三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的原理及應(yīng)用

三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)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(cè)可以在管道的正常運(yùn)行下檢測(cè)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(duì)保證管道的安全運(yùn)行非常重要。工業(yè)上常用的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要有:幾何內(nèi)檢測(cè)、漏磁內(nèi)檢測(cè)、超聲波內(nèi)檢測(cè),每種技術(shù)各有其適用范圍、優(yōu)點(diǎn)和局限性。漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)管內(nèi)環(huán)境要求不高,無(wú)需耦合,適用范圍廣(可用于油、氣管道),價(jià)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(cè)器分辨率較低,磁場(chǎng)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(lái),漏磁內(nèi)檢測(cè)器的檢測(cè)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(lái)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(pán)取代磁帶驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(cè)器適于檢測(cè)的壁厚范圍和檢測(cè)器運(yùn)行的速度范圍。1金屬損失產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)的檢測(cè)漏磁內(nèi)檢測(cè)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(guò)鋼刷耦合進(jìn)入管壁,在管壁圓周上產(chǎn)生1個(gè)縱向磁場(chǎng)回路,使磁鐵間的管壁達(dá)到磁飽和狀態(tài)。若管壁沒(méi)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(chǎng),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(cè)到漏磁場(chǎng),并產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào),其經(jīng)過(guò)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被記錄到存儲(chǔ)器中。檢測(cè)完成后,通過(guò)專(zhuān)用分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、識(shí)別和判斷,獲得缺陷的類(lèi)型、位置、形狀和尺寸等信息。金屬損失產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)是空間三維矢量場(chǎng)。由于傳感技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理能力及內(nèi)檢測(cè)器存儲(chǔ)容量的限制,大部分傳統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)器只記錄三維漏磁場(chǎng)的軸向分量。為了提高缺陷尺寸的檢測(cè)精度,一個(gè)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(gè)選擇是記錄漏磁場(chǎng)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(cè)器工作原理與傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測(cè)器基本相同,主要區(qū)別是三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器在一個(gè)探頭中安裝了三軸向正交霍爾傳感器,可分別測(cè)量軸向、徑向和周向的磁通量數(shù)據(jù),用來(lái)確定完整的三維漏磁場(chǎng)矢量,以提高缺陷形狀和尺寸的測(cè)量精度。2腐蝕缺陷檢測(cè)漏磁內(nèi)檢測(cè)器主要用來(lái)識(shí)別并確定腐蝕缺陷的尺寸。漏磁信號(hào)的形狀和尺寸變化依賴(lài)于檢測(cè)到的腐蝕缺陷的形狀與尺寸。但是,對(duì)于任何單個(gè)腐蝕缺陷,峰的數(shù)量和極性是相同的。軸向信號(hào)有1個(gè)帶有2個(gè)較小負(fù)峰的正峰(紅為正,藍(lán)為負(fù));徑向信號(hào)有1正1負(fù)2個(gè)峰;周向信號(hào)有2正2負(fù)4個(gè)峰(圖2)。2.1軸向漏磁信號(hào)三軸傳感器使用與軸向垂直的霍爾傳感器記錄漏磁場(chǎng)的軸向分量。簡(jiǎn)單腐蝕缺陷的軸向磁場(chǎng)分量有1個(gè)帶有2個(gè)較小負(fù)峰的正峰。軸向漏磁信號(hào)主要反映管壁感應(yīng)的磁通密度。軸向漏磁信號(hào)在寬度上呈非線性分布,雖然可以根據(jù)軸向漏磁信號(hào)粗略估算缺陷寬度,但結(jié)果極不可靠。軸向漏磁信號(hào)能夠反映缺陷長(zhǎng)度,精度亦不高。