余方林 于润桥 廖连文 汪路路

南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室

摘 要： 针对埋地油气管道因腐蚀泄漏引发安全事故，提出了一种可实际应用于工程的检测方法——埋地管道非开挖弱磁检测。通过对弱磁检测原理和缺陷定位算法的简叙，验证了弱磁检测方法的可行性。利用实验室自主研发的弱磁检测仪对预置人工缺陷的管道进行试验研究，并对管体信号进行定量分析。结果表明，该方法对埋地管道的腐蚀缺陷识别有很好的检测效果，并实现了管体缺陷的二维成像。

关键词： 腐蚀泄漏；埋地管道；非开挖；弱磁检测；定量分析

长期埋于地下的油气管道，发生腐蚀穿孔和应力集中的概率与日俱增，容易发生穿孔泄漏等事故，严重时造成爆炸事故和环境污染，使周边居民生命财产安全受到威胁。为确保地下管网安全运行，急需寻找一种应用于埋地管道的有效检测手段。本文针对埋地管道非开挖弱磁检测方法进行了试验研究，验证了该方法的可行性。

1 弱磁检测原理

埋地管道非开挖弱磁检测技术建立在天然地磁场的基础上，通过磁信号采集仪在检测管道正上方进行扫查，采集不同方向上磁感应强度的变化从而判断检测管道中是否存在缺陷，并经过数据处理判断检测试样中存在缺陷的位置及大小，是一种无损检测技术。

假设被检工件本身的磁导率为μ，工件内部不连续区的磁导率为μ`，若是不连续区为高磁导率物质，即μ`>μ，那么在测磁传感器通过该区域时，磁感应强度曲线会出现下凹现象;若是不连续区域为低磁导率物质，即μ`<μ，那么在测磁传感器通过该区域时，磁感应强度曲线会出现上凸现象(图1)。

图 1  弱磁检测原理

为了更好地提高金属管道中存在的缺陷磁场变化分辨率，提出了磁力梯度张量的测量系统，磁梯度张量测量系统对象是磁场矢量分量的梯度，第一它不受总场测量的约束，所测量的结果反映的是目标体的矢量磁矩信息；第二张量元素受地磁场的倾角、偏角影响小，以下是磁梯度张量的理论研究。

地磁场有方向和大小矢量场，磁梯度张量就是磁场强度在三维空间中的三个分量Bx、 By、 Bz在空间两两垂直的三个方向（x,y,z）上的变化率，它构成一个三阶矩阵，共9个元素，记为G，表示如下：

由式(2) 、(3) 、(4)可知，在磁梯度张量的9个元素中只有5个分量是相互独立的。所以只要知道5个独立分量，就可以求得磁梯度张量的值。地磁场的梯度值比磁异常的梯度值小很多，一般为20 nT/km。在这个原理的基础上，采用十字形磁梯度张量结构（图 2），该结构因计算简单，测量精度高等特点被广泛运用在磁梯度测量中。

图2 传感器十字型测量结构

如图 2所示， B0、 B1、 B2、 B3为三轴式磁通门传感器，每个三轴磁通门传感器均由3个单轴三端式磁通门传感器组合而成。根据公式（1）、（3）差分近似可得以下结果：

2 试验仪器

试验仪器为实验室自主研发的高精度埋地管道弱磁检测仪（图 3），主要包括测磁传感器和数据分析上位机。为了更好的接近实际工程，由某热力集团提供试验场地，将预置人工缺陷的管道埋入地下进行数据采集。为保证传感器的稳定性，搭建轨道使传感器从管道上方平稳通过。

1.数据分析上位机； 2.测磁传感器。

图 3  埋地管道弱磁检测仪

当被检管道本身不存在腐蚀及其他类型缺陷时，检测曲线变化较为均匀。当存在腐蚀缺陷时，该区域磁场发生异常变化，经数据分析软件处理后实现二维成像，可对腐蚀减薄的位置及深度进行定量研究。

