CN102954998A - 一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法。涉及测量磁变量和管道系统技术领域。它是采用一个静止放置的多频率成分电流源和一个可沿管线走向移动的磁场测量模块的测试装置，对管道通以含多种频率的谐波交流电，并由此激发能在地面的管道上方测量的磁场；测量、记录并分析所施加电流的频谱；记录并分析管道上方测得的磁场；计算同一频率对应的电流强度和磁场强度的比值，并作为是否存在缺陷的依据；所述磁场测量模块包括电流表、磁场测量传感器、频谱分析仪和评价对比模块。本发明检测钢质管道壁厚异常变化的准确率高，且较为简便实用。
Description
技术领域
本发明是一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法。涉及测量磁变量和管道系统技术领域。
背景技术
由于内外因素的影响，管道在长期服役过程中会发生腐蚀，壁厚减薄，容易导致泄露事故造成对人员的伤害和对环境的破坏。应对这一情况的办法是，对管道实施定期检测，提前预知由于壁厚减薄易失效部位，采取措施避免事故发生。当然，管道检测方法主要有：(i)内检测；(ii)外检测。内检测技术通过收发球，完成对管道的检测，主要有基于漏磁、超声原理这两种办法。由于该方法不能适应异径管道、急转弯管道等情况，它仅适用于干线管道的检测。外检测方法包括超声导波检测和金属磁记忆检测方法。超声导波有他的使用范围，它适用于输油气站场工艺管道检测，不适用于大量的支线埋地管道检测。基于金属磁记忆原理的检测方法由于受到地磁信号和环境噪声干扰的影响，系统检测准确率不高。
CN1479092A公开了一种检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法，根据相位频谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度。但该方法测量的精确度不够高。
发明内容
本发明的目的是发明一种准确率高的钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法。
本发明是一种识别钢制管道壁厚异常变化的非接触式检测方法。它适用于油气储运行业急需的非开挖埋地管道的管体缺陷检测。其技术方案是：采用一个静止放置的多频率成分电流源和一个可沿管线走向移动的磁场测量模块的测试装置，对管道通以含多种频率的谐波交流电，并由此激发能在地面的管道上方测量的磁场。测量、记录并分析所施加电流的频谱。记录并分析管道上方测得的磁场。计算同一频率对应的电流强度和磁场强度的比值，并作为是否存在缺陷的依据。
测试过程中，磁场测量传感器沿管道X方向测量，与此同时，记录测试电流I值。经过谱分析，每一个谐波分量对应的比值Bt/I都可以获得；其中Bt为磁通密度的切向分量；I为测试电流值。如果频响Bt/I是扁平的，则说明无缺陷，否则说明有缺陷。分析频响Bt/I的特征可以进一步确定缺陷类型。如果频响Bt/I呈平滑凹陷曲线，则说明该区域对应连续金属损失缺陷，比如凹坑；而如果频响Bt/I呈锯齿状凹陷曲线，则说明该区域对应不连续金属损失缺陷，比如大面积点腐蚀。
所述施加的多频率谐波电流的频率范围是这样确定的，最低频率对应的趋肤效应深度最小不低于管道壁厚，最高频率对应的趋肤效应深度最大不超过管道的剩余壁厚；在管道上没有缺陷的情况下，同一频率对应的电流强度和磁场强度的比值是相同的，不具有频率相关性；在管道上存在缺陷时，这个比值是不相同的，具有频率相关性，并且该相关曲线也是可以确定的；正是基于这个原理，我们可以确定缺陷是否存在。
测试装置的构成如图7所示，包括两部分：一个静止放置的多频率成分电流源和一个可沿管线走向移动的磁场测量模块。磁场测量模块包括电流表、磁场测量传感器、频谱分析仪和评价对比模块。
电流源一极接管道一端，管道的另一端串接电流表至电流源的另一极；电流表输出经频谱分析仪接到评价对比模块；磁场测量传感器输出经频谱分析仪后接评价对比模块。
本发明检测钢质管道壁厚异常变化的准确率高，且较为简便实用。
附图说明
图1不存在缺陷的管道截面和通入电流后激发的磁力线示意图
图2存在缺陷的管道截面和通入同样电流后激发的磁力线示意图
图3为图1中两种情况下沿Z轴的切向磁场分量的变化情况图
图4为图1中两种情况下切向磁场分量和电流比值的频率相关曲线
图5通入电流的时域曲线的示意图
图6通入管道电流的频谱示意图
图7测试装置的系统原理框图
其中1-磁力线I 2-磁力线II
3-磁力线III 4-测量点
5-曲线I 6-曲线II
7-点I 8-点II
9-点III 10-曲线III
11-曲线IV 12-曲线V
13-谱线
具体实施方式
实施例.以本例及附图来说明本发明的具体实施方式并对本发明作进一步的说明。
本例是一具体对钢质管道壁厚异常变化的非接触检测的试验方法。缺陷检测时，对管道通以多频率交变谐波电流，电流在管壁内沿管道轴线流动。图1和图2所示为有无缺陷情况下的管道横截面。在图1和图2中，磁力线代表了交变磁场。图1所示为管道无缺陷时的多频率成分谐波中的一个频率对应的情形。图2为同样频率下有缺陷时的情形。无缺陷时，磁力线是一组同心圆并且与频率无关。而有缺陷时，磁力线不在是一组同心圆，而是对应各种频率成分产生的偏移，偏移情况与缺陷的几何参数和管道的物理属性磁导率μ、电导率α以及频率有关。这种带有频率相关性的磁场变形可以从两方面来分析：趋肤效应和杂散磁通。对管道通以交变谐波电流时，由于趋肤效应，电流密度沿径向的分布跟频率有关。高频谐波电流倾向于分布在管道外表面沿轴向传播。在这里我们用一个特征参数来定义这种现象，趋肤深度δ，它是电流密度降低e＝2.72倍时从管道外壁沿径向向内的深度：
