CN101358827B - 管道壁厚腐蚀检测、无损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种金属管道腐蚀检测、无损检测方法。利用瞬变电磁技术(TEM)，在不开挖、不破坏防腐层、不影响管道正常运行的情况下，对管道平均壁厚进行检测。其特征在于：其它条件相同，管壁厚度不同的金属管道在归一化的脉冲瞬变响应曲线上具有明显的时间可分性。通过对已知壁厚的标定及反演模拟的手段，得出被测管段的管壁厚度。一种金属管道腐蚀检测、无损检测的系统装置。利用金属管道管壁厚度TEM检测方法设计制作的虚拟仪器，数据采集器采用瞬变电磁仪，仪器控制、数据处理和结果表达则用计算机软件来实现。使得仪器扩展性增强、更新速度加快，可实时地进行复杂的数据处理分析。可广泛应用于石油、石化、燃气、电力、供水等行业的防腐保温管道的腐蚀检测。

Description

管道壁厚腐蚀检测、无损检测方法

技术领域：

本发明涉及金属管道平均管壁厚度的腐蚀检测、无损检测、瞬变电磁地球物理方法技术。 

背景技术：

国内外检测埋地管道管壁厚度的主要工作流程仍然是：开挖——剥去防腐(保温)层--超声测厚仪测量——包覆——回填。显然，这是一种破坏性检测方法，而且检测数据的代表性、评估结论的可靠性受开挖(抽样)点数及其分布范围的影响。同时，开挖检测的成本和对环境造成的破坏往往也是难以接受的。 

管内检测方法虽然较直观，但它不仅对管道的建设条件以及管径大小和管路平直程度有严格要求，还需要被检管道预先设置有发射——回收探头的装置并已经做过清管处理，而且也不可能做到“不影响管道正常运行作业”。因此，对于大多数已建成并且需要检测的地下管道，管内检测手段难以实施。 

1.国外针对地下管道管体腐蚀的地面检测技术 

1.1“NOPIG”技术 

德国FINO AG公司2002年发布的“NOPIG”技术是一种可在地面通过检测埋地管道金属损失率评价管道腐蚀程度的方法，该方法依据的是频率域电磁原理。 

NOPIG的意思是“非管内检测”。实际上，该方法就是在地面进行的不开挖检测手段。检测系统包括车载发射机、接收器、数据处理器三个组件。发射机连接在管体与大地之间，可以输出从低频到高频的大功率检测信号；接收器由装置在一个半圆状支架上的阵列式多路磁传感器组成，以便在不同的位置接收管道的磁场信号，然后由数据处理器算出某个频率信号激励时的“管中等效电流中心”位置。 

在高频检测条件下，由于趋肤效应，信号电流分布在管壁外表，等效电流中心基本上与管道轴心一致；在低频检测条件下，信号电流分布与管体金属分布状态有关，等效电流中心偏离管道轴心，向金属分布重心偏移。因此，可以依据高、低频检测条件下等效电流中心相对偏移情况来判断管体腐蚀缺陷的位置。NOPIG可以利用其相应的软件计算金属损失率，据称检出下限为25％，但没有检测精度或验证符合率的报道。 

该方法采用“等效电流”数学模型，理论欠严谨。由于必须使用高频信号，因此抗非目标干扰能力差，只适用于“单管”环境。检测时需要在每个测点上通过“扫频式”观测过程来确定“等效电流中心可分辨”的高、低频率值，不仅检测效率低，而且测点之间可对比性差。设备笨重，适宜于在平坦和通过性较好的地区应用。对于我国绝大多数城市、油田、工厂、矿区已建成运行的复杂分布而又欠规范的地下管网而言，适用性很差。 

2.国内针对地下管道管体腐蚀的地面检测技术 

2.1地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法 

中国地质大学刘崧教授等发明了此项地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法，在检测管道两侧垂直管道方向分别布置发射电极AB及接收电极MN，通过改变发射频率进行交流电位 差振幅和相位测量，根据相位频谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否腐蚀及腐蚀程度。 

金属管道腐蚀相当于管道截面积减小，这会使得在地面上检测的振幅频谱和相位频谱异常，幅值变小，金属管道腐蚀越严重，管道可导电截面积减少越大，振幅频谱和相位频谱异常幅值也就越小。 

