1、配管技术石油化工设计PetrochemicalDesign2023，40(2)53 57漏磁检测在天然气长输管道缺陷检测中的应用研究芦娅妮1，任金平1，黄波2，孟国亮3，康进科1(1 陇东学院石油化工学院，甘肃 庆阳 745000;2 中国石油天然气股份有限公庆阳石化分公司，甘肃 庆阳 745000;3 兰州工业学院，甘肃 兰州 730050)摘要:碳达峰碳中和目标的提出和实施路径的确定进一步促进了天然气在能源转型中的桥梁作用，未来天然气市场仍将处于稳定增长期，漏磁检测则是采用铁磁性材料的天然气长输管道缺陷检测的主要技术。以天然气长输管道为背景，从管道漏磁检测技术角度出发，介绍管道漏磁检测技术
2、原理，分析影响管道检测结果因素，并结合国内外管道漏磁检测技术研究现状，探讨天然气长输管道缺陷漏磁检测技术未来发展。关键词:天然气长输管道漏磁场缺陷检测doi:10 3969/j issn 1005 8168 2023 02 012管道是相对安全、可靠、经济的能源运输方式，在全球天然气输送方面使用越来越广泛，从目前全球已建成的管道来看，输气管道占据比例约60%，据预测我国到 2025 年油气管网规模将达到24 万 km1 2。但由于输气管道线路长、运行沿途的环境复杂，其在使用过程中会不可避免地发生腐蚀、冲蚀、裂纹等各种缺陷，一旦发生泄漏不仅造成能源的浪费，而且污染环境，甚至引发重大燃气事故，危及
3、人身安全或造成设备故障甚至损毁。为确保管道的安全运行，根据油气管道保护和特种设备安全法等法律法规、标准规范的要求，应对天然气长输管道进行定期检测，及时发现缺陷并修复，确保管道输气的安全可靠。国内外常用的检测方法大致可以分为宏观检测、理化检测和无损检测，其中无损检测方法在在役天然气长输管缺陷检测方面起着重要的作用。目前工程上主要的无损检测方法有涡流检测、射线照相检测、超声检测、渗透检测和漏磁检测3。漏磁检测又称为漏磁探伤，具有可在线检测、检测速度快、可靠性高、可实现缺陷的初步量化等优点。采用铁磁性材料的天然气长输管道，漏磁检测是其缺陷检测的主要手段4，可以及时有效地检测出受检管道的缺陷及其位置;
4、然后提醒巡检员根据检测结果对缺陷采取有效措施，确保天然气长输管道运气安全。关于漏磁检测技术的原理和检测方法，国外相关人员早就开展了大量研究工作，而国内漏磁检测工作起步于 20 世纪 50 年代，目前对漏磁检测的研究也达到国际先进水平5，针对漏磁检测技术在管道缺陷检测中的应用也积累了一些理论基础和实践经验，研发的管道缺陷漏磁检测装置已投入工程应用。但是由于该检测技术的研究大多数是用于管道内缺陷检测，这也严重阻碍了管道缺陷漏磁检测技术拓展多场合使用的发展。可是若将主要检测管道内缺陷的漏磁检测技术理论和方法直接用在管道外缺陷检测中，不仅所形成的漏磁场极易受到客观因收稿日期:2022 12 26。作者
5、简介:芦娅妮，女，2014 年毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，硕士，副教授，主要从事化工过程设备的研究及检测。E mail:515790734 qq com基金 项 目:甘 肃 省 青 年 科 技 基 金 计 划 项 目(20JR5RA482);甘肃省高等学校创新能力提升项目(2022A 131，2021B 317);庆阳市科技计划项目(QY2021A F011，QY STK 2022A 008)54 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)素的影响，而且会使天然气长输管道外缺陷的检测精度受到极大的限制。本文以天然气长输管道为背景，介绍管道漏磁检测技术原理，分析影响
