浅谈应用超声波探伤无损检测提高焊接质量
浏览量：388次发布时间：2024年08月06日
我国油气管道建设稳步推进，长输管道总里程达11.7万公里，其中，原油管道总里程超过2.8万公里；成品油管道、天然气管道总长分别超过2.2万公里、6.7万公里。为避免事故发生，通过在线内检测，可检测、量化和定位腐蚀、机械损伤、制造缺陷、应力集中及几何变形等，可检测管道特征，若聚焦于金属损失检测，漏磁检测优于其它内检测手段。 1965年，Tuboscope 推出了第一代漏磁内检测设备。目前，漏磁检测被广泛应用且是最有效的油气管道内检测技术。漏磁内检测器在管道内部介质推动下在管道运行。磁体布置接近管壁，管壁是磁力线优选路线，部分磁力线通过管道介质耦合场传播，如图1。缺陷处耦合场发生变化，采用传感器感应信号并记录，依据信号识别缺陷几何尺寸，或识别管道特征及其它异常。 图1 油气管道漏磁内检测原理图 1 油气管道漏磁内检测目标 1.1油气管道漏磁内检测能力 漏磁检测并不能检测所有类型的异常，但可检出管道金属损失，如：腐蚀、机械损伤等，可有限检测制造缺陷或几何变形，其检测能力如表1。 表1管道漏磁内检测能力 利用漏磁检测主要是发现由腐蚀或机械损伤导致的金属损失。其中，机械划伤指由机械力去除了管道表面局部金属，在划伤区域剩余金属往往被冷作硬化，导致其电磁特性改变。 漏磁检测可检测部分制造缺陷，如：硬点、分层、夹杂、裂片等各类缺陷。 漏磁内检测在特定的条件下可部分检测裂纹，即方向很大程度上影响了励磁场。 1.2管道漏磁内检测阈值和精度目标 检测阈值及量化精度目标：检测和量化目标必须与管道维护策略结合起来，部分检测聚焦缺陷的位置以及继续增长的缺陷；部分检测聚焦危害管道完整性的缺陷。第一类需求，一般要求可检测5%t（t为实际壁厚）以上的金属损失。第二类需求，可以从图2曲线估算出来检测设备的最小阈值。漏磁检测可检测分割线以下的缺陷且具有较高的量化精度，该设备满足要求。 图2 金属损失失效评估图 关于检测和识别精度，完整性管理标准要求检测精度为+/-10%t~20%t不等，美国西南研究院实验室研究得出：结合励磁强度、检测速度等变量，采用统计分析的识别精度，如表2所示。 表2 基于统计分析的识别精度 误判和漏检的目标：误判是指对异常的不正确分类，可通过核实管道特征识别与人工数据分析减少。数据分析误判主要是缺陷信号幅值较小，实际缺陷较大，如：坑状金属损失或周向凹沟等，误判也可能是将缺陷误判为管道特征，主要原因是管道周围金属物和套管偏心等。 理论上，检测概率是由信号幅值与背景噪音幅值比值决定。如果漏磁场远高于噪音和背景磁场水平，检测概率应该是100%。在噪音或背景磁场水平附近，检测概率将急剧下降。实际上检测过程中存在漏检，主要是数据分析错误以或检测盲区导致。在盲区方面，主要由高速，机械、传感器或采集系统故障等导致。部分检测机构定义了检测仪器的可接受速度范围：高于5m/s时，涡流效应导致磁化水平较低化。盲区也可能是有管内杂质导致的传感器和与管壁提离，管道特征也会导致盲区：焊缝附近和套管内的检测盲区等。 定位精度的目标：定位重要性体现在对缺陷的区域维护和精确检测成本的高低。定位缺陷精度为：距离最近的参考点误差为±0.1%定标点的距离。里程定位精度依赖于里程记录系统和定位参考点的精度。准确的管线路由图包含阀门、分支和其他特征的位置，可提高定位精度。 1.3 管道漏磁内检测检测组成 油气管道内检测是多学科技术的集成，将独立单元合并为若干相关系统，由两个或多个由柔性连接器连接，或者单独一节，图3为典型多功能漏磁内检仪。 弯头限制了检测器的长度或者单节的长度，较长的设备很难通过急弯。分节组成的检测仪常用在小口径管道上，也常用在有急弯的大口径管道上。 