本方法对管道周围环境要求较强，在两倍收发距内不应有其它金属管道，目前尚无专用仪器。适用于长输管道的检测，城市、油田管道检测不适用。 

发明内容：

目前，各种已知的非开挖管体腐蚀检测技术都存在着各种缺陷和不足，金属管道管壁厚度TEM检测方法提供了又一种非开挖管道壁厚检测的方法和途径。 

国内尚没有不通过开挖手段检测埋地管道腐蚀状况的专用检测仪器。GBH管道腐蚀智能检测仪是应用金属管道管壁厚度TEM检测方法设计制造的专用管道腐蚀检测系统装置。它是一套虚拟仪器，在地面检测评价埋地管道腐蚀状况，不影响管道正常运行，不需要开挖或剥覆防腐层即可检测管道平均管壁厚度，并可在现场对埋地管道进行实时评价，因此它是一项创新检测技术。适用于石油、石化、燃气、电力、供水等行业金属管道的检测。 

技术方案： 

管道壁厚TEM检测方法和GBH管道腐蚀智能检测仪利用TEM(瞬变电磁)手段检测评价金属管道的剩余管壁厚度，不开挖或剥覆防腐层、不与管道直接接触、不影响管道正常运行。方法的核心问题有两个：一是采用高灵敏度、高稳定性、高抗干扰能力的数据采集系统检测管道的综合物理特性所发生的微小变化，二是利用不同目标体的瞬变响应具有时间可分性的特点来识别并研究被测管段的腐蚀程度。 

在传感器发射回线中加载稳定激励电流，建立起一次磁场，瞬间断开激励电流便形成了一次磁场“关断”脉冲。此一随时间陡变的磁场在管体中激励起随时间变化的“衰变涡流”，从而在周围空间产生与一次磁场方向相同的二次“衰变磁场”，二次磁场穿过传感器接收回线中的磁通量随时间变化，在接收回线中激励起感生电动势，利用数据采集器观测到用激励电流归一化的二次磁场衰变曲线——瞬变响应。 

归一化的脉冲瞬变响应特征主要取决于被测管段金属管体的埋深、管径、壁厚、电导率、磁导率以及管内输送物质的电导率、磁导率、介电常数。除此之外，防腐层的厚度、防腐介质的介电常数和体电阻率，围土介质的电导率、磁导率、介电常数等也会对归一化的脉冲瞬变响应产生影响。金属管体与防腐层以及围土介质的电磁特性差异显著，其它条件相同，管壁厚度不同的金属管道在归一化的脉冲瞬变响应曲线上具有明显的时间可分性。在信噪比足够高的情况下，可以划分出被测管段所对应的响应时窗。在所划分出的瞬变响应时窗范围内，通过反演模拟的手段，确定瞬变时间常数，继而得出被测管段的管壁厚度。 

附图说明：

图1检测方法原理 

检测点覆盖的管段长度近似等于传感器发射回线边长与二倍管道中心埋深之和(L+2h)。 

图2：金属管道管壁厚度TEM检测方法系统装置——GBH管道腐蚀智能检测仪框图 

图3金属管道管壁厚度TEM评价方法工作流程 

图4解算方法理论模型 

图5：不同壁厚管道正演响应曲线 

图6：试验管道实测曲线 

图7试验管道管壁厚度检测结果对比 

具体实施方式：

金属管道管壁厚度TEM检测方法，其具体实施方式是按下列步骤进行： 

1)工作前的准备：使用管道定位及其相关方法，确定管道地表中心位置，中心埋深，确定两倍中心埋深范围内无其它金属管道以及三通、拐点等特征点；根据现场情况确定检测基本点距，传感器大小；对于已知的管道异常点段(例如防腐层破损点)，确定其地表中心位置，列为检测点； 

2)传感器水平放置在管道中心正上方，检测段长度如图1所示，近似等于传感器发射回线边长与二倍管道中心埋深之和(L+2h)。使用电缆连接发射回线与数据采集器发射端、接收回线与数据采集器接收端； 

