三軸漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的原理及應(yīng)用

三軸漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的原理及應(yīng)用

作為完整性管理的核心技術(shù)之一，管道內(nèi)檢測可以在管道的正常運行下檢測管道缺陷，為管道事故的預(yù)防和維護(hù)提供重要依據(jù)，對保證管道的安全運行非常重要。工業(yè)上常用的內(nèi)檢測技術(shù)主要有:幾何內(nèi)檢測、漏磁內(nèi)檢測、超聲波內(nèi)檢測,每種技術(shù)各有其適用范圍、優(yōu)點和局限性。漏磁內(nèi)檢測技術(shù)對管內(nèi)環(huán)境要求不高,無需耦合,適用范圍廣(可用于油、氣管道),價格低廉,技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛。20世紀(jì)80年代之前,漏磁內(nèi)檢測器分辨率較低,磁場強(qiáng)度較弱,傳感器數(shù)量較少、間距較大,采樣頻率較低。近年來,漏磁內(nèi)檢測器的檢測能力大大增強(qiáng):先進(jìn)的霍爾傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線圈傳感器,尺寸不斷減小,靈敏度越來越高;傳感器的數(shù)量顯著增加,間距減小,采樣頻率提高;固態(tài)硬盤取代磁帶驅(qū)動器,容量大幅提升;電池尺寸減小,能量密度和容量大大增加;處理器的速度加快卻更加省電;釹鐵硼永磁體的磁場能量密度是早期鐵氧體磁鐵的幾倍,更容易使管壁達(dá)到磁飽和,大大增加了漏磁檢測器適于檢測的壁厚范圍和檢測器運行的速度范圍。1金屬損失產(chǎn)生的漏磁場的檢測漏磁內(nèi)檢測器的工作原理(圖1)是:利用自身攜帶的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁通量,通過鋼刷耦合進(jìn)入管壁,在管壁圓周上產(chǎn)生1個縱向磁場回路,使磁鐵間的管壁達(dá)到磁飽和狀態(tài)。若管壁沒有缺陷,則磁力線在管壁內(nèi)均勻分布。若管道存在缺陷,管壁橫截面減小,由于缺陷的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁性材料小,因此磁阻增大,磁通路變窄,磁力線變形,部分磁力線穿出管壁兩側(cè)產(chǎn)生漏磁場,其形狀取決于缺陷的幾何形狀。位于兩磁極之間緊貼管壁的探頭(傳感器)檢測到漏磁場,并產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)信號,其經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被記錄到存儲器中。檢測完成后,通過專用分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、識別和判斷,獲得缺陷的類型、位置、形狀和尺寸等信息。金屬損失產(chǎn)生的漏磁場是空間三維矢量場。由于傳感技術(shù)、數(shù)字信號處理能力及內(nèi)檢測器存儲容量的限制,大部分傳統(tǒng)內(nèi)檢測器只記錄三維漏磁場的軸向分量。為了提高缺陷尺寸的檢測精度,一個選擇是提高傳感器的分辨率,然而分辨率越高,精度并不總是越高;另一個選擇是記錄漏磁場的分量,根據(jù)不同方向的分量精確回歸缺陷的形狀和尺寸。三軸漏磁內(nèi)檢測器工作原理與傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測器基本相同,主要區(qū)別是三軸漏磁內(nèi)檢測器在一個探頭中安裝了三軸向正交霍爾傳感器,可分別測量軸向、徑向和周向的磁通量數(shù)據(jù),用來確定完整的三維漏磁場矢量,以提高缺陷形狀和尺寸的測量精度。2腐蝕缺陷檢測漏磁內(nèi)檢測器主要用來識別并確定腐蝕缺陷的尺寸。漏磁信號的形狀和尺寸變化依賴于檢測到的腐蝕缺陷的形狀與尺寸。但是,對于任何單個腐蝕缺陷,峰的數(shù)量和極性是相同的。軸向信號有1個帶有2個較小負(fù)峰的正峰(紅為正,藍(lán)為負(fù));徑向信號有1正1負(fù)2個峰;周向信號有2正2負(fù)4個峰(圖2)。2.1軸向漏磁信號三軸傳感器使用與軸向垂直的霍爾傳感器記錄漏磁場的軸向分量。簡單腐蝕缺陷的軸向磁場分量有1個帶有2個較小負(fù)峰的正峰。軸向漏磁信號主要反映管壁感應(yīng)的磁通密度。