图3 多功能油气管道漏磁内检测系统 驱动系统：介质施加压力在驱动皮碗上，推动检测器前行，具体的推力与驱动皮碗参数、检测器重量、磁场强度和管道特征等相关（如：弯头、阀门、内表面状态等）。试验测得优化的12寸中压燃气管道内检测器推动压差为0.1MPa左右。输气管道中内检测器较大的速度波动是由绝对压力较小或者遇到变壁厚引起。 驱动皮碗一般在检测器前端，其它皮碗或支撑轮确保检测器部件与管道同心。非驱动皮碗或本体结构增加介质旁通通道，采用支撑轮支撑检测设备，不需要设计过流孔，支撑轮需要的牵引力小于皮碗所需。 磁化系统：永磁体或电池供电的电磁体都可被用作磁化管道，磁化器表面安装钢刷或金属板，与管壁紧密接触并把磁场传播到管壁。漏磁内检测器磁路结构可磁化一段管壁，各个磁路共同覆盖环向。工程上常见的是永磁磁化结构，永磁磁化系统包含磁铁、磁轭、钢刷与管壁接触。 图4 管道漏磁内检测器永磁励磁结构 传感系统：传感系统响应耦合磁场信号，耦合磁场的变化表示了可能存在缺陷。传感系统位于磁路的两极中间，将漏磁场信号转换成为电信号。传感系统由传感器、支撑传感的部件、耐磨片、以及传感器与电子系统连接件组成。 图5 漏磁内检测器传感器与管壁布置图 数据采集与存储系统：数据采集和存储系统处理并存储传感器信号，系统包含模拟和数字部分。在检测过程中产生的数据量较大，具体的量由传感器的数量、采样间距、行走里程决定。 供电系统：漏磁检测器使用电池给传感器、数据采集和存储系统供电，电池容量决定每次检测的最大里程。供电系统要满足抗击冲击和振动，结构尺寸限制的需求。 里程系统：里程记录用以计算特征点及金属损失与起始点的距离，或与定位参考点的距离。内检测里程系统在不断复杂化，最简单的系统是里程轮每走一个采样间隔，向采集系统发送一个脉冲。里程系统设计解决防滑及采用三个里程轮优选的策略。 环向定位测量系统：设备包含一个摆锤式环向定位测量系统，用来定位缺陷在管道的环向位置。 速度控制系统：速度变化对检测结果的影响较大。检测机构提供了速度控制系统，部分介质通过检测器，实现检测器匀速运行。 振动和冲击悬置系统：检测器包含隔离电子和电池系统振动和冲击悬置系统。 2 油气管道漏磁内检测关键因素 影响漏磁检测精度的主要因素：励磁强度、缺陷漏磁场、检测传感器、数据采集与数据分析技术。 2.1 管道漏磁内检测磁化强度 磁化系统给管壁施加励磁磁场，异常处产生响应即产生耦合漏磁场，磁化系统励磁强度需要足够强，以在缺陷处产生可测量的漏磁场。漏磁检测最大的影响因素是励磁强度，较高的检测和量化精度需要励磁强度高且较为均匀。 图6 20#钢磁场强度与磁导率关系图 在漏磁检测中，对于20#钢，磁导率曲线峰值出现在磁场强度为12奥斯特，即12奥斯特以上的磁场强度，随着磁场强度增加磁导率下降。当磁场强度达到40奥斯特时，磁场强度的增加引起磁磁感应强度少量增加。经典的磁饱和出现在磁畴对齐并且磁导率与空气一致。对于管线钢，该点出现在非常高的励磁水平（高于1000奥斯特），漏磁内检测难以实现，检测机构励磁强度一般达到400奥斯特左右。 图7 特定材料在不同励磁强度下的漏磁场 图7所示，金属损失区域中心线上磁感应强度切向分量。 深50%t，40mm长和50mm宽，壁厚7mm。磁感应强分别为6、12、16、18千高斯，6千高斯低磁化水平，其他为中磁化水平。检测的信号包括：背景基信号和缺陷漏磁场信号。磁感应强度为18千高斯时，其背景信号幅值为320高斯。施加高于饱和磁化强度将产生较强的漏磁信号，可提高金属损失检出率。 2.2 管道漏磁内检测缺陷漏磁场 缺陷漏磁场并不与缺陷形状一一对应，同样的漏磁场他们形状未必相同。主要受缺陷的几何尺寸和位置等影响，例如内壁或外壁。如圆形缺陷，漏磁场在环向扩展使得漏磁场为椭圆形而非圆形。磁通量在管道中通过的倾向，使得磁通量在环向传播，即漏磁场在环向扩展，这种效应叫蝴蝶效应，磁力线在经过缺陷时路径变大，对于缺陷来说宽度达到正常壁厚的数倍。 