3)打开数据采集器发射机、接收机、控制用计算机，进行通讯连接。以下各步骤如图2； 

4)设置管道参数、传感器参数、发射频率，调整发射电流； 

5)数据采集，保存。为保证数据的可靠性，每一测点应重复检测三次； 

6)进行下一测点的数据采集； 

7)所测测点应有至少一处做为已知点开挖检测，使用超声测厚仪，确定管道壁厚。 

8)如图3，对所测数据整理，抑制干扰，以已知点为标定点，设置管道参数，选择评价参量，通过反演模拟的手段，确定瞬变时间常数，继而得出被测管段各检测点的平均管壁厚度。 

9)对于在检测中发现的异常点段，在异常点两侧及异常点处加密观测，直至确定异常。 

GBH管道腐蚀智能检测仪是一种利用金属管道管壁厚度TEM检测方法设计制作的虚拟仪器，包括三个部分：传感器、数据采集器、控制单元。 

1)传感器是可拆、装的正方形空心回线，可组合成共框发-收形式或框内回线形式。 

2)数据采集器采用瞬变电磁仪，瞬变电磁仪除基本的收、发功能外，如图2所示，还具有无线控制接口，可通过此接口无线控制数据采集器的发射频率、叠加次数、发射延时、接收延时、发射电流。 

3)控制单元包括仪器控制、数据处理和结果表达三方面的内容，均用电脑软件来实现。 

通过此种方式组成的虚拟仪器-GBH管道腐蚀智能检测仪具有更强的扩展性能，更快的更新速度，实时地进行复杂的数据处理分析，得出检测结果。 

实施例1： 

为了说明金属管道管壁厚度TEM方法的可行性，首先导出谐变场中圆环柱体电磁响应的表达式。如图4如示，圆环柱体外半径为a，壁厚d，中心深度h，柱中、柱内的电磁参数分别为σ_G、μ_G，σ_J、μ_J。 

当发射回线通一瞬变脉冲方波信号时，接收回线中激起的归一化电动势可以用下列数学 式表达： 

$\frac{U\left(t\right)}{I}=\frac{8{\mathrm{\μ}}_D}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{a}{h}\right)}^2\·\frac{l_T{n}_T}{(1+\frac{l_T^2}{h^2})(2+\frac{l_T^2}{h^2})h}\·\frac{l_R{n}_R}{(1+\frac{l_R^2}{h^2})(2+\frac{l_R^2}{h^2})h}\·L\left(\mathrm{\αt}\right)\·\·\·\left(1\right)$

$L\left(\mathrm{\αt}\right)=4\mathrm{\α}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-{\left(n_{k}a\right)}^2\mathrm{\αt}}\·\·\·\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_D{\mathrm{\σ}}_D\·a^2}\·\·\·\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_D={\mathrm{\σ}}_G-\frac{{(a-d)}^2}{a^2}({\mathrm{\σ}}_G-{\mathrm{\σ}}_J)\·\·\·\left(4\right)$

${\mathrm{\μ}}_D=\frac{1+\mathrm{\κ}}{1-\mathrm{\κ}}\·\·\·\left(5\right)$

$\mathrm{\κ}=\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_G-{\mathrm{\μ}}_J}{{\mathrm{\μ}}_G+{\mathrm{\μ}}_J}\right)\·\frac{(1-\frac{{(a-d)}^2}{a^2})({\mathrm{\μ}}_G+{\mathrm{\μ}}_J)}{({\mathrm{\μ}}_G+{\mathrm{\μ}}_J)-\frac{{(a-d)}^2}{a^2}({\mathrm{\μ}}_G-{\mathrm{\μ}}_J)}\·\·\·\left(6\right)$

其中： 

U——接收信号电压 

I——发射电流 

a——管道外半径 

d——管壁厚度 

h——管道中心埋深 

l_T——发射回线边长 

n_T——发射回线匝数 

l_R——接收回线边长 

n_R——接收回线匝数 

σ_D——管道等效电导率 

μ_D——管道等效磁导率 

σ_G——管体电导率 

μ_G——管体磁导率 

σ_J——管内介质电导率 

μ_J——管内介质磁导率 

图5是根据以上表达式解算的结果。 

图5中的模拟结果是在管外直径325mm，埋深1.5m，管材电导率＝4.46E+06每欧姆米，管内介质电导率＝0每欧姆米，管材相对磁导率＝150，管内介质相对磁导率＝1，发射线圈边长＝1.5米，发射线圈匝数＝30圈，发射电流强度＝2安培，接收线圈边长＝0.5米，接收线圈匝数＝50圈的情况下，管壁厚度分别为7mm、8mm、10mm时计算得到的。由图5可知，随着观测延时的增大，管壁厚度d对观测结果的影响表现为响应曲线斜率的显著变化。在其它参数相同的情况下，该斜率与管道壁厚存在一一对应的关系。 

