基于瞬变电磁法的城市热力管道腐蚀检测

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063)

作为城市的基础设施，如何确保热力管道的安全运行是一个亟待解决的问题。瑞典、德国、芬兰等欧洲国家都有一系列完整的热力管道检测、运行和维护的技术标准和实施方法。对于直埋式热管网，这些国家已经推广使用热力管道的漏点检测系统(LDS)[1]，其工作原理是泄漏的液体会改变检测系统的阻抗，同时可以准确、及时地监测管道泄漏或管网中涂层损坏引起的漏水问题，从而实施相应的维护措施[2]。但是，LDS只能判断出管体是否存在泄漏点，不能知道未发生泄漏管体的使用情况，从而埋下安全隐患，而且泄漏的液体沿着管体流动，易降低检测精度。随着国内供暖事业的日益发展，较先进的热力管道漏点检测系统采用的是光纤光栅检测法，其检测原理是在热力管道网线的下方放置光纤光栅传感器，检测其管线的温度场分布，热力管道正常运行时的温度场分布均匀；当某段热力管道出现泄漏时，其泄漏部位周围温度升高，光纤光栅传感器能实时监测到其温度变化[3]。通过计算机监测系统可准确得知热力管道网线中发生泄漏的所在位置，但光纤光栅法存在造价高、维护困难等问题。目前，当这些老旧管道出现管道腐蚀泄漏时，主要采用阀门隔离、阀门听音、闻气味及测量地表温度等方法对管道进行检测。这些方法主要是依靠有经验的工作人员，他们通过听管道水流声音，或者通过阀门控制系统测试、分段试压、测试挖掘观测等方法[4]判断管道的泄漏位置。这些方法虽然能有效判断热力管道的腐蚀泄漏位置，但易受外界环境变化和人员因素的干扰，并且效率较低、成本高、定位也不精准。

笔者提出的瞬变电磁检测方法是一种有效的在役非开挖检测技术。该技术的探测深度范围大，抗干扰能力强，可得到管道的壁厚信息[5]，可以实现在不开挖、在役的前提下对城市热力管道进行腐蚀检测。其通过接收二次场所含的管体信息，直接由管体金属量的减少来判定腐蚀程度，从而实现城市热力管道腐蚀的提前预警。

1 城市热力管道瞬变电磁法检测原理

瞬变电磁法是一种基于以麦克斯韦电磁场理论为核心的电磁感应原理的时间域人工源电磁检测方法。其使用不接地回线或接地线源向地下发射脉冲场，即一次场。在激发状态下，热力管道中激发的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场，即二次场。在发射一次场的间隙下，利用接收线圈接收随时间变化的二次场，提取和分析二次场的感应电动势的瞬时值，该瞬时磁场值可用下式表示。

(t)/I=V(t)/(qI)

(1)

通过傅里叶变化得到

(2)

(3)

(4)

归一化处理得到的归一化感应瞬态电压为

(5)

为了得到热力管道真实的管体情况，要通过剩余壁厚反演得到管体的壁厚百分比。根据接收到的二次场感应电动势情况，建立指数拟合模型

(6)

式中：P为壁厚百分比；D0为热力管道原始壁厚；K1以及K2为拟合系数；V为归一化感应电动势。

由式(2)和式(5)得，热力管道的磁导率和电导率影响着感应电场瞬时值的大小，热力管道发生腐蚀的局部区域的金属量减少会导致该处管体的电导率发生变化，而管道腐蚀的区域会时刻发生复杂的化学变化，从而影响管道磁导率的大小，因而接收的感应电场的瞬时电压会发生改变，由式(6)反演，可得到热力管道的真实管体情况，从而达到检测热力管道的目的。城市热力管道的瞬变电磁法检测原理如图1所示。

