石油用管壁厚全覆盖监测方法的研究

何箭（合肥中大检测技术有限公司，安徽合肥　230088）



石油用管壁厚全覆盖监测方法的研究

何箭
（合肥中大检测技术有限公司，安徽合肥230088）

摘要：石油用管一般由铁磁性材料轧制形成。管道壁厚受到油、气、水的腐蚀作用会发生壁厚变薄，严重的会受压破裂泄漏，造成安全事故。国际上常用射线测厚和超声测厚两大常规方法，不能满足对管道全面覆盖监测。本文研究一种对石油用管全覆盖的壁厚监测方法。该方法利用管道的磁屏蔽效益，对石油用管外施稳恒磁场充分磁化，由于壁厚损失区对壁内磁场的排斥作用，将一部分磁场排挤到管道外表面，利用大量磁敏元件覆盖管道圆周，拾取被排挤到管道外表面的壁厚损失磁场，转化为壁厚的损失图形，达到全覆盖监测石油用管壁厚的目的。

关键词：石油用管；壁厚损失；稳恒磁场；全覆盖；壁厚监测

石油用管一般由铁磁性材料轧制成，承载高压油气的采集和运输。管道壁厚受到油、气、水的腐蚀作用会发生变薄的现象，过度壁厚变薄可能使管道承受不了高压作用而造成破裂泄漏，甚至引发严重的安全事故。对这些石油用管进行定期壁厚全覆盖监测有非常重要意义。目前，国际上通常采用的是射线和超声测厚两大常规方法。射线测厚是将射线束聚焦后再穿过管道，在感光胶片或显示器上形成图像，再对图像分析，确定壁厚变化情况[1]。该方法要求严密防护射线对人体的伤害，同时也只能进行局部测厚；超声测厚也是将超声束聚焦，通过油、水介质耦合到管道壁上进行测厚[2]。介质的耦合性能对检测结果影响很大，也只能对局部区域进行测厚。本文研究一种石油用管全覆盖壁厚监测方法。该方法利用管道的磁屏蔽效益，对铁磁性石油用管外施稳恒磁场，进行充分磁化，由于管道壁厚损失区对磁场的排斥作用，一部分磁场被排斥到管道外表面空间。利用磁敏探头检测管道外表面空间磁场的变化，并转换成电信号，经过信号分析和专用软件图形显示管道壁厚的变化情况和等级，达到全覆盖监测石油用管壁厚的目的。

1　石油用管壁厚电磁法检测原理

1.1石油用管对稳恒磁场的屏蔽效应

如果铁磁性管道材料介质的磁导率为μ1，管道内外空间介质的磁导率为μ2，由于（μ2＜μ1），铁磁性石油用管外施稳恒磁场（见图1），长直的管道在受到外施局部磁场充分磁化。

外磁场进入管道时，磁场强烈汇聚在管道壁内，而铁磁性管道所包围的管道内壁空腔内多是空气、油、水和化学材料等物质，其磁导率比管道的磁导率小得多，因而几乎无磁感应线通过管道内腔[3-5]。这表明石油用管铁磁性物质对它所包围的内壁空腔起到磁场屏蔽作用。

图1　铁磁性管道壁厚电磁法监测原理

1.2石油用管壁厚电磁法监测原理

根据管道对稳恒磁场的屏蔽效应，对管道施加轴向磁化场至充分饱和程度，磁场主要分布在管道壁内和管道外壁表面空间，而管道内腔几乎没有磁场通过。在管道外壁设置大量磁敏传感器组成的阵列，他们闭合时构成完整的检测圆环，能够检测管道外壁空间磁场的分布和变化情况。当管道壁厚正常的部分进入磁化区，管道外表面空间的磁场恒定，磁敏探头检测该恒定磁场，并显示正常管道壁厚图形数据；当管道的壁厚变薄区域进入磁化区，管壁内部分磁力线被排斥到管道外表面空间，在管道外表面空间形成磁场增量[6，7]，磁敏探头检测磁场增量并转换成电信号，经过信号分析和专用软件界面图形来显示管道壁厚的变薄情况和等级。当管道的壁厚增厚区域进入磁化区，外壁空间部分磁力线被汇聚到管道壁内，在管道外表面空间形成磁场减量[8，9]。探头检测磁场减量并转换成相应的电信号，监测管道壁厚的增加情况。

2　石油用管壁厚监测方法

2.1阵列化磁敏探头的组成

管道壁厚监测由阵列化磁敏传感器构成的探头以及探头对管道的外壁空间的分布情况（见图2）。

每一个通道的磁敏传感器长度约2.5 mm，由大量的单通道磁敏传感器精密排列，组成阵列化壁厚检测探头。至少由四组探头共同实现对管壁外圆的360°全覆盖。四组探头构成环状，分别处于管道圆周的第一、第二、第三和第四象限，当他们合拢时，各自覆盖90°的空间位置。

2.2待检测状态

当管道没有到达或者离开壁厚检测的磁化区间时，图2中的四组探头在定位机构的作用下张开，处于等待状态，避免管道端头或接箍撞击探头。此间，磁化器发出的磁通在线圈的中心沿纵轴和线圈的外侧分布，所有的霍尔阵列处于关闭截止阶段，无信号输出。

图2　管道壁厚全覆盖监测方法

2.3检测状态

当管道进入检测的磁化区间内，大量磁力线将汇聚在管道壁内。四组探头在定位机构的作用下贴合管道外壁，处于检测状态。若有管道壁超厚的部分进入磁化区，处于外壁空间的磁力线汇集到管道壁内，从而在探头处形成-ΔB，探头反相输出＋ΔV电平。

