基于漏磁检测的长输管道腐蚀缺陷识别

梁暖（国家管网集团广东运维中心，广东 广州 510660）

0 引言

作为能源运输的主要载体之一，长输管道承担着世界上绝大多数的能源运输任务[1]。就现阶段已知数据可知，世界上70%以上的石油资源和90%以上的天然气资源都是通过长输管道完成运输的[2]。在实际的运输过程中，运输的介质中可能会含有CO2、H2S、Cl-以及一些具有腐蚀性的微生物、还原菌等，从宏观角度分析，虽然上述物质对长输管道质量的影响是微乎其微的，但是在长时间的作用与影响下，长输管道管壁出现腐蚀缺陷的可能性较大[3]。不仅如此，长输管道一般铺设在地下环境中，对长输管道维护的周期相对较长，尤其是在地下环境的冰冻、融化、地震、河床变迁等因素的作用下，管道的稳定性也会受到一定的影响[4]。综上两个角度的分析不难看出，对管道安全威胁问题加以关注是十分必要的。一般情况下，长输管道失效前，会经历一段相对漫长的时间，也可以理解为管道失效是一个逐渐发展的过程，因此，对长输管道腐蚀缺陷进行有效地识别成为了事故预警的关键[5]。但是受管道所处位置的限制以及相关检测技术的局限性，长输管道异常状况识别效果并不理想，这就直接导致相关维护工作难以有针对性地开展，造成大量无效成本投入，严重的会导致长输管道因腐蚀而泄漏[6]。漏磁检测作为一种可靠性高、缺陷检出率高、性价比高的检测技术，将其应用到管道异常检测中具有巨大的潜力[7]。

本文提出基于漏磁检测的长输管道腐蚀缺陷识别研究，并通过试验测试验证了设计方法的有效性。

1 长输管道腐蚀缺陷漏磁检测

由于长输管道运输物质的特殊性以及管道所处环境的影响，腐蚀缺陷通常存在于管道的内壁或外壁上[8]。因此对应不同的腐蚀缺陷，漏磁检测装置的应用方式也要做出适应性调整[9]。本文分别针对腐蚀位于管道内壁和外壁这两种情况进行了深入研究。

1.1 长输管道外壁腐蚀缺陷识别

针对不同位置的长输管道腐蚀缺陷，主要是通过改变对管道的磁化方式以及漏磁探头传感器的放置方式实现识别长输管道腐蚀缺陷的目标。针对位于长输管道外壁的腐蚀缺陷，本文将磁化和探头传感器都安置在管道的外表面。需要注意的是，腐蚀管道处的磁导率是远远小于正常管道材料的。在此基础上，当探测线以流水线方式扫描管道的铁磁性材料时，在直流线圈的作用下，横向和纵向上都出现了磁化现象，这种交错的磁场以及管道材料性质稳定条件下以均匀分布的方式存在，一旦出现腐蚀缺陷，管道本身的磁感应强度会减弱，对应的磁力线也会出现弯曲的现象。这也是区别外壁腐蚀缺陷与内壁腐蚀缺陷的主要特征之一。此时再利用横向和纵向探头对泄漏出管道表面磁力线进行检测，一般情况下，利用传感器检测逸出漏磁场可以直接通过法拉第电磁感应定律实现对磁场信息的感知与转化，无需对采集数据进行二次处理。此时得到的缺陷信号就是地下管道反馈出的漏磁场，其也是判断管道是否存在腐蚀缺陷的基础数据。通常情况下，对于外壁腐蚀识别的难度在于缺陷尺寸参数难以准确计算，而借助上述采集到的缺陷信号，可以直接通过漏磁场的产生机理实现对腐蚀位置的定位。

在具体的实施过程中，需要在识别范围内分别安装横向和纵向磁感应检测设备。其中，横向探头传感器主要检测缺陷在沿管道圆周方向的分布情况，对应定位的是缺陷X轴方向信息，纵向探头传感器主要检测缺陷在沿管道轴向的分布情况，对应定位的是缺陷Y轴方向信息。为了适应多维的识别需求，本文设计的识别装置由管道夹紧、定位、驱动装置作为检测推动构件，有横、纵两个方向的腐蚀缺陷探测装置作为信号采集构件，装置数据的传送是通过分选传送线实现的，同时在装置的数据处理单元设置了缺陷前置分析电路，通过两台工业控制计算机实现对其的管理与控制。考虑到管道腐蚀识别的最终目标是判断其位置以及程度，因此装置的控制面板是以三维可视化装置为基础构建的，打造外围电路板柜，提高其在不同环境下的应用价值。在此基础上，利用可编程序控制器 PLC 控制分选传送线的传输效率，在对处于地下浅层位置的管道缺陷进行识别过程中，调节至相对低频的状态，以此降低能耗，提高识别工作；而对于处于地下深层位置的管道识别检测，调节至相对高频的状态，以此确保信息与识别位置之间的一一对应关系不会由于传输时延而被破坏。在进行腐蚀缺陷识别操作过程中，PLC 控制管道检测装置沿着管道轴线方向行进，当出现有缺陷疑问或者需要剔除的信号的情况下，PLC 控制结合信号对应的位置信息，向执行机构发布标识指令，并产生相应的动作，该部分动作中就包括腐蚀缺陷位置的定位。该过程的实现是通过驱动V 型拖辊和同步电机完成的。考虑到不同深度或者不同位置（地下、水下），管道的磁感应强度存在差异，可能会造成漏磁检测结果可靠性降低，利用夹紧装置对液压电磁阀的开关程度进行调节，其基本原则是识别管道所处位置磁感应能力越强，开关打开的幅度越小，识别管道所处位置过程中的磁感应能力越弱，开关打开的幅度越大。不仅如此，为了降低后期识别结果分析的难度，本文以统一的标准设置目标采集磁感应强度值，将其作为开关调节的基准。这样就能够保证在对管道进行识别检测时，不会出现信号电波的问题，确保腐蚀缺陷能够被全部识别。

