基于漏磁原理的海底管道典型管件特征識別分析

陳秋華，王懷江，吳 昊，王丹丹，唐建華

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津 300459)

·試驗研究·

基于漏磁原理的海底管道典型管件特征識別分析

陳秋華，王懷江，吳 昊，王丹丹，唐建華

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津 300459)

漏磁檢測技術是當前應用最成熟的管道內檢測技術，檢測后的缺陷識別分析是該技術的核心部分。從缺陷識別分析技術中基礎的管件特征識別出發，以金屬損失和金屬增加兩種漏磁圖譜形態和基本特征為基礎，詳細闡述了各個不同的管件及與之對應的漏磁信號特征量之間的關系。通過挖掘管件特征識別，為缺陷識別分析奠定基礎，為快速提取海量管件信息提供理論依據，同時對后期的精細解譯及管道完整性評估具有重要的指導價值。

海底管道；漏磁檢測；管件特征識別；缺陷識別

0 引 言

近幾年，管道腐蝕造成的事故頻繁發生，受到政府、企業、社會越來越多的關注。各種管道腐蝕檢測技術，如漏磁、超聲、渦流、電磁超聲檢測技術相繼開發并得到應用，其中尤以漏磁檢測技術以其可靠性和較高的準確性受到管道管理者和技術廠家的認可。

1 漏磁檢測原理

漏磁檢測是基于鐵磁性材料的高磁導率特性，且以管體存在磁導率差異為應用前提的，其檢測原理示意圖如圖1所示。當管壁被飽和磁化后，如管內外壁中沒有缺陷，磁力線均勻分布；當產生缺陷時，由于缺陷處磁導率遠小于鋼管磁導率，局部磁導率的差異將會引起磁通量的泄露[1]。通過霍爾探頭提取該漏磁場信息，經濾波、放大、模數轉換等處理后被記錄在檢測器的存儲單元中。然后依據所提取到的漏磁場信息就可以對缺陷的外形參數進行量化計算，進而判斷缺陷腐蝕的嚴重性[2]。

需要注意的是，缺陷(即金屬損失)只是引起管壁磁導率差異的一種因素，管壁材質不均、壁厚變化、管道附件等也都會導致局部磁導率的差異產生漏磁信號。因此，準確識別漏磁信號所表征的管壁特征變化對于漏磁檢測數據的精細解譯及管道完整性評估具有重要的指導價值。

2 漏磁內檢測器的發展及系統組構

2.1 漏磁內檢測器發展概況

自1965年美國Tuboscope公司研制出第一套基于漏磁原理的檢測器后，世界各國管道檢測公司相繼開發出了適用于不同工況、不同管道尺寸的漏磁內檢測器。目前，國外技術比較成熟的檢測公司主要有美國GE PII公司、德國ROSEN公司、美國TDW公司等[3]。漏磁內檢測器由單一磁化方式逐步轉變為復合磁化或螺旋磁化模式，集成傳感器陣列由單軸變為雙軸直至現在的三軸高清內檢測技術，同時內檢測設備也實現了功能集成，能夠在一次內檢測作業中完成變徑、漏磁、慣導圖繪等多項任務，基本達到了設備規格系列化和系統功能多樣化的產品研制格局，致力于為用戶提供性能更好、精度更高的漏磁內檢測技術服務體系。

與國外相比，國內漏磁檢測技術則起步較晚。上世紀90年代初，中油管道檢測有限公司開始從美國引進管道漏磁檢測器，之后各家石油企業和科研院校都相繼投入到了漏磁內檢測器的研制工作中[3]。目前已經實現了不同規格管道漏磁內檢測器的自主研制系列化，同時也具備了適應于不同工況及不同曲率半徑彎頭的工程應用能力，但整體性能指標和精度要求對比國外產品仍存在一定的差距。為了優化設備技術指標，由海油投建的國內首座海底管道漏磁內檢測實驗平臺已經建成，將致力于管道內檢測技術的驗證評價，深度探究影響管道內檢測器性能、精度的復雜原因，為內檢測器的工況適應性、通過性以及檢測數據處理、解譯過程中的模型優化提供技術支撐。

2.2 漏磁內檢測器系統組成

漏磁內檢測器一般由以下四個部分組成，分別是電池節、檢測節、計算機節、里程與姿態測量節，原理樣機示意圖如圖2所示。

電池節用于為整臺設備提供能量供應，其直接決定了單次檢測的最大里程；計算機節負責各系統之間的信息傳遞及數據同步讀取、及時存儲任務；檢測節則用于對管壁進行磁化與漏磁信號的數據采集工作；里程及姿態測量節用于實時測量設備的運行步長與當前姿態。其中檢測節沿圓周方向共分布12組測量單元，每個測量單元均由軸向磁場探頭、徑向磁場探頭、渦流探頭組成，用于對管道圓周方向進行全方位掃描，本文的數據分析也將以上述樣機結構特征為基礎進行展開。