軸向漏磁信號在寬度上呈非線性分布,雖然可以根據(jù)軸向漏磁信號粗略估算缺陷寬度,但結(jié)果極不可靠。軸向漏磁信號能夠反映缺陷長度,精度亦不高。軸向漏磁信號幅度偏轉(zhuǎn),在一定程度上能夠指示缺陷深度,精度同樣不高。傳統(tǒng)的漏磁檢測器只有軸向傳感器,故確定缺陷寬度、長度和深度的精度不高。2.2因系漏磁信號的確認(rèn)三軸傳感器使用與徑向垂直的霍爾傳感器記錄漏磁場的徑向分量。簡單腐蝕缺陷的徑向漏磁信號有1對幅值基本相等的正負(fù)雙峰。徑向漏磁信號不能有效反映管壁磁化狀態(tài),但對傳感器提離值的變化最敏感,必須將異常信號與其它方向的漏磁信號結(jié)合起來進(jìn)行確認(rèn)。與軸向漏磁信號相比,徑向漏磁信號能有效地反映缺陷寬度,但精度仍然不高。缺陷長度可由徑向漏磁信號的峰值位置清晰界定,徑向漏磁信號幅值與缺陷深度具有較高的相關(guān)性。徑向與軸向漏磁信號幅度偏轉(zhuǎn)相結(jié)合,可以清晰界定缺陷長度,基本確定缺陷深度,但缺陷寬度仍難以準(zhǔn)確判定。2.3缺陷寬度差異分析進(jìn)行工程適用性評價時,主要以缺陷長度和深度評估缺陷的嚴(yán)重程度。需精確確定缺陷寬度主要基于兩個原因:首先,缺陷寬度是一個能夠決定缺陷深度判定精度的重要參數(shù),具有類似振幅特性的曲線,缺陷寬度不同,深度差別很大;其次,根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則或標(biāo)準(zhǔn)要求,臨近缺陷因其相互作用可視為一個大缺陷進(jìn)行適用性評價,需要對缺陷寬度進(jìn)行精確判定。周向漏磁信號除在徑向上有正負(fù)極性外,在周向上也有正負(fù)極性,所以周向漏磁信號在一個類似矩形的范圍內(nèi)有2正2負(fù)4個幅值基本相等的峰。這些極大值與極小值的位置非常直觀,能比較清晰地反映缺陷長度和寬度,故周向漏磁信號能夠較精確地判定缺陷寬度和長度,結(jié)合軸向分量和徑向分量的測量結(jié)果,提高了缺陷深度的判定精度,這也是三軸漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的優(yōu)勢所在。3流油管道典型缺陷檢測中國石油管道公司將三軸漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的研究成果應(yīng)用于東北一條運行了40多年的輸油管道,檢出了各類常規(guī)金屬損失缺陷和傳統(tǒng)漏磁檢測器難以檢測出的非常規(guī)缺陷,如狹長軸向缺陷、環(huán)焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷以及凹陷等。開挖驗證結(jié)果表明:金屬損失缺陷尺寸的判定精度有了較大提高。3.1軸向溝槽檢測由于傳統(tǒng)漏磁檢測器只記錄1個方向的磁力線變化量,因此對沿磁力線方向分布的缺陷不敏感。三軸漏磁傳感器雖然使用軸向磁場,但由于三軸漏磁傳感器可以同時測量三維方向的漏磁場變化,在1次檢測中可以準(zhǔn)確測量包括軸向狹長分布的各類缺陷,精確回歸缺陷尺寸。針對內(nèi)檢測牽拉試驗預(yù)制的狹長軸向溝槽(圖3),僅由軸向與徑向漏磁信號很容易判斷為兩個獨立缺陷,而周向漏磁信號明顯顯示是長溝槽型缺陷。因此,使用周向傳感器可減少對缺陷實際長度誤判的風(fēng)險。3.2環(huán)焊縫缺陷的信號特征三軸漏磁內(nèi)檢測器能夠探測、識別出具有一定開口寬度的未熔合、未焊透等環(huán)焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷,焊縫缺陷的本質(zhì)是焊接不良導(dǎo)致的焊縫金屬填充不足。圖4方框中顯示的是東北管道內(nèi)檢測識別出的環(huán)焊縫缺陷的漏磁信號特征,該環(huán)焊縫缺陷位于環(huán)焊縫與下游螺旋焊縫交界處,該缺陷的軸向和徑向信號與金屬損失極性指示一致,周向信號在缺陷的兩端有極性相反的指示,這是由矢量的方向性決定的。圖5方框中顯示的是東北管道內(nèi)檢測識別出的螺旋焊縫缺陷的漏磁信號特征,缺陷處的軸向和徑向漏磁信號與金屬損失極性指示一致,缺陷處的周向漏磁信號的特征指示明顯,也顯示為單一極性,但與正常螺旋焊縫指示的極性相反。3.3周向漏磁檢測識別凹陷是三軸漏磁檢測器的另外1個重要應(yīng)用,由東北管道內(nèi)檢測中識別出的凹陷的三軸漏磁信號特征(圖6)可知,單純依賴軸向漏磁信號很難識別凹陷,而徑向漏磁信號與周向漏磁信號可清楚地顯示凹陷的存在,凹陷的最明顯特征是徑向信號呈馬蹄鐵狀。綜上可見,單純提高軸向傳