磁应力技术在埋地管道焊缝检测中的实践

郝 毅

（中国腐蚀控制技术协会，北京 100101）

近年来，管道失效事故时有发生，不仅威胁了人民群众的生命财产和社会的稳定运行，还给自然环境带来了严重污染。管道焊接应力是焊件产生变形和开裂等缺陷的主要原因之一[1]，同时在产生可检测到的裂纹或缺陷之前，就可能因为外部因素产生应力集中，这些区域通常就是材料后期失效的萌生点[2]。部分管道在铺设时对各条焊缝的无损检测数据及位置坐标进行了收集，不过由于GPS的精度问题，以及在采集过程中存在的漏采问题，导致管道运营方无法完全掌握每个焊缝的运行状态，而对于未进行焊缝位置GPS坐标采集的管道，焊缝定位工作更是难上加难。如何通过非开挖手段在地面上快速定位到管道焊缝的位置，是业内亟待解决的问题。

磁应力检测也称金属磁记忆技术，是一种基于逆磁致伸缩效应的无损检测方法。20世纪末由俄罗斯学者杜波夫首先提出，目前已发展成为无损检测领域的一门新兴学科。该技术通过检测和分析产生在工件应力集中区的漏磁场分布，来发现早期应力集中和宏观缺陷，在石油化工、电力、铁路、航空等方面都得到了广泛的应用[3]。随着磁应力检测设备在油气输送领域的应用开发，实现了在非开挖条件下对埋地钢质管道缺陷焊缝的定位检测，并且能够对焊缝的缺陷进行分级评价。

1.1 缺陷焊缝定位的原理

地球是一个巨大的磁体，地球表面到处都分布着可以探测和计量的磁力场。由于铁磁性材料特有的磁致伸缩特性，使得处在地磁场中的铁磁性材料制成的管道在磁弹性机理作用下形成磁畴有序分布。当铁磁材料受到机械力的作用时，在它的内部产生应变，从而产生应力，导致磁导率发生变化[4]。铁磁材料被磁化时，如果受到限制而不能伸缩，内部会产生应力，同样，在外部施加一定的压力，铁磁材料也会产生应力。当铁磁材料因磁化而引起伸缩（不管何种原因）产生应力时，其内部必然存在磁弹性能量。如果存在拉应力，将使磁化方向转化为拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大，压应力将使磁化方向垂直于应力的方向，削弱压应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。管道上焊缝存在缺陷会引起该区域内管体的应力情况发生变化，并且焊缝缺陷所造成的应力变化会比常规管体缺陷更加明显，由于应力发生变化导致管体的磁场分布也发生变化，特别是焊缝周边区域的磁场畸变的特征比较分明，经过测量分析，检测设备可以甄别出由管道焊缝缺陷引起的磁场变化，进而判断焊缝位置。

如图1所示，管体焊缝缺陷位置为应力集中区，导致此处磁场畸变，其作用结果是改变磁场强度分布和磁力线方向，在应力峰值点的上方，磁场的切线（与管道轴向垂直）方向的磁感应强度分量（Bx）为最大，而在管道径向方向上磁感应强度分量（By）为零。由于焊接不合格导致焊缝中含有气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹、凹坑、咬边、焊瘤等情况导致的应力，都能够由此追溯到这样的磁力改变区域。

图1 管道焊缝缺陷位置磁场曲线

1.2 缺陷焊缝的分级评价原理

金属磁记忆检测技术主要利用了磁感应强度B与铁磁材料内部应力集中之间的关系，焊缝异常等级分析的主要工作就是找到焊缝位置的磁感应轻强度与该位置的应力情况的对应关系。在地磁环境中，管道上某点的磁感应强度在测量时会受周围位置影响，无法与该位置的应力情况一一对应，但是在数学领域通过积分可以将二者建立关系。

关于焊缝的金属磁记忆检测，如果某位置存在焊接裂纹，裂纹尖端的应力集中会导致自由漏磁场的产生，在该位置设备检测到的磁记忆信号就为裂纹尖端的应力集中与其他缺口效应部位应力集中导致的自由漏磁场的叠加。基于其与应力中的位置的积分关系，在数据分析过程中就可以通过微分确定焊缝裂纹的位置和量化参数。对焊缝裂纹金属磁记忆信号进行定量识别的关键在于信号特征量的提取。对检测信号进行一阶微分以后在局部空间轴上的信号异常可定义为一接微分金属磁记忆信号的波峰-波谷之间的距离DL，以及一阶微分金属磁记忆信号的波峰-波谷之间的差值DH。