3 管道管件特征識別與數據分析

3.1 漏磁信號的形態與基本特征

漏磁內檢測技術主要用于識別體積型缺陷，包括金屬損失(如腐蝕、造管缺陷等)和金屬增加(如管道附件、補板)兩種類型，下面簡單模擬一下金屬損失和金屬增加的漏磁信號特征。

設均勻鋼板中存在一半徑a、深度h均為5mm的圓柱形缺陷，則圓孔中心線處提離高度y依次取1mm、3mm、5mm時漏磁場的軸向分量、徑向分量波形曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 漏磁場軸向分量波形曲線

圖4 漏磁場徑向分量波形曲線

由圖3、圖4可知，金屬損失的漏磁信號特征呈現出如下規律：軸向信號是一個帶有兩個較小負峰的正峰，徑向信號表現為一負一正的雙峰特征。油氣管線上常見的金屬損失包括腐蝕、機械損傷、制造缺陷、壁厚減少、焊縫異常、支管等。

與金屬損失情況相比，對于任何金屬增加物，其漏磁信號中峰的數量是相同的，極性剛好相反。軸向信號表現為一個帶有兩個較小正峰的負峰，徑向信號則表現為一正一負的峰值特征。常見的金屬增加包括套管、壁厚增加、修復補板及支架等。

需要注意的是金屬增加或缺失的漏磁信號三維形態學特征還取決于缺陷的形狀、尺寸以及具體的檢測工況環境，實際缺陷漏磁信號特征相當復雜，但其一維信號單元大體保持著上述基本形態。

3.2 管件特征識別與數據分析

這里以漏磁內檢測器的實測數據為準，進行管件特征識別與數據分析。圖5為試驗場地發球筒實物圖，圖6為發球筒管段實測漏磁信號圖譜。圖5中1、2、3、4、5號管件依次為：排泄口、支架、過球指示器、球閥、三通。圖6中的標號圖譜分別與之對應。下面針對各管件漏磁信號圖譜分別進行具體形態特征分析。

圖5 試驗場地發球筒實物圖

圖6 發球筒管段實測漏磁信號圖譜

3.2.1 焊縫

依照焊縫類型可將常見管道分為以下幾類：無縫管、直縫管、螺旋焊縫管等，焊縫結構示意圖如圖7所示。海底管道常用鋼管為無縫管，僅在管段與管段之間以環形焊縫形式連接。其中，焊縫材質與管道母體材質磁導率的差異因焊縫填充金屬的鐵磁特性而異，當焊材鐵磁特性優于母材時，焊縫附近由于焊縫余高的存在表現為金屬增加的漏磁信號特征；當焊材鐵磁特性劣于母材時，加上焊接工藝的影響，焊縫位置則表現為金屬缺失的漏磁信號特征。圖8、圖9為實測的焊縫漏磁信號圖譜。

圖7 焊縫結構示意圖

從圖7中可以看到，焊縫位置表現為金屬缺失的漏磁信號特征，即整體形狀為一局部隆起的正峰，傳感器陣列沿圓周方向展開則表現為區別于周邊信號的明顯條狀異常帶，見圖9。此外，由于焊縫附近管壁不平整，檢測器運行不穩會引起波形的“抖動”甚至嚴重畸變，這也是焊縫位置缺陷難以識別、量化的重要原因之一。

圖8 焊縫漏磁信號圖譜局部放大圖

圖9 焊縫漏磁信號圖譜整體視圖

3.2.2 法蘭

管道法蘭連接管件包括焊縫、法蘭片、墊圈、法蘭片、焊縫以及緊固螺栓和螺母，法蘭結構示意圖見圖10。單個的法蘭片本質上也是金屬增加，而兩邊焊縫及中間墊圈由于磁導率的降低則表現為金屬缺失的漏磁信號特征。整個法蘭組合起來就是：焊縫金屬磁導率降低+法蘭片金屬增加+空氣金屬損失+法蘭片金屬增加+焊縫金屬磁導率降低。軸向信號總體表現為：以墊圈為中心，兩邊對稱，中心是一個極高的正峰，兩端分別帶有一個焊縫產生的較小正峰，中心正峰與端部正峰之間則為兩個法蘭片金屬增加所引起的負峰；由于法蘭連接的規律性，和焊縫一樣，整體視圖上每隔一定距離管段管道整個圓周方向上均會出現一個典型的法蘭漏磁信號圖譜，具體如圖11、圖12所示。

圖10 法蘭結構示意圖

圖11 法蘭漏磁信號圖譜局部放大圖

圖12 法蘭漏磁信號圖譜整體視圖

3.2.3 閥門

油氣管線中閥門的類型有很多種，例如：閘閥、截止閥、蝶閥、球閥等。每一種閥門都有其不同的功能和結構特點，相應的漏磁信號圖譜也各不相同。這里以常見的球閥為例對其漏磁信號特征進行分析。圖13、圖14分別為球閥結構示意圖和與之對應的漏磁信號圖譜。