1.2 长输管道内壁腐蚀缺陷识别

对于管道内壁的腐蚀缺陷识别，从地表对其进行识别的难度较大。一方面，其会受到外壁缺陷的干扰，影响识别结果的准确性；另一方面，内壁腐蚀的成因相对简单，主要是由于输送物质中的某些元素引起的，可以采用更加高效的方式实现对长输管道内壁腐蚀缺陷的识别。为此，本文设计了一种磁化方式和探头传感器可以在管道内部通过的识别检测装置。装置的主体结构为磁感应测量节，并辅以辅助测量节提高其识别结果的可靠性和稳定性，记录装置负责对采集到数据信息的记录，电池为整个装置的正常运行提供动力。为了确保识别过程中不会受到管壁内部环境条件的影响，装置的每个构成都是将橡皮碗作为与管道之间的支撑，各节之间的连接是通过万向节实现的，通过这样的方式确保连接当识别管道出现转弯处，或装置在识别行进过程中出现撞击时，可以通过自我调节的方式保证识别工作的顺利进行。

在具体的识别过程中，测量节的磁化装置发射磁感应射线扫描管壁内壁，霍尔元件传感器应根据管道的不同规格调节射线的发射范围，确保管壁识别结果的完整性。由于管道内壁的磁感应强度相对一致，因此，当出现漏磁信号时，利用前置放大装置对该数据进行标记。磁化装置中的磁钢、衬铁和钢刷对待测管壁进行磁化时，管壁内会产生磁通现象，在钢刷的作用下将其产生磁力线进行聚集处理，聚集的标准即所有磁力线均可以通过管壁，通过这样的方式实现对管壁缺陷的精准识别。辅助测量节中主要是对传感器中检测到的磁场信号进行分析，判断管道壁内是否存在腐蚀缺陷。不仅如此，考虑到磁力线会受管道内部温度、压力以及装置的影响而在密度上出现一定的差异，辅助传感器也会实时采集识别环境中的上述信息，并对指标出现异常的参数进行矫正，以此调节磁力线密度，确保识别结果的准确性。通过这样的方式得到管道内部准确的腐蚀缺陷信息。

2 试验测试

为了测试设计基于漏磁检测的长输管道腐蚀缺陷识别方法的应用效果，进行了试验测试，并考虑实际环境中腐蚀缺陷的存在形式以及识别条件，对相关参数进行多样化设计。

2.1 试验设置

试验测试的目标主要是测试漏磁检测的基本运行模式是否合理以及检测效果，为此，本文设计测试台的主体结构相对简单，包括左右磁极、磁轭和缺陷钢板三部分，三者共同形成一个闭环结构。在该磁环路中，漏磁装置经过腐蚀缺陷上方时，会自动记录缺陷上方不同位置对应的漏磁场强度数据信息。本文采用的腐蚀缺陷测试板材为质16 Mn的钢板，其厚度为 8.50 mm，腐蚀缺陷是采用电火花装置构建的，在腐蚀缺陷的排布上，本文以中心线为基准均匀分布，数量共10个，并且在形状和深度上都存在一定差异。在具体的测试过程中，为了最大限度保持测试条件的一致性，均按照以1.0 m/s 速度进行识别检测，脉冲发射频率为3.0 Hz。测试实施方式如图1所示。

图1 试验测试实施现场

以此为基础，采用文献[8]和文献[9]提出的方法作为对照组开展试验测试。

2.2 测试结果与分析

按照图1 的方式采集漏磁信息，最后，利用MATLAB 软件将三种方法采集到的数据转化为直观的腐蚀缺陷结果，其结果如表1所示。

表1 腐蚀缺陷识别结果

在测试信息中，编号为3、7、8、10的测试组相当于内壁腐蚀，其余相当于外壁腐蚀，从表1中可以看出，文献[8]方法对于腐蚀缺陷的识别结果误差加大，特别是在腐蚀缺陷信息的宽度和深度信息上，误差较高，以这种方法的识别结果为基础对长输管道进行维护将大大降低维护效果，甚至可能会对周围完好管道造成负面影响。相比之下，文献[9]方法的识别误差有所下降，但是稳定性相对较低，难以实现对所有腐蚀缺陷的准确识别。观察本文提出识别方法发现，在测试设置的10个缺陷中，最大误差不超过0.03 mm，表明本文设计方法对于腐蚀缺陷具有良好的识别能力，识别精度更高。

3 结语

长输管道的稳定性直接关系到能源运输的安全性，而由于其长期处于地下使得对管道状态的识别工作难以有效开展，这不仅加大了维护开挖的面积，同时也降低了管道的使用效率。本文以腐蚀缺陷识别为研究目标，利用漏磁检测的方法对其识别工作展开设计，并通过测试验证了设计方法的有效性。在实际的长输管道检测中，需要识别的缺陷类型是多种多样的，通过本文的研究，以期为相关工作的开展提供有价值的参考，提高缺陷识别的精度，降低不必要的成本投入。