相反的，若有管道壁超薄的部分进入磁化区，管道壁内部分磁力线被排斥到外壁空间，从而在探头处形成+ΔB，探头反相输出-ΔV电平。

随着管道壁厚的增厚或变薄程度的变化，探头输出的电平也相应线性地变化。

同理，对于管道壁均匀区域，管道外壁空间磁场稳恒不变，探头输出恒定。

3　石油用管壁厚监测系统

石油用管壁厚监测系统一般由恒流源磁化装置、阵列化磁敏探头、管道全覆盖扫查装置、信号处理装置、显示和记录装置等组成。

恒流源磁化装置为磁化器提供稳恒励磁电流，经过调整确定后的稳恒励磁电流能将通过磁化区的管道充分磁化。

阵列化磁敏探头将大量磁敏传感器按管道外表面弧度密集排列，形成阵列化的壁厚检测探头。将多只探头排列构成能覆盖全部圆周的探头组。

管道全覆盖扫查装置，使管道按一定的速度通过磁化器接受稳恒磁场磁化，同时保证探头贴合在管道全部外圆表面，扫查管道外表面的磁场变化，并转化成壁厚信号。

信号处理装置，大量磁敏传感器输出信号经过预处理后，采用时总线的方式将多路信号送到信号处理装置，经过运算、比较后形成数字化的壁厚数据。

显示和记录装置，用图形方式显示每只管道被监测的全部过程，显示管道的壁厚变化并及时记录，建档备查。监测图形中有对比试样形成的报警线，当被监测管道全长壁厚没有越过报警线为合格；当管道任意一处壁厚变化超过报警线，为不合格；监测图形还包括管道的参数、钢号、炉号、监测时间、操作人员、执行标准等内容。

4　试验与使用情况

本监测方法形成的石油用管壁厚电磁监测系统2014年10月开始应用在胜利油田高原石油装备有限公司，现场分别采用外径73 mm、139.7 mm、177.8 mm，壁厚分别为5.51 mm、9.17 mm、9.19 mm的试样，各进行25次验收试验。

验收试验说明壁厚损失为管道标称壁厚12 %的试样都检测出来，并触碰了报警线。

其后，通过1年的正式运行监测，说明该壁厚监测系统满足对大批量石油用管检测可靠的壁厚监测，满足美国石油学会API规范相关要求。

在鞍钢无缝钢管厂和淄博孚瑞特石油装备有限公司的推广应用做了同样证实。

5　石油用管壁厚检测方法对比与总结

将国际上常用的两大管道壁厚检测方法进行对照（见表1）。

表1　各种管道壁厚检测方法性能对照

本文研究了利用管道的磁屏蔽效益，对铁磁性石油用管充分磁化，根据管道壁厚损失区将一部分磁场排挤到管道外表面的程度，利用大量磁敏覆盖管道圆周，检测管道外表面磁场变化量，转化为管道壁厚变化

图形，实现全覆盖监测石油用管壁厚方法。在铁磁性石油用管壁厚检测的各种方法中，本方法具有检测速度快、覆盖率高、漏检率小、稳定可靠等优势。

多家大型管道轧制和加工企业的长期应用实践也证实了上述结论。

参考文献：

［1］张晓春.X射线测厚仪在热轧板带中的应用［J］.自动化仪表，2014，35（2）：88-91.

［2］朱君君，李绪丰.高维那工业管道超声测厚系统［J］.无损检测，2013，（6）：57-59.

［3］程守洙，江之永.普通物理学［M］.北京：人民教育出版社，1982.

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［6］Forster F.Theorestische und Experimentelle Ergebnisse des Magnetischen Streuflussver fahrens［J］.Materialprufung，1981，23（9）：371-378.

［7］何辅云，丁克勤.钢管漏磁检测技术与系统［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［8］徐志远.带包覆层管道壁厚减薄脉冲涡流检测理论与方法［D］.华中科技大学，2012.

［9］黄琛.铁磁性构件脉冲涡流测厚理论与仪器［D］.华中科技大学，2011.

Research on a full-lengthily wall-thickness testing method of tubes used in oil industry

HE Jian
（Hefei Zhongda Inspection Technology Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230088，China）

Abstract :Tubes used in oil industry are made of ferromagnetic material.The tube wall thickness may be reduced due to the corrosion of oil,gasoline and biohazard.The wall-thickness loss area would be cracked and leaked under the pressure to cause safety accident.The two common methods of testing wall-thickness are x-ray and ultrasonic.However,neither of the methods can test the tube wall-thickness full-lengthily.In this paper a new method is proposed to achieve full-lengthily test of tube wall thickness.When a ferromagnetic pipe is saturated in an external constant magnetic field,magnetic shielding will be formed on the tube.If wall-thickness loss area exists on the tube,there will be magnetic flux leakage.Arrange an array of magnetic sensors to cover the circumference of the pipe.Move the magnetic sensors array from one end of the tube to the other to pick up the magnetic flux leakage signal.The MFL signal will be displayed graphically on a computer monitor.The goal of fulllengthily testing pipe wall thickness is achieved.

Key words：tubes used in oil industry；wall-thickness loss；constant magnetic field；fulllengthily test；wall-thickness test

作者简介：何箭，女（1980-），副研究员，博士。

基金项目：国家重点新产品，项目编号：2014GRC30036。

*收稿日期：2016－01-12

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.007

中图分类号：TE988.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）03-0026-04