6、管道检测结果因素，并探讨天然气长输管道缺陷漏磁检测技术未来发展。1管道漏磁检测原理及影响检测结果因素分析1 1管道漏磁检测原理漏磁检测是指通过检测被磁化的铁磁性材料工件表面逸出的漏磁场，判断是否存在缺陷的一种检测技术。对于待检铁磁性材料管道，若其管壁连续性良好且无缺陷，经过磁化后，理论上磁感线将全部通过该管壁构成闭合回路;若管壁存在缺陷，因为缺陷材质的磁导率与铁磁性材料不同会阻碍磁感线顺利通过，造成管壁缺陷处磁感线弯曲，这时发生在管壁表面或近表面的弯曲磁感线就会逸出管壁表面进入空气中，绕过缺陷后由于空气再进入管壁，于是在管壁表面形成了漏磁场。这时采用霍尔元件等传感器可探测出该处的漏磁场并得到漏
7、磁信号，分析漏磁信号即可评价是否有缺陷及其发展程度6。1 2管道漏磁检测结果影响因素分析从漏磁检测技术原理可以看出，影响管道缺陷检测结果的关键因素，在于形成漏磁场强度的强弱和检测该漏磁场的传感器性能。1 2 1漏磁场强度影响因素分析影响漏磁场强度的主要因素有:磁化场强度、管壁缺陷的方向、位置和尺寸、被检管道材料性质及工况、被检管道表面状态。1)由于磁化场决定了管道材料的磁化程度，当磁化程度较低时，漏磁场偏小，且增涨缓慢;当磁化场使管道材料的磁感应强度达到其饱和值的约 80%时，管壁缺陷漏磁场不仅幅值较大，而且随着磁化场的增加漏磁场强度会迅速增大;另外，磁化场的种类也会影响管壁缺陷漏磁场的分布，
8、直流磁场在管壁中分布比较均匀，而交流磁场由于趋肤效应，磁场集中于管壁表面，相比较对管道表面缺陷更为敏感。2)管壁缺陷方向对漏磁场强度有很大影响，当缺陷主平面(缺陷方向)与磁化场(磁力线)方向越接近 90，产生的缺陷漏磁场强度越大;当缺陷主平面与磁化场方向平行时，由于缺陷对磁力线的通过几乎没有阻碍，产生的缺陷漏磁场强度近似为零。3)缺陷在管壁中的位置对漏磁场强度也有影响。当缺陷位于管壁表面时，漏磁场强度最大;若缺陷位于管壁内部，随着深度的增加漏磁场强度逐渐减小;当深度足够大时，漏磁场强度将趋于零。4)缺陷的尺寸对漏磁场强度的影响很大，当宽度相同、深度不同时，漏磁场强度随缺陷深度的增加而增大，在一
9、定范围内缺陷深度与漏磁场强度近似于直线关系;缺陷宽度对漏磁场强度的影响较小。在宽度很小时，随宽度的增大漏磁场强度有增加的趋势;但当宽度较大时，随宽度增大漏磁场强度反而缓慢减小。此外，管壁缺陷的性质、形状也对缺陷漏磁场强度有影响。不同种类的缺陷磁导率不一样，磁力线通过时磁阻也不同，产生的漏磁场强度也不可能相同;平面状缺陷和体积缺陷的漏磁场强度也会有差异。5)被检管道的材料性质及工况影响缺陷漏磁场强度;管道材料的合金化程度(尤其是含碳量)、冷加工程度及热处理状态对管道材料的磁性有影响，从而影响管壁缺陷产生的漏磁场强度。被检管道表面状态影响管壁缺陷漏磁场强度，如果被检管道表面有覆盖层也会降低缺陷漏磁
10、场强度。1 2 2检测漏磁场用传感器的选择检测漏磁场用传感器性能对管道缺陷检测结果也有重要影响。目前在漏磁检测技术中，检测漏磁场所用的传感器主要是根据霍尔效应制成的霍尔器件，即霍尔传感器。管道缺陷漏磁场的检测也不例外。这是因为霍尔传感器具有较宽的响应频带，而且测量范围大、体积小、温度性能稳定，而且随着近几年半导体技术的快速发展，霍尔传感器的灵敏度得到了很大的提高，使检测的可靠性和检出力显著增强，特别适合现场测量管道中产生的非均匀漏磁场。除此之外，也可以采用电感线圈、磁敏二极管、磁敏电阻等传感器检测管道缺陷漏磁场。2023 年第 2 期(第 40 卷)芦娅妮等 漏磁检测在天然气长输管道缺陷检测中
11、的应用研究 55 2管道漏磁检测技术研究现状2 1国外研究现状国外早在 19 世纪 60 年代末就开始了对漏磁检测技术(原理、方法和装置)的研究。1)Zuschlug最早提出了用磁敏感器件检测缺陷漏磁场的想法;2)Mandal K 等7 通过实验验证了磁偶极子模型的准确性，并研究了管道表面环向应力对漏磁场信号的影响;3)Muhammad Afzal 等8 提出了一种采用自适应滤波器和小波信号去噪技术，对输送天然气的无缝钢管缺陷进行漏磁检测的新技术，避免了无缝管道噪声对漏磁检测信号的影响;4)A A Carvalho 等9 研究了人工神经网络在管道焊缝缺陷漏磁检测信号分析中的应用;5)JBruc