軸向漏磁信號(hào)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(cè)器只有軸向傳感器,故確定缺陷寬度、長(zhǎng)度和深度的精度不高。2.2因系漏磁信號(hào)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(chǎng)的徑向分量。簡(jiǎn)單腐蝕缺陷的徑向漏磁信號(hào)有1對(duì)幅值基本相等的正負(fù)雙峰。徑向漏磁信號(hào)不能有效反映管壁磁化狀態(tài),但對(duì)傳感器提離值的變化最敏感,必須將異常信號(hào)與其它方向的漏磁信號(hào)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。與軸向漏磁信號(hào)相比,徑向漏磁信號(hào)能有效地反映缺陷寬度,但精度仍然不高。缺陷長(zhǎng)度可由徑向漏磁信號(hào)的峰值位置清晰界定,徑向漏磁信號(hào)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(hào)幅度偏轉(zhuǎn)相結(jié)合,可以清晰界定缺陷長(zhǎng)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(píng)價(jià)時(shí),主要以缺陷長(zhǎng)度和深度評(píng)估缺陷的嚴(yán)重程度。需精確確定缺陷寬度主要基于兩個(gè)原因:首先,缺陷寬度是一個(gè)能夠決定缺陷深度判定精度的重要參數(shù),具有類(lèi)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(gè)大缺陷進(jìn)行適用性評(píng)價(jià),需要對(duì)缺陷寬度進(jìn)行精確判定。周向漏磁信號(hào)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(hào)在一個(gè)類(lèi)似矩形的范圍內(nèi)有2正2負(fù)4個(gè)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(zhǎng)度和寬度,故周向漏磁信號(hào)能夠較精確地判定缺陷寬度和長(zhǎng)度,結(jié)合軸向分量和徑向分量的測(cè)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(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。3流油管道典型缺陷檢測(cè)中國(guó)石油管道公司將三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的研究成果應(yīng)用于東北一條運(yùn)行了40多年的輸油管道,檢出了各類(lèi)常規(guī)金屬損失缺陷和傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)器難以檢測(cè)出的非常規(guī)缺陷,如狹長(zhǎng)軸向缺陷、環(huán)焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷以及凹陷等。開(kāi)挖驗(yàn)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(cè)由于傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)器只記錄1個(gè)方向的磁力線變化量,因此對(duì)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(chǎng),但由于三軸漏磁傳感器可以同時(shí)測(cè)量三維方向的漏磁場(chǎng)變化,在1次檢測(cè)中可以準(zhǔn)確測(cè)量包括軸向狹長(zhǎng)分布的各類(lèi)缺陷,精確回歸缺陷尺寸。針對(duì)內(nèi)檢測(cè)牽拉試驗(yàn)預(yù)制的狹長(zhǎng)軸向溝槽(圖3),僅由軸向與徑向漏磁信號(hào)很容易判斷為兩個(gè)獨(dú)立缺陷,而周向漏磁信號(hào)明顯顯示是長(zhǎng)溝槽型缺陷。因此,使用周向傳感器可減少對(duì)缺陷實(shí)際長(zhǎng)度誤判的風(fēng)險(xiǎn)。3.2環(huán)焊縫缺陷的信號(hào)特征三軸漏磁內(nèi)檢測(cè)器能夠探測(cè)、識(shí)別出具有一定開(kāi)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(cè)識(shí)別出的環(huán)焊縫缺陷的漏磁信號(hào)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(hào)與金屬損失極性指示一致,周向信號(hào)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(cè)識(shí)別出的螺旋焊縫缺陷的漏磁信號(hào)特征,缺陷處的軸向和徑向漏磁信號(hào)與金屬損失極性指示一致,缺陷處的周向漏磁信號(hào)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(cè)識(shí)別凹陷是三軸漏磁檢測(cè)器的另外1個(gè)重要應(yīng)用,由東北管道內(nèi)檢測(cè)中識(shí)別出的凹陷的三軸漏磁信號(hào)特征(圖6)可知,單純依賴(lài)軸向漏磁信號(hào)很難識(shí)別凹陷,而徑向漏磁信號(hào)與周向漏磁信號(hào)可清楚地顯示凹陷的存在,凹陷的最明顯特征是徑向信號(hào)呈馬蹄鐵狀。綜上可見(jiàn),單純提高軸向傳