影响缺陷漏磁场的主要参数以下：深度、长度、宽度、锥度、平面形状及应力和形变等。 2.3 管道漏磁内检测漏磁场测量 2.3.1 管道漏磁检测传感器类型 漏磁检测基于传感系统检测漏磁信号，测量系统将漏磁信号转换为电信号。传感系统滤波和平滑真实磁场，并且包含噪音，检测磁场与真实磁场并不完全一致。 漏磁检测器一般使用两种传感器：霍尔元件和线圈，线圈测量磁场的变化率，霍尔元件测量实际磁场强度。以前线圈被用作不需要的电源的漏磁系统，目前霍尔效应的传感器被广泛使用，线圈依据电磁场变化而响应，线圈输出量是关于速度的模型，但其常数部分丢失，即背景磁场无法被检测。霍尔效应传感器，直接将磁场水平转化为输出电压，需操作电源。 2.3.2 管道漏磁检测传感器方向 磁场是三维矢量，单个传感器仅测一个矢量，目前常用的三轴高清传感器，即按照三个方向布置传感器，被测量的三个方向包括，轴向、径向和环向。每一个方向的检测参量所包含的信息被用来估算缺陷的几何参数，其中径向和轴向是常被测量的，环向很少被测量，其漏磁水平很低，信号很难解析。 2.3.3 管道漏磁检测传感器尺寸 使用窄的传感器提高系统精度，更有利提供更多信号分析金属损失区域。当传感器宽度接近于或大于缺陷宽度，漏磁信号的真实值无法准确被检测到。精确量化缺陷和壁厚，特别是在管道环向大面积的缺陷，需传感器阵列布置在管道环向。 2.3.4 管道漏磁内检测提离 磁化器和传感器与钢管之间的间距影响检测结果，提离值是由内部杂质/斑点，厚度在2mm以上，提离值影响磁力水平或信号形状。 2.4 管道漏磁内检测数据采集与显示 漏磁检测设备在轴向和周向以固定的间隔记录漏磁信号，环向间隔是由传感器的数量决定。12寸三轴高清检测器拥有300多个传感器，传感器周向间距小于4mm。 轴向采集间隔，一般在2mm以内。在一次漏磁检测工程中数据量：传感器数量×检测距离/采样间隔。以12寸检测器为例，若是12位AD采集，检测100公里需要25G以上的存储空间。 漏磁检测数据必须以一定方式显示，可快速检索和识别缺陷和管道特征（焊缝、分支、阀门等）。 2.5 管道漏磁内检测数据分析 数据分析是指依据=漏磁信号，估算缺陷几何形状和缺陷深度的过程。漏磁检测数据分析技术和准确度依赖于检测器检测能力与局限性以及缺陷量化方法。 缺陷漏磁场信号和缺陷几何尺寸之间关系较为复杂。现有多种缺陷尺寸量化方法，包括模板匹配、数学统计和神经网络。最常用的切线量化方法是数学统计法，结合缺陷信号特征、缺陷的宽度和长度、背景磁场水平、检测器速度、励磁水平等，开发缺陷几何尺寸计算模型，如下表，美国西南研究院结合上述因素，开发了基于统计分析并结合变量补偿的缺陷识别模型，最终在实验室验证了其识别精度，如表3所示。 表3 美国西南研究院基于统计分析的缺陷识别精度 3 油气管道内检测发展趋势 随着检测机构对电磁检测激励和相应的深入研究，充分利用新型传感、采集、存储等现代电子技术，基于先进数据处理方法和大量检测案例库，未来的内检测向着检测目标多样化发展，即金属损失、机械损伤、裂纹、防腐层和阴保一体化检测技术；检测和识别精度向着精细化方向发展，即识别阈值达到5%，深度识别精度+/-10%以内，精确识别腐蚀、机械划伤、制造缺陷、裂纹类型和几何尺寸，专业化识别防腐层破损点和阴保电流等。 作者：陈金忠（1981~），男，博士，高级工程师，中国特种设备检测研究院，国家质检总局油气管道工程技术研究中心，从事油气管道电磁无损检测及管道内检测技术研究与工程应用工作，担任2017年国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用”材料损伤电磁无损检测与评估关键技术研究及仪器研制项目负责人。