12、e Nestleroth 等10 提出了一种用永磁体感应涡流对管道缺陷检测的方法，与普通同心线圈法相比具有更广泛的应用潜力;6)Joshi A 等11 提出了一种用自适应子波径向基函数神经网络对天然气输送管道漏磁检测信号进行迭代反演的新方法，可以有效预测裂纹完整的三维深度剖面;7)Carvalhoa A A 等12 对人工神经网络算法在管道焊缝缺陷漏磁场检测信号处理中的应用进行了研究;8)Khodayari Rostamabad A 等13 对机器学习方法在管道漏磁检测图像信号分析中的应用进行了研究;9)Yuji Gotoh 等14 提出了用直流磁场和交流磁场从小直径的厚壁换热钢管内部检测管壁
13、外侧缺陷的方法;10)John W Wilson 等15 针对传统漏磁技术存在准确性不高和检测时间长的缺点，研发了用于铁磁性管道检测的脉冲漏磁自动检测系统;11)Z Usarek 等16 针对燃气管道壁腐蚀缺陷的检测设计了一种 FLUMAG500 漏磁检测装置，针对该装置研发了先进的信号处理和分析系统，并介绍了该装置的工作原理;12)Miguel AMachado 等17 研制了用于检测管道内表面任意方向微米级缺陷的新型涡流探头，并对设计制作的探头性能进行了试验验证;13)Yavuz Ege 等18 研发了一种带有 KMZ51 AMR 传感器的新型天然气和石油长途运输管道漏磁检测系统;14)T
14、oharaMakoto 等19 提出了一种通过在钢管内静磁场中高速移动插入式电磁传感器产生涡流，然后从管内涡流分布的变化来检测铁磁性钢管外表面缺陷的方法。2 2国内研究现状国内对漏磁检测技术的研究始于 20 世纪 50年代，经过几十年的发展，目前漏磁检测的技术也达到国际先进水平。近年来，1)戴光等20 设计了一种适用于多种管径的地面管道外部自动检测装置，并通过有限元仿真和试验，对管壁上不同深度和直径的腐蚀缺陷进行模拟和检测，得到了管道缺陷的不同参数对漏磁场的影响规律;2)杨志军3 依据管径尺寸、曲直走向和可拆卸程度等不同的特点，提出适用于特点的可变径磁化、整体磁化、局部磁化和直流磁化等管道外漏
15、磁检测方法，设计并研究适用于大管径检测的可变径漏磁检测仪、直管的整体磁化管道外漏磁检测仪、小管径的局部磁化漏磁检测仪和可拆卸管道的电磁磁化漏磁检测仪;3)于超等21 研制了一种适用于管径711 mm 的长输油气管道的横向励磁漏磁内检测器，并进行牵拉试验和工业应用验证;4)杨杨等22 对矩形、圆柱形、梯形和不对称三角形 4 种不同缺陷建立有限元模型，分析不同形状缺陷长度、深度对漏磁信号的影响，还对比分析相同条件时不同形状缺陷漏磁信号，并进行实验验证;5)杨理践等6 基于二维磁偶极子模型，建立管道内壁缺陷漏磁场空间分布的三维解析模型，对磁化方向垂直缺陷时磁荷产生漏磁场的变化规律进行研究，基于内壁解
16、析模型，引入管壁退磁影响因子，对模型进行补偿，建立管道外壁缺陷漏磁场三维解析模型，得到管道外壁不同缺陷漏磁场的分布特征，并搭建实验平台进行实验验证;6)伍剑波等23 利用有限元分析法获得不同埋藏深度裂纹缺陷引起的磁力线挤压现象以及磁导率变化规律，并建立管道偏置磁化涡流热成像检测系统，对不同埋藏深度内表面裂纹进行自动化检测试验;7)耿浩等24 根据不同位置信号分布特征提出一种提高内壁缺陷检测效果的传感器安装方式，设计了高速漏磁检测系统，运行速度为 0 2 12 m/s，利用该系统对不同运行速度状态下缺陷信号特点及所提方法进行实验研究;8)韦远根等25 设计了电磁超声在线壁厚检测系统，研究电磁超声换能器提离距离和倾斜测量对检测结果的影响，对管道 56 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)中心线和检测装置中心线不重合的工况，研制带有柔性探头机构的检测装置，实现了壁厚的可靠检测;9)赵云利等26 利用 ANSYS Maxwell 软件对X80 钢钢管内外管壁处不同规格缺陷的磁导率进行计算，并对计算结果进行试验验证;10)杨志军等4 利用有限元分析软件建立双励磁结构管道外