3 试验研究

某热力公司管道长3 000 mm、外径610 mm、壁厚8.8 mm,在其管道上方加工了5个人工缺陷。图 4为试验管道的俯视图，各位置缺陷类型和腐蚀深度见表1。

图 4  试验管道尺寸及缺陷点

为了保证试验数据的准确性，用逐渐埋土的方式，分别进行了埋深1 200 mm、 1 500 mm、 1 800 mm试验。首先将预置好缺陷的管道放入已挖好的土坑内，然后在管道正上方铺设非铁磁性材料轨道，通过自制小车在轨道上带动弱磁传感器在管道上方匀速移动，将传感器接收到的数据经过数据采集器传输至上位机。上位机内安装有弱磁检测数据处理软件。考虑到试验过程中因为管道端头效应，造成信号启停处的突变，在数据处理时将端头效应的信号屏蔽，防止影响整体信号造成对检测结果的误判。图 5是试验现场，左侧是试验前在管道上方预置的5个缺陷。图 6是埋深1 800 mm检测数据处理结果。

图 5  试验现场

（a）原始曲线图

（b）梯度信号图

（c）二维成像图

图 6  埋深1 800 mm检测结果

由图6（b）梯度信号图可知，检测初期经过处理的梯度信号相对比较平稳，磁梯度范围在﹣100～+100nT内，没有超过判断阈值。此后，经过处理的磁梯度信号在550～770mm、1050～1250mm、1550～1700mm、1870～1 920 mm、 2 300～2 400 mm处相对于其他区域存在明显的峰值，这与人工缺陷管道上的缺陷位置相符。由于检测过程中由人工推动磁传感器在管道上方移动，不能保证是完美的匀速运动，故最后的检测结果与试验前预置的管道缺陷位置会存在误差。从检出效果和检出率看，该检测技术具有工程实用性。

4 现场试验

2015年采用非开挖弱磁检测方法在河南濮阳某段已停运管道进行试验。

检测管道分两排共6段，两排长度都是3 800 mm，壁厚3.0～4.5 mm，管道埋深1 500～1 700 mm。其中： 1#、 3#管道表面有防腐层，直观无法看见管道缺陷位置； 2#铺设年份较久，表面腐蚀非常严重； 4#表面无明显缺陷 ，5#有三处锯槽（10×0.4×0.3 mm）， 6#有5处穿孔缺陷，其中2处同时含有两个直径6～7 mm孔洞（图 7）。

图7 检测试验现场

现场检测结果和开挖验证如图 8所示。

（a）检测结果

（b）开挖管道

图 8  现场检测结果和开挖验证

在检测段293 mm、 1 026 mm、 2 198 mm、2 481 mm、 2 931 mm、 3 495 mm处显示异常信号。由图 8可以看出， 3处区域的磁场梯度值变化明显，信号趋势突出。经过开挖验证，腐蚀缺陷位置误差小于5 cm，对于长输埋地管道可以接受。

2017年，用非开挖弱磁检测仪对内蒙古某在役输油管道进行检测。检测段距离3 600 mm，管道埋深1 600 mm，管径89 mm，壁厚6 mm。利用减震平衡器辅助传感器在管道上方采集磁场数据。根据检测结果找出腐蚀严重的点，随后开挖验证，结果见图 9。

（a）检测结果

（b）开挖验证现场

图 9  检测结果和开挖验证现场

可以明显看出，在检测段1 000 mm和2 300 mm处梯度信号突变。磁梯度变化值分别达到了500 nT 、700 nT。但是管道表面依然光滑，剖开管道后发现管道为内腐蚀，腐蚀深度占原始壁厚的74%。

5 结论

通过对弱磁检测和磁梯度张量检测原理分析，利用统计学方法，得出缺陷判断依据，磁梯度值超过阈值则判断为缺陷。并对腐蚀类缺陷进行二维成像处理，将检测结果更加直观的显示出来。

自主研发高精度埋地管道弱磁检测仪，经现场试验和开挖验证，表明对管道腐蚀有较高的检出率，可用于在役管道腐蚀检测和停运管道隐患排查。

作者：余方林，男，硕士研究生，就读于南昌航空大学教育部重点无损检测实验室，主修仪器仪表工程专业。研究方向： 埋地管道非开挖弱磁研究。