图2 焊缝位置磁感应信号特征

DL与焊接缺陷的长度基本成正比关系，随着焊接缺陷长度的增加，DL也就越大，而DH与焊接缺陷的长度基本无关，随着焊缝缺陷长度的增加，DH无明显变化。焊缝缺陷的深度对DH的影响较大，随着缺陷深度的增加DH逐渐减小。

基于管道的漏磁场计算得出的应力分布，将获取应力值以管道参数等条件建立评价模型。根据铁磁学原理，评价模型将应力数值进行归一处理，并引入管道结构参数，输出结果为环焊缝缺陷指数 。它是管道埋深、运行压力、管道材质及壁厚，以及检测信号特征数值DL和DH的函数。在缺陷等级划分上，采取未焊透最大深度作为参考依据分为四级，方便与无损检测进行比对。具体的分级指标如表1所示。

表1 异常焊缝分级评价指数

1.3 PWD设备介绍

管道焊缝缺陷检测仪（PWD）基于经典铁磁学理论，可为确定异常焊缝和内检测缺陷的地面位置提供非开挖检测手段。设备屏幕实时显示磁场曲线，采用峰值响应方式准确定位出管道的环焊缝，同时根据焊缝位置上的应力集中程度对缺陷进行分级。道焊缝缺陷检测仪采用无源探测方式，检测人员背负设备沿管线路由平稳行进即可完成检测。设备屏幕可实时显示管道的磁场曲线，以峰值响应方式准确定位焊缝位置；
检测系统配备亚米级GPS天线，配合检测人员行进速度，每秒钟采集一组GPS坐标，有效保证定位精度，检测人员可根据对应位置坐标实时进行回找；
系统根据管道焊缝位置的应力分布情况，将应力分析结果对应无损检测数据库，对焊缝的应力异常等级进行分级，其分析结果可在一定程度上保证与开挖无损检测方法的分级结果一致。检测人员应用PWD检测系统可在现场高效准确的定位出焊缝位置，并可对焊缝的异常等级进行初步分析，为后续的开挖修复工作提供有效的数据基础。

2.1 被检测管道概况

某企业对其下属的若干段埋地管线焊缝缺陷以抽检形式进行检测，，即在每段管道上选取道路平坦，场景较为开阔，铁磁性干扰较少的40～200m不等的管段。被检管道情况如下：管道材质为螺旋焊缝钢管，焊缝为环焊缝，管道规格为φ406×8mm，设计压力为0.4MPa，埋深范围为0.9～1.8 m。该管网投产至今未进行过漏磁内检测。

2.2 检测过程

首先使用管线仪对目标管线进行精准定位，并沿线标记路由；
然后将PWD检测仪的一个传感器放置于管道正上方，另一个放置于管道一侧，沿标定的路由的一侧匀速地采集数据；
采集完成后在现场直接使用PWD检测仪对检测数据进行分析，根据现场情况以及曲线的峰值间距和高度，确定出环焊缝的位置和缺陷等级，根据缺陷严重情况，确定开挖点（如图4所示）。

图4 检测过程与焊缝缺陷分级

2.3 检测结果

在本次排查过程中，11段埋地管道使用PWD检测仪累计实施焊缝检测1560m，一共检测到环焊缝69处，其中IV级点60处；
III级点5处；
II级点3处；
I级点1处（如表2所示）。磁应力检测焊缝异常分级评价的处理建议如表3所示，其中IV级点需要立即开挖，进行无损检测修复。

表2 环焊缝检测结果统计表

表3 开挖验证结果表

2.4 开挖验证

根据PWD检测结果，选择焊缝磁信号变化强烈的管段进行开挖验证。首先判断焊缝处是否存在缺陷，然后判断PWD检测结果是否与开挖验证的X射线探伤评级相一致。本次针对69处环焊缝检出位置中7处IV级严重点进行开挖。经开挖验证焊缝定位偏差均小于0.5m；
6处焊缝X射线探伤检测结果等级为IV级，一处为III级；
焊缝存在未焊透、咬边、焊瘤等问题，如图4所示。

图4 开挖验证管线IV级焊缝

采用磁应力技术对埋地管道进行检测，无需开挖即可实现对管道焊缝缺陷准确定位和缺陷评级，缺陷评级准确率83%，是一种可靠的非开挖管道焊缝缺陷检测技术，具有广泛的应用前景。

目前，磁应力技术已经在多个现工程现场解决了管道焊缝定位的难题，同时在管道完整性管理方面也发挥出了越来越积极的作用。未来，磁应力技术作为一种更加高效且准确的技术手段将在埋地管道基础数据收集和缺陷焊缝分级评价环节得到更广泛的应用。

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