国内外油气管道消磁技术对比分析

谭笑，刘少柱，徐葱葱，赵云峰

1.中油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

2.中国石油管道公司（河北 廊坊 065000）

长输管道在建设、改线或抢修作业时，管道对口处经常会出现磁性的现象，大量的切割铁屑吸附在管道的切割处，甚至管钳都能被强磁吸附在管道上。管口磁场会在焊接时导致电弧引燃困难、电弧燃烧不稳定、同时电弧发生偏离，进而导致无法焊接。管道焊接过程中遇到的这一现象通常被称为“磁偏吹”现象。当管道焊接作业中发生磁偏吹现象时，焊接电弧发生偏离，在坡口内无法形成熔池，造成连续或断续内咬边、根部不能焊透、根部熔合不良等焊接缺陷[1]。同时磁偏吹的存在还会削弱电弧周围的保护气氛，使熔池中易混入空气，从而引起气孔、夹渣等缺陷。这些缺陷导致管道焊接质量严重下降，进而直接影响管道的本质安全[2-3]。

1 管道剩磁产生原因

导致管道被磁化从而携带残余磁性的原因有多种，在管道生产、制造、搬运、存放或运行过程中，由于诸多磁性因素的影响，都会使管道带有剩磁。

一些典型的管道被磁化的情况包括：

1）管道制造过程中产生磁性。在大口径螺旋焊缝管道制造过程中，管道在出厂前通常会采用磁粉渗透法对管道螺旋焊缝进行检测，磁粉检测会使管道磁化，虽然之后都会进行消磁处理，但部分磁性仍然会存留在管材中。

2）管道存放于强磁场环境中产生磁性。长输管道建设期间，通常会在一处或多处施工现场存放管材。管材在堆放期间，会受到地球磁场、电磁铁磁场和电机永久磁铁磁场等因素影响，在某些地区甚至还会受到铁道、机场等环境的影响，从而带有了磁性[4-5]。

3）电磁起重机搬运过程产生磁性。管道搬运过程使用电磁起重机作业，由于强磁力吊装头磁性较大，在起重机装卸管道时，使其被磁化。

此外，在管道运行中也会产生工艺磁场，主要有以下几种原因：①管道内检测产生磁性;②智能清管产生磁性;③中频加热产生磁性;④采用磁性夹持器、夹具产生磁性;⑤用直流电焊接管道时产生磁性;⑥打磨作业产生磁性;⑦锈蚀受地磁影响产生磁性;⑧涡流产生磁性;⑨流动的油品产生磁性[6]。

可以看出，导致管道产生剩磁的原因复杂多样，因此难以凭借单一量值来表征钢管剩磁强度。实践中测量得到的管口剩磁通常在0.5～5 mT的范围内，而对于高钢级管道的剩磁可以达到35～65 mT的水平[7]。

2 剩磁强度的标准和规范

美国现行的焊接行业规范中还没有钢管中剩余磁性的最大允许强度的规定，API Spec 5L《管线钢管规范》中均仅规定了钢管制造厂商在工厂内对钢管进行剩磁检测的要求，规定出厂钢管每一端沿周向大约相距90°测量4个读数，4个读数的平均值应≤3 mT，且任一读数不应超过3.5 mT。俄罗斯管道焊接标准将管道剩磁分为弱、中等和高级3个级别，弱剩磁等级的磁感应强度为2 mT，焊接时不需要采取消磁措施；中等剩磁等级的磁感应强度为2～10 mT，焊接时需要进行消磁；高剩磁等级的磁感应强度为＞10 mT，焊接时也需要消磁。加拿大安桥管道公司的要求与国际标准一致，要求通过焊接间隙的磁场强度不能超过3 mT，否则会产生电弧偏吹[8]。

通过对比发现，国内外普遍认为当遇到3～5 mT的磁场时，它对焊接将有较为明显的影响。当现场没有消磁设备时，焊工可以采用一些简单实用的措施来减小剩磁对焊接的影响，这些措施包括：①调整电弧长度，保持电弧更短以降低电弧偏吹幅度；②调整电极、金属工作角度与电弧偏吹方向相反；③焊接时方向对着管道上体积较大的点焊或已经完成的焊接；④使用交流电焊机；⑤将焊接的接地点靠近被焊接的接头。

3 管道剩磁的中和、消磁及其应用

克服管道中剩磁的不利影响的措施可以分为磁中和和消磁两种类型。磁中和是施加外部磁场，抵消来自钢管的剩磁影响；而消磁则永久地或至少在相当长的时间内从钢管中去除磁性[9]。

3.1 磁中和技术

磁中和技术是现场焊接作业中最常用的消磁技术，其原理是给管件加一个反方向磁场，当反方向磁场形成的剩余磁场抵消了原来管件上的剩余磁场时，管件端头对外即呈现比较弱的剩余磁场。现场最常使用的方法是在管道上用35～50 mm2焊把线顺时针或反时针缠绕线圈，线圈宽度宜控制在1 m内，缠绕匝数根据管道的磁场强弱决定，一般选用8～10圈为宜，若一根管道带磁，线圈就缠绕在一端管道上，若两根管道带磁，则形成两根管道的共用线圈，用直流电焊机提供电流，通电后电缆就会在其周围产生磁场，当电缆线产生的磁场强度与旧管道的剩磁磁场强度大小相等且方向相反时，就可以消除磁偏吹对焊接的影响。