圖13 球閥結構示意圖

圖14 球閥漏磁信號圖譜整體視圖

由于構成球閥整體內部結構的不銹鋼材料為非鐵磁性材料，且閥體兩端通常由法蘭與管體連接，因此球閥漏磁信號圖譜一般表現為：兩端各有一個法蘭漏磁信號，中間閥體部位整個圓周方向顯示為一個臺階狀的漏磁異常區。

3.2.4 支架

支架在油氣管線中起到支撐和固定管道的作用，在管線鋪設工程中有著廣泛的應用。支架一般為鐵磁性材料，且置于管道底部。因此支架位置表現為在管道圓周方向3點鐘到9點鐘之間顯示出金屬增加的下凹狀漏磁信號特征，具體如圖15、圖16所示。

圖15 支架結構示意圖

圖16 支架漏磁信號圖譜整體視圖

3.2.5 三通(或開孔)

三通(或開孔)在管線中的應用相當廣泛，主要起到分流或改變流體方向的作用。在漏磁檢測中三通的漏磁信號圖譜相對復雜。同時不同大小孔徑的三通，其漏磁信號特征也略有差異，最明顯的就是管路中排泄口、各種儀表開口等小孔徑開孔與真正意義上三通漏磁信號圖譜的差異。具體如圖17、圖18、圖19所示。

圖17 三通(或開孔)結構示意圖

圖18 儀表開孔漏磁信號圖譜

圖19 大三通漏磁信號圖譜

由于三通位置沿管道軸向結構上依次為：管道母體金屬、焊縫、三通支管金屬、開孔、三通支管金屬、焊縫、管道母體金屬，所以三通開孔沿管道軸向中心線上均會出現由焊縫、開孔、焊縫引起的三個正峰和由支管金屬存在所產生的兩個負峰。但是隨著開孔的增大，開孔位置處會出現正峰峰值增大且被逐漸拉平的現象，這是由于大孔徑下霍爾探頭距離支管金屬較遠的原因造成的。

4 結論和研究展望

根據漏磁的原理分析，典型的管道管件特征包括金屬損失和金屬增加兩類。其中法蘭、支架屬于金屬增加,閥門、三通、開孔屬于金屬損失。具體的信號特征會受工況、檢測運行狀態等因素影響，不同管道或不同檢測批次的信號特征都會有細微變化，但大體上維持這兩種基本形態。

管道管件特征識別與數據分析作為漏磁內檢測數據分析的第一步，是里程校準、鐘點位置偏差校正的依據，也是缺陷檢測識別等工作開展的基礎。實際管道環路中，不同種類的管件有很多，同種管件根據具體的應用環境也會有不同的結構特點，進而呈現出不同特征的漏磁信號圖譜。因此，針對不同的管件進行與之對應的漏磁信號特征量分析，充分挖掘頻域算法、模糊算法和神經網絡算法等方法在管件特征量提取及管件識別方面的應用潛能[4，5]，實現海量漏磁檢測數據中管件信息的快速提取及應用是今后值得深入研究的一個方向。

[1] 楊理踐.管道漏磁在線檢測技術[J].沈陽工業大學學報,2005,27(5):522-525.

[2] 何輔云.石油管道的高速檢測與缺陷識別[J].無損檢測,2000，22(5):206-208.

[3] 崔益銘.管道漏磁檢測技術的研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2009.

[4] 李久春.基于有限元的管道裂紋漏磁檢測仿真分析[J].無損檢測,2008,9(30):590-593.

[5] 劉海峰, 王秀彥, 何仁洋，等.管道內部漏磁檢測的仿真與實驗研究[J].傳感器與微系統, 2009,11(28):61-64.

Feature Identification and Analysis of Typical Pipe Fittings of Submarine Pipeline Based on the Principle of Magnetic Flux Leakage

CHEN Qiuhua, WANG Huaijiang, WU Hao, WANG Dangdang, TANG Jianhua

(CNOOCEnerTechEquipmentTechnologyCo.Ltd.,Tianjin300459,China)

Magnetic flux leakage(MFL)inspection technology is the most mature pipeline internal detection technology. The defect detection and identification analysis is the key of this technology. The relationship of the pattern of magnetic flux corresponding to each fittings are expounded based on the fitting feature identification and the basic features of two kinds of leakage pattern forms, including the loss of metal and the increase of metal. The pipe feature identification can lay the foundation for the analysis of defect recognition, and provide a theoretical basis for the rapid extraction of massive information on the pipe fittings, which has an important guiding value on the fine interpretation and integrity assessment of pipeline.

submarine pipeline; magnetic flux leakage inspection; pipe fitting feature identification; defect recognition

陳秋華，男，1982年生，工程師， 2007年畢業于湖南工業大學計算機科學與技術專業，現從事海底管道內檢測技術研究工作。E-mail:chenqh3@cnooc.com.cn

TE973

A

2096-0077(2017)02-0047-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.011

2016-08-03 編輯：姜 婷)