实施例2： 

为了更好地说明管道壁厚TEM检测方法和GBH管道腐蚀智能检测仪的实际应用效果，提供以下实施例，采油厂联合站内地面试验管道Φ219×7mm，螺纹钢管，检测段20m。按以下步骤检测： 

1)检测前准备：根据现场情况，确定检测点距1米，传感器大小0.5米，线圈匝数50匝。测点处做好记号； 

2)传感器水平放置在管道中心正上方，使用电缆连接发射回线与数据采集器发射端、接收回线与数据采集器接收端； 

3)打开数据采集器发射机、接收机、控制用计算机，进行通讯连接； 

4)设置管道参数、传感器参数、发射频率为4Hz，调整发射电流1A； 

5)数据采集，保存。为保证数据的可靠性，每一测点重复检测三次； 

6)进行下一测点的数据采集； 

7)所有测点均使用超声测厚仪，确定管道壁厚； 

8)对所测数据整理，压制干扰，以其中一点为标定点，设置管道参数，选择评价参量，通过反演模拟的手段，确定瞬变时间常数，继而得出被测管段各检测点的平均管壁厚度。 

图6是检测段10号点、17号点的检测曲线对比图，从图中也可清晰地反应出壁厚变化对检测的影响。所测管段检测结果如图7所示，与超声检测结果对比，效果良好。 

Claims (2)

1.一种金属管道腐蚀检测、无损检测方法，在传感器发射回线中加载稳定激励电流，建立起一次磁场，瞬间断开激励电流形成一次磁场“关断”脉冲；此一随时间陡变的磁场在管体中激励起随时间变化的“衰变涡流”，从而在周围空间产生与一次磁场方向相同的二次“衰变磁场”，接收回线中激励起二次“衰变磁场”产生的感生电动势，利用数据采集器观测到用激励电流归一化的二次磁场衰变曲线——瞬变响应；归一化的脉冲瞬变响应特征主要取决于被测管段金属管体与防腐层以及围土介质的电磁特性，金属管体与防腐层以及围土介质的电磁特性差异显著，其它条件相同，管壁厚度不同的金属管道在归一化的脉冲瞬变响应曲线上具有明显的时间可分性；在信噪比足够高的情况下，可以划分出被测管段所对应的响应时窗；在所划分出的瞬变响应时窗范围内，通过对已知壁厚的标定及反演模拟的手段，得出被测管段的管壁厚度；其特征在于：按下列步骤进行：

1)工作前的准备：使用管道定位方法，确定管道地表中心位置，中心埋深，确定两倍中心埋深范围内无其它金属管道以及三通、拐点特征点；根据现场情况确定检测基本点距，传感器大小；

2)传感器水平放置在管道中心正上方，检测段长度近似等于传感器发射回线边长与二倍管道中心埋深之和；使用电缆连接发射回线与数据采集器发射端、接收回线与数据采集器接收端；向发射回线发射瞬变脉冲信号，接收回线接收管体的瞬变电磁衰减信号；

3)打开数据采集器发射机、接收机、控制用计算机，进行通讯连接；

4)设置管道参数、传感器参数、发射频率，调整发射电流；

5)数据采集，保存；为保证数据的可靠性，每一测点应重复检测三次；

6)进行下一测点的数据采集；

7)所测测点应有至少一处做为已知点开挖检测，使用超声测厚仪，确定管道壁厚；

8)以已知点为标定点，设置管道参数，输入所测管段原始壁厚、原始管径、管道材质，划分被测管段所对应的响应时窗，通过反演模拟的手段，确定瞬变时间常数，继而得出被测管段各检测点处的平均管壁厚度；

9)对于在检测中发现的异常点段，在异常点两侧及异常点处加密观测，直至确定异常。

2.根据权利要求1所述的金属管道腐蚀检测、无损检测方法，其特征在于：检测管径100～2000mm；检测埋深0～2.0m；检测壁厚4～30mm。 

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