图1 城市热力管道的瞬变电磁法检测原理

2 城市热力管道的失效分析

我国北方城市管道运营时间较长，大部分城市热力管道已经老化，失效频率高。城市热力管道失效的主要原因有腐蚀失效、第三方破坏失效和管道缺陷。

腐蚀失效是城市热力管道失效的主要原因，腐蚀失效分为外腐蚀和内腐蚀。防腐层的完整性对外腐蚀失效的影响最大。城市热力管道长期处于复杂的地下环境中，通过对发生腐蚀的城市热力管道进行分析，发现管体周围土壤的含水量、酸碱度、含氧量、含盐量、温度、pH值等对外腐蚀起主要作用[6-7]。不仅如此，还发现在电气化轨道附近的城市供热管线的腐蚀更为严重。城市轨道交通会产生杂散电流，周围埋设的管道也会影响与之相连的市政管网，甚至造成事故。内腐蚀主要是热力管道在供热期和非供热期受到内部介质腐蚀的现象，在供热期，管道内处在一个高温高压的环境中，管道内壁时刻发生着复杂的化学与电化学反应，又由于供热期管道内水循环量大，富含大量的氧和二氧化碳，氧腐蚀和酸腐蚀是造成管内壁腐蚀的主要原因；在非供热期，管道内水量较供热期大幅减少，管道内出现气水分界面，使得水中的氧和二氧化碳增加，加速了管道内壁的腐蚀。

第三方破坏是城市热力管道失效的第二大原因，无论施工破坏、违章占压，还是车辆冲击，都属于外力环境引起的防腐层破损，管道才会发生腐蚀失效。

管道缺陷也很容易导致管道故障，主要包括管材原有的缺陷(包括制造缺陷和运输过程中的损伤)、焊接或熔接缺陷，以及不合理的早期管道铺设引起的缺陷。偶尔会发现管道的原始缺陷，但管道失效的情况非常少；然而，焊接缺陷导致管道失效的情况却时常发生，主要是早期施工的不合理、不规范，施工质量控制不严，焊工无证上岗和盲目赶工期所致。通过分析发现，焊缝处的破坏主要是腐蚀，因为焊缝处的防腐层品质远不如管道的原始防腐层品质。

图2 瞬变电磁检测仪组成部分的外观

3 检测仪器及检测方法

采用的检测仪器为WTEM-1QⅡ/GPS瞬变电磁检测仪(见图2)，该检测仪主要由3个部分组成：瞬变电磁仪主机、方形线圈传感器以及传输线缆。发射机和接收机集成在主机上，主机左半部分为发射机，右半部分为接收机。发射部分为发射线圈提供不同频率的双极性正弦方波信号，接收部分为接收线圈采集信号。传输线缆负责检测系统与线圈传感器的连接，其由8个接线口和一个阻尼电阻组成，阻尼电阻可消除接收回路的震荡，其中阻尼电阻设置为200 Ω，经验证检测效果较好。

检测方法：① 记录现场检测环境信息；② 连接发射机、接收机及检测探头；③ 将掌上电子计算机和接收机通过蓝牙连接，并在掌上电子计算机里设置采集数据的相关参数；④ 校对，初步检测并采集数据，作最后调整；⑤ 正式检测并采集数据，并记录试验参数；⑥ 分析数据并对热力管道进行安全评估。

4 工程实际应用

4.1 检测前期准备工作

在开始检测之前，需要对管道和检测环境进行全面的信息采集和记录。需要向待检热力管道运营单位人员了解管道的相关信息，如：管道埋深、管径及原始壁厚，管道防腐及维修情况，管道材料，地表检测环境等。管道埋深和管径大小有助于对激励源及线圈传感器的相关参数进行调整，确保接收到最佳的管体信息。

全面了解相关的检测信息及现场条件后，制定检测方案。由于管道铺设年代久远，热力管道运营方可能无法提供准确的管道走线，为了保证线圈传感器经过管道正上方，且采集的信号是管体信息，实际检测时，有必要确定管道的正确走向，采用RD8000管线探测仪探测管线的位置，在地面做好相应的标识，以便后续检测工作的高效展开。调试好瞬变电磁仪，线圈传感器工作参数如表1所示。