在使用磁中和技术进行消磁作业时，准确判定剩磁磁场强度大小和方向是作业的关键，反向磁场过大或过小都会影响消磁效果。因此，在消磁时如发现磁场增大，则需重新反向缠绕线圈改变电流方向，再进行消磁。当现场没有高斯计时，可以采用图1的方法进行磁场方向的简易判断。焊工将焊条吸附在磁化管口上，如果加上一个直流磁场后，焊条因为磁场减弱而落下，则证实此时外加磁场与管口剩磁方向相反。

图1 利用直流焊接引线中和残余磁场

基于相同的概念的一些磁性中和装置已经开发出来并已经投放市场。这类设备通常由电源、电缆线圈和数字控制器组成，有时会配有高斯测量仪。这些设备的功能可以方便现场焊工作业。这些设备大多数都是便携式的，控制器和高斯测量仪允许用户实时调整和监测磁场强度。图2、图3为两种已经商业化了的基于磁中和原理的消磁装置。

图2 IDMAG管道脱磁机-DeGauss工业公司

图3 ZM150去磁器电缆线圈

但上述磁性中和装置也有其局限性和缺点：控制器可能受到施工现场电源的高频干扰，并可能导致其运行不稳定；如果电磁线圈是由标准环状电缆制成的，这些电缆并不一定能加固在钢管上，那么很难将其定位在不处于水平位置的管道上。此外，在管道安装过程中用来固定钢管的夹具或其他固定装置常常阻碍电磁线圈的安装。

3.2 消磁技术及应用

铁磁材料中的剩余磁性可以通过高温加热被消除或显著减少，因为当温度升高到居里点时，物质的原子在理论上会失去其有序的平行排序。在大多数情况下，管道焊接要求对管道接头进行预热处理，这主要是为了预防氢致裂纹和焊接处的冷脆性。这种预热只需要达到148～204℃的水平，通常使用丙烷喷枪的火焰加热或工业用电热毯。而钢的居里点一般在760℃左右，因此上面提到的焊接预热所要求的温度太低，并不能使钢管消磁。因此管道消磁需要使用加热炉来达到所需要的高温。需要在加热后检查剩余磁性，如果磁场强度值没有下降到所需值，则必须重复加热过程。

值得一提的是，在高寒地区（如阿拉斯加）中进行管道施工的预热过程十分必要。作为一项相对新兴的技术，电磁热感应制热逐渐取代了火焰加热成为更安全因而更受欢迎的焊前预热方法。由于该技术本身比较新，该技术所采用的电磁感应磁圈与磁中和装置中的电流线圈之间的相互干扰至今尚未有评估或相关报告。

3.3 消磁新技术介绍

在消磁技术的实际应用中走在前列的，包括专门生产各类特殊工具的加拿大Western Instrument公司。该公司新开发的名为WD-Series的设备，不仅可以有效地消除钢管中的剩磁并且可以让消磁处理后的钢管在相当长的时间内保持住消磁状态。与先前提到的运用稳定直流电的普通线圈的磁中和装置不同，该设备使用一种特殊类型的线圈来产生直流脉冲，从而可以达到高效并持久的消磁效果。根据该公司的介绍，一个训练有素的操作员只需要运行一个直流脉冲就可以将钢管消磁到0～0.3 mT的水平，而且该管道消磁后在很长时间内（通常是几天）仍然保持低磁。WD系列产品的线圈直径范围覆盖200～1 100 mm不同管径，而且现场安装简单易行。

图4为现场使用的WD系列设备，以及由计算机控制的消磁处理线（图5），其中包含用于对整条钢管进行消磁的线圈阵列。

图4 西部仪器公司正在使用WD系列设备

图5 计算机控制的消磁线

4 结束语

综上，钢管中的剩余磁场及其对管道焊接在电弧偏吹现象的影响众所周知。但是国际现行的焊接规范中并未规定钢管中剩余磁场最大允许标准，也没有制定相应的消磁处理规范。生产中遇到的最大剩余磁量可高达35～65 mT，施工中主要靠施工单位和焊工的经验来克服其不利影响。磁中和技术由于其简易性和可靠性，在现场得到了广泛的应用，目前，除了焊工通过经验经常使用的一些简单但实用的技术之外，一些专业公司已经开发并投产了一些自动化程度较高的消磁设备，可以根据管口剩磁大小平稳调整磁场方向与强度，提高了消磁作业效率。另一方面，目前使用的直流消磁机也有进一步提升的空间，如在高寒环境中的大口径管道消磁仍然是难点，需要针对性地研发适用的大功率消磁机及其辅助设备，使设备更加轻便、高效。