头在图中的N处正对永磁环，包覆层厚度为h，a、b点为通过N点的直线在圆弧上的2个切点处产生的磁力线可被在N处的检测探头所测得。在铁磁性材质的管道中处产生的磁力线需穿透两层管壁到达被测点N，由磁屏蔽原理可知处产生的磁力线到达N处的磁场强度非常小［10］，可以忽略不计。

图5 点偶极子模型Fig.5 Point dipole model

图6 点偶极子积分模型Fig.6 Integral model of point dipole

式中:R为被检测管道的半径;x为检测位置N离永磁环在x轴方向中心点横向截面的相对位置;b为缺陷在轴向方向长度的一半;r为检测探头离缺陷处的距离(即包覆层厚度);h为被积分点M到探头所在位置N的距离。

把管道预制缺陷A的相关系数代入公式(3)进行计算，所得结果如图7所示，图中x轴表示检测位置N离永磁环在x轴方向中心点横向截面的相对位置，r轴表示检测探头离缺陷处的距离(即包覆层厚度)，Hy表示测磁探头所测得的磁场强度。从图7中可知磁场的最大值、最小值是在提离高度为零的情况下分别对应刻槽缺陷的两端;磁场强度随着测磁探头与被测管道距离的增大而减小。

图7 物理计算模型结果图Fig.7 Results figure of physical calculation model

通过理论模型与试验进行对比的方式验证了模型建立的准确性。对管道预制缺陷A，在x为40 mm处，包覆层厚度不同的情况下，使用微磁检测仪进行3次重复试验，结果如图8所示。图8中的曲线是在图7中x为40 mm处的曲线加上20050 nT所得，而20050 nT的磁场是由地磁场和管道两端端头所形成的两个磁极对被测位置影响的结果，从我国1980年编制的中国地磁图中查得南昌垂直地磁场强度为31 520 nT，根据管道磁场模型求得由于管道被磁化形成的磁极在被测处磁场强度为－11 470 nT，可求得在被测处由于非缺陷因素所产生的磁场强度为20050 nT。由图8可知理论模型计算结果与试验结果相吻合，最大相对误差为8.5%。

图8 理论模型与试验结果对比图Fig.8 Contrast figure between theoretical model with test results

4 结论

1)提出了一种在地磁场环境下对带包覆层管道腐蚀缺陷检测的新方法。该方法在不拆除包覆层的情况下能很好地检测出管道上的腐蚀缺陷，并通过试验的方式证明了异常信号幅值的大小随着腐蚀缺陷的增大而增大。

2)通过理论分析和试验相结合的方式，证明了当测磁传感器在包覆层外侧对管道进行检测，所采集缺陷处异常信号的大小随着包覆层厚度的增大而减小。

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