正交激励磁场在铁磁性油气管道内检测中的实现

付大为， 郭 鶱， 胡铁华

（机械科学研究总院集团有限公司， 北京 100044）

0 引言

铁磁性油气管道是石油天然气储运输特种重大基础设施。 由于运输距离长、应用范围广，油气管道常为埋地铺设， 常年累月受内外介质侵蚀， 造成油气管道早期失效，而引发能源安全供给及社会公共安全重大隐患。应用油气管道内检测手段，对油气管道进行检测，实现对油气管道早期缺陷发现、早期预防，避免恶性事故发生。 近年来，由于高速发展需求，我国管道建设速度之快、埋下隐患之多堪称世界之最。 给后期管道安全运行及维护带来了巨大压力。为此，国家科技部全方位对管道安全运维立项，重点解决威胁油气管道安全运行的两大杀手-金属损失及裂纹，早期检测、早期预防。本文基于正交激励磁场，完成油气管道壁五维度（长、宽、深、内、外）金属损失及裂纹检测及量化， 为油气管道科学评价及完整性管理提供了重要科学依据。

1 正交激励磁场激励感测原理

在铁磁性油气管道内壁施加轴向恒磁场， 在轴向恒磁场垂直方向施加高频动磁场，如图1 所示。

图1 铁磁性油气管道正交磁场磁化示意图

图1 中的铁磁性油气管道内壁， 其同时施加了两种互相垂直的激励磁场，一为恒磁场Q（|B|，|H|），另一为动磁场q（|b|，|h|）。 管道壁在正交激励磁场共同作用下的磁化场为Q＇（|B+b|，|H+h|），其磁化工作线可用图2 表示。

讨论：（1）轴向恒磁场提供了预磁化场，其静态工作点为Q（B，H），此时铁磁性管道壁静态磁导率为μBH，其值为100～200 之间。

（2）垂直高频动磁场q（|b|，|h|）与轴向恒磁场共同作用下，管壁处于动态工作点Q＇（|B+b|，|H+h|），此时管壁将产生动态磁导率张量∨μbh， 此张量的比静态磁导率μBH小很多。

图2 铁磁性管道壁动磁B-H 曲线

（3）磁化工作点由Q（B，H）变化到Q＇（|B+b|，|H+h|），即施加的较小的磁感应强度，引起较大的磁场强度变化，起到了摄动效应。

（4）研究表明，影响管壁感应磁场的主要因素有五个：材料的静态磁导率μBH、材料的动态磁导率张量∨μbh、正交轴向恒磁场B 和正交动磁场b 之间的夹角余弦及动态激励磁感应强度的变化率。

由上述讨论可知，当管道壁无缺陷时，正交磁场的夹角保持正交，及其夹角为90°，余弦为0，管壁磁化感应保持不变；当管壁存在缺陷，管壁磁化场发生了形变，此时恒磁场与动磁场磁化感应场夹角发生了改变， 即不再保持90°，根据管壁内外缺陷不同，其夹角可在0°～180°范围变化，余弦可正可负，由此可确认缺陷在管道内壁或者管道外壁；当管壁存在裂纹类型缺陷，正交感应场夹角趋于0°或者180°，感应场达到峰值，故此，此正交激励磁场可以检测裂纹； 感应场与动态激励磁感应强度的变化率相关，可以造冲击激励场（理论上导数无穷大，频域带宽趋于无穷）。 由此可得出结论，正交激励磁场可实现铁磁性油气管道金属损失及裂纹同时检测。

2 正交激励磁场融合检测技术

图3 漏磁与动磁融合检测示意图

由上一章正交激励磁场激励感测原理可知， 正交激励磁场可实现对管道金属损失缺陷及裂纹缺陷同时检测。 漏磁与动磁融合检测的对象是基于钢管静态直流磁化与动态脉冲激励联合作用下所表现出的空间漏磁场与动磁场。 通过电磁控阵技术，空间漏磁场被三轴霍尔传感器所检测，空间动磁场被动磁线圈传感器所检测。 漏磁与动磁融合检测示意图如图3 所示。为了实现物理上全覆盖管道内壁，采用周向物理阵列如图4 所示。其电磁控阵原理图如图5 所示。其中的励磁阵列为探头提供动态饱和磁化工作点，一般需要根据金属材料电导率、磁导率、厚度、检测速度要求，选择预磁化方式与预磁化励磁波形，这里使用直流磁场。 组内的探头错时异步启动探测；不同集线器下的探头阵列同步启动探测。

图4 探头阵列实体

图5 电磁控阵工作原理图

3 正交激励磁场内检测原型机平板测试

通过阵列控阵技术及动磁漏磁融合技术实现， 完成了正交励磁管道内检测原型机。在X70 材质的11 块样板上，制备了裂纹缺陷、条状缺陷、坑状缺陷等三种不同类型、不同尺寸的人工缺陷。利用游标卡尺、卷尺、塞尺等测量工具测量每个样板缺陷的实际尺寸，并记录，形成缺陷列表，如表1 至表3 所示。

图6 正交励磁铁磁性金属平板缺陷实验

表1 平板裂纹缺陷表

（续表1）

表2 平板沟槽缺陷表

表3 平板坑状缺陷表

（续表3）

实验结果为检出率100%。正交励磁检测平板缺陷的典型波形图如图7 所示。

图7 正交励磁检测平板缺陷图

4 结论

综上所述，本文给出了以下结论：①提出了正交励磁检测新原理和新方法； ②发明金属损失及裂纹同时检测新技术；③制作了正交励磁原理型样机；④制作了动态平板缺陷试验台， 实现平板缺陷自动检测； ⑤通过实验确认，正交励磁检测原理可行；⑥正交励磁方法对铁磁性金属管道的轴向、轴向、倾斜等裂纹型缺陷、沟槽型缺陷及坑状缺陷均能100%检出。