表1 瞬变电磁仪线圈传感器工作参数

4.2 城市热力管道的瞬变电磁检测案例

2017年8月，对某热力管道(称为热力管道1)进行检测。现场采用RD8000管线探测仪对管道走向、埋深等进行勘探，该路段待检热力管道原始壁厚为8 mm，管道埋深为1.5 m。根据现场条件与检测长度设置测量点及测量点间距，设置起测点为管线探测的起始点，检测长度为33.0 m，测点间距为0.25 m，共计133个测量点，现场检测示意如图3所示。

对检测到的数据进行处理，得到接收线圈的归一化感应电动势剖面图如图4所示。

图3 热力管道1的瞬变电磁检测现场示意

图4 接收线圈的归一化感应电动势剖面图(热力管道1)

通过剩余壁厚反演得到壁厚百分比，该热力管道的壁厚百分比如图5所示。

图5 热力管道1的壁厚百分比

处理全部数据，选取末尾合适时窗进行分析，可以看出在16～36测点范围内存在异常增大信号，金属含量增加到160%，对应检测长度为现场所标的58 m；在测点96116测点范围内存在异常信号，金属增量达到60%，对应检测长度为现场所标的24.529 mm。根据现场复杂环境来看，距检测探头0.5 m处存在一辆汽车，长度约为2 m；距检测探头0.3 m处存在三四辆三轮车；同时，观察原始信号曲线，发现在7181测点范围内存在异常增大信号，对应长度为1820 m。

针对整体信号中的7181测点处存在的异常信号，进行信号处理，剔除两个幅值较大的异常信号，选择4096测点范围进行研究分析。测点4096的感应电动势剖面图如图6所示，测点4096的壁厚百分比如图7所示。

图6 热力管道1测点4096的感应电动势剖面图

图7 热力管道1测点4096的壁厚百分比

经过分析可知，在7080测点范围内存在异常信号，呈增大-减小-增大的趋势，故判断此范围内存在腐蚀。通过壁厚反演计算，得到原始壁厚为8 mm，此处的检测壁厚约为5.8 mm，腐蚀为27%左右。现场开挖后，用超声测厚仪对缺陷处进行判断验证，得到剩余实际壁厚为5.54 mm，与检测结果相差0.26 mm。实际腐蚀为30%，误差在10%以内。

2017年10月，在热力管道供热期之前，运用瞬变电磁检测法对另一热力管道(称为热力管道2)进行在役检测。管道原始壁厚为8.0 mm，管道埋深为1.75 m。设定起测点为管线探测的起始点，检测长度为8.0 m，测点间距为0.25 m，共计33个测点。

将采集的数据进行处理，得到接收线圈的感应电动势剖面图如图8所示。通过剩余壁厚反演得到该段的壁厚百分比(见图9)。

图8 热力管道2的归一化感应电动势剖面图

图9 热力管道2的壁厚百分比

结合图8，9，测点10处的归一化电动势和壁厚百分比存在轻微的信号增大，金属含量增多，增多得较低，判断存在电缆或者小块金属物体；在测点24～28间，信号异常增大，在测点25处存在一个明显的波峰，根据瞬变电磁检测原理，在测点25处，因金属含量增多引起的感应电动势存在一个峰值，判断此处存在交叉管线或修补，经开挖验证发现此处确实存在交叉管线，因而管道的感应电动势和壁厚百分比异常增大。

5 结语

(1) 瞬变电磁法检测技术对城市热力管道有较好的检测效果，能够得到较为准确的管道剩余壁厚信息，误差在10%以内。

(2) 在实际检测的环境中，经过或停靠的汽车、排水井盖、交叉管等都会对检测结果造成影响，经信号处理，排除这些干扰信号，瞬变电磁法检测对特殊工件、管道腐蚀有较高的检测率。

(3) 利用瞬变电磁法得到较为准确的管道剩余壁厚信息，为管道使用单位提供了可靠的参数，既有利于城市热力管道的安全评估，又有利于对管道进行及时必要的维护。