δ＝2/μμ0(σω)1/2
此处μ0为真空磁导率，ω＝2πf为角频率。杂散磁通发生在非自由曲面几何形状的位置，而且磁阻变大。在管道上有缺陷的位置，由于杂散磁通导致磁力线不再是同心圆而是发生变形。图1和图2中的1，2，3代表三条磁力线。磁力线1值是一样的。对于磁力线2和3，在无缺陷和有缺陷的情况下值也一样。三条磁力线的磁通密度有如下关系：
B1＞B2＞B3
在测量点4，亦即切向分量Bt的值可以通过测量获得。有缺陷时该点值大于无缺陷时该点值，如图3所示。图3中坐标轴Bt采用对数坐标轴。
如图3所示，在某一电流频率下数值模拟的结果是图1中的管内和管外沿轴向Z的磁场的切向分量的变化。曲线5对应没有缺陷的情况，曲线6对应有缺陷的情况。Z轴上的点7和点8分别对应管的半径的内端和外端。点9对应图1中的点4位置的测量值。点9位置对应的两条曲线5，6的磁场强度显然是不同的，通过这一事实，我们可以确定缺陷的区域。
磁场与所通电流是直接相关的。因此我们用磁场和电流的比值来评价测量数据。通过一个数值计算的例子，展示了管外磁场切向分量Bt和电流I之间的比值所具有的频率相关性，如图4所示，包含了图1和图2(没有缺陷和有缺陷)中的两种情况。fmin和fmax代表了谐波电流各成份频率的范围。曲线10对应无缺陷的情况，曲线11对应有缺陷的情况。如图4所示，尽管我们要比较的比值在fmin和fmax位置处在有缺陷和无缺陷的情况下没有太大差异，但我们注意到在一个优化频率fopt处，比值在有缺陷和无缺陷的情况下差异明显。这样，我们就可以在一次测量后，分析测量数据得到Bt/I的fmin和fmax之间的所有频率响应，将能识别缺陷的存在。缺陷种类不同，频率响应也会不同，通过这一概念，我们又可以对缺陷的种类加以识别。
图5所示为包含多谐波分量的测试电流，这里的电流曲线12是瞬时电流值。图6为图5中的测试电流的频谱SI，它包含多条谱线13，对应谐波分量，范围为fmin到fmax。
图7所示为测试装置框图，它的组成包括：电流源、模块用来测量测试电流、谱分析仪用来分析测得的电流数据、磁场测量传感器、谱分析仪用来分析测得的磁场数据、评价对比模块接被测管道。测试过程中，磁场传感器沿管道X方向测量，与此同时，测试电流也将被记录下来。经过谱分析，每一个谐波分量对应的比值Bt/I都可以获得。如果频响Bt/I是扁平的，则说明无缺陷，否则说明有缺陷。分析频响Bt/I的特征可以进一步确定缺陷类型。
本例经试验，检测钢质管道壁厚异常变化的准确率高，且较为简便实用。
Claims (5)
1.一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法，其特征是采用一个静止放置的多频率成分电流源和一个可沿管线走向移动的磁场测量模块的测试装置，对管道通以含多种频率的谐波交流电，并由此激发能在地面的管道上方测量的磁场；测量、记录并分析所施加电流的频谱；记录并分析管道上方测得的磁场；计算同一频率对应的电流强度和磁场强度的比值，并作为是否存在缺陷的依据；所述磁场测量模块包括电流表、磁场测量传感器、频谱分析仪和评价对比模块。
2.根据权利要求1所述的一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法，其特征是在测试中，磁场测量传感器沿管道X方向测量，与此同时，记录测试电流I值；经过频谱分析，获得每一个谐波分量对应的比值Bt/I；其中Bt为磁通密度的切向分量；I为测试电流值；如果频响Bt/I是扁平的，则说明无缺陷，否则说明有缺陷；分析频响Bt/I的特征可以进一步确定缺陷类型。
3.根据权利要求1所述的一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法，其特征是所述施加的多频率谐波电流的频率范围是这样确定的：最低频率对应的趋肤效应深度最小不低于管道壁厚，最高频率对应的趋肤效应深度最大不超过管道的剩余壁厚；在管道上没有缺陷的情况下，同一频率对应的电流强度和磁场强度的比值是相同的，不具有频率相关性；在管道上存在缺陷时，这个比值是不相同的，具有频率相关性，并且该相关曲线也是能确定的；基于这个原理，确定缺陷是否存在。
4.根据权利要求1所述的一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法，其特征是所述测试装置为电流源一极接管道一端，管道的另一端串接电流表至电流源的另一极；电流表输出经频谱分析仪接到评价对比模块；磁场测量传感器输出经频谱分析仪后接评价对比模块。
5.根据权利要求2所述的一种钢质管道壁厚异常变化的非接触检测方法，其特征是所述缺陷类型的确定是如果频响Bt/I呈平滑凹陷曲线，则说明该区域对应凹坑类连续金属损失缺陷；而如果频响Bt/I呈锯齿状凹陷曲线，则说明该区域对应点腐蚀类不连续金属损失缺陷。
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