CN104297336A - 一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，包括以下步骤：测量管道沿轴向方向的磁感应强度，减弱外界干扰异常并计算危险指数F，结合危险指数F对磁异常管段的异常等级分类，初步判定缺陷类型并建立模型，对模型正演，判定磁异常管段的危险性缺陷位置坐标，对缺陷发展过程进行预测。本发明的方法能提高分辨率且有效排除外界干扰所引起的虚假异常信息，通过所测磁异常数据进行管体应力集中区位置的判定以及危险性缺陷的识别，并在允许偏差范围内，通过沿管道轴线移动磁力计来快速测定管道磁场异常的位置，结合所测参量及危险指数的变化情况推断管体局部金属缺陷所导致的应力变化，实现埋地管道应力性缺陷的磁异常提取及精细解释。

Description

一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法

技术领域

本发明涉及一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，属于埋地及裸露铁磁性管道无损检测技术领域。

背景技术

非接触式磁检测方法是由俄罗斯所发明的一种崭新的无损检测技术。近年来，凭借其检测原理可靠、检测精度高、综合成本低、操作风险小、易于现场实施等显著优点，同时由于其重要的实用价值和广阔的发展前景，这项技术在管道无损检测领域受到业内的广泛关注。目前，俄罗斯的Transkor-K研究和发展中心有限责任公司运用非接触式磁检测方法已完成了12000km管线检测；非接触式磁检测方法的应用已推广到乌兹别克共和国、白俄罗斯、叙利亚阿拉伯共和国、克罗地亚、阿根廷、英国和美国；国内，非接触式磁检测方法也已在塔轮输油管线、兰州输气分公司兰炭、两兰支线、铁岭输油管线、陕京一线、秦皇岛输油管线等地进行了方法试验，检测长度大于200km。

针对非接触式磁检测方法的理论研究和实际应用而言，俄罗斯为世界范围内非接触式磁检测方法的发展者，美国、英国、阿根廷等国家也相继加大了对非接触式磁检测方法理论的深入研究与技术推广。由于俄罗斯对外采取技术封锁，仅提供技术支持与技术服务，这大大限制了该项技术的发展与推广速度。对于实际检测而言，非接触式磁检测技术存在分辨率低、无法排除外界干扰异常、无法区分管体应力集中区位置，且仅仅凭借危险指数盲目进行危险等级划分的缺点。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，提高分辨率且有效排除外界干扰所引起的虚假异常信息，能够通过所测磁异常数据进行管体(侧面、顶底面)应力集中区位置的判定以及危险性缺陷的识别，同时能够通过对危险性缺陷进行定期观测预测其发展过程，达到降低检测成本、提高工作效率的目的。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，具体包括以下步骤：

(1)利用磁力计测量管道沿轴向方向的磁感应强度，得到三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线；

(2)剔除B_yx以减弱外界干扰异常，并依据去除干扰异常后的实测模量值和平均模量值计算危险指数F；

(3)结合危险指数F对磁异常管段的异常等级进行分类；

(4)对于步骤(1)得到的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线，提取其中管体磁异常管段，初步判定该管体磁异常段的缺陷类型，建立该缺陷类型的模型，并对该模型进行正演，得到管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线；

(5)将相同异常等级下的磁异常管道测点划分为一组，结合危险指数F的大小、步骤(1)得到的三分量水平梯度沿管道轴向B_xx、B_yx和B_zx的变化规律曲线、以及经步骤(4)正演得到的管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线，通过反演判定磁异常管段的危险性缺陷位置；

(6)标定危险性缺陷位置坐标并定期观测，依据危险指数大小及经步骤(1)测量得到的管道磁感应强度三分量水平梯度沿管道轴向分布的变化规律，对缺陷发展过程进行预测，以及时采取补救措施。

进一步的改进是，步骤(1)中利用磁力计测量管道磁场的磁感应强度时，采用非接触式管道磁检测技术检测。

进一步的改进是，步骤(2)中，利用以下公式计算危险指数F：

${F=e}^{(1-\frac{Q_a}{\stackrel{\‾}{Q}})}......\left(1\right)$

其中，Q_a是任意一点的实测梯度模量值，通过以下公式计算得到：

$Q_a=\sqrt{{B_{\mathrm{xx}}}^2+{B_{\mathrm{zx}}}^2}......\left(2\right)$

是测量位置的实测梯度模量值的平均值。

进一步的改进是，步骤(4)中，具体通过以下公式对管体磁异常段缺陷类型模型正演：

以磁力计的中点所在位置与地面的垂线作为Z轴、以管道轴线作为Y轴、以Y轴和Z轴的交点作为原点O、以经过原点O且与YZ面的垂线作为X轴，建立空间坐标系；根据空间磁偶极子磁场表达式得到等效磁矩P在X、Y、Z轴方向的的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}\left[({3x}^2-r^2)\right|p_x|+3\mathrm{xy}|p_y|-3\mathrm{xy}|p_y|-3\mathrm{xz}|p_z\left|\right]\\ B_y=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}[-3\mathrm{xy}|p_x|+(r^2-{3y}^2)|p_y|+3\mathrm{yz}|p_z\left|\right]\\ B_z=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4{\mathrm{\πr}}^5}\left[3\mathrm{xz}\right|p_x|+3\mathrm{yz}|p_y|+(r^2-{3z}^2)|p_z\left|\right]\end{array}\right.......\left(3\right)$

其中，B_x、B_y和B_z分别表示等效磁矩P的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度，r表示原点O到位置M(x,y,z)的距离，根据M(x,y,z)和原点O的坐标计算得到，μ₀表示真空中的磁导率，μ_r表示铁磁性物质的相对磁导率，μ₀和μ_r为常数；

假设应力集中区的范围为以Y轴的y₁、y₂处横截面为两个底面的圆柱体，由多晶体铁磁性材料应力与磁化率变化量的关系得到应力集中区内的横截面由于应力集中而产生的沿3个坐标轴方向的附加磁矩P_x、P_y和P_z根据以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}\left|P_x\right|=\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left|H_x\right|\·\frac{\mathrm{dv}}{2}\\ \left|P_y\right|=\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\left|H_y\right|\·\mathrm{dv}\\ \left|P_z\right|=\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left|H_z\right|\·\frac{\mathrm{dv}}{2}\end{array}\right.......\left(4\right)$

其中，x₀表示铁磁性材料的初始磁化率，I_s表示单晶铁磁体高斯系数，λ₁₀₀表示单晶铁磁体磁致伸缩系数，K₁表示磁晶各向异性常数，σ_θ、σ_t分别表示管道的径向和轴向应力，x₀、I_s、λ₁₀₀、K₁均为常数；σ_θ和σ_t根据管道压力的变化改变，分别根据以下公式计算：

σ_t＝P·D/2·S₀……(5)

σ_θ＝P·D/4·S₀……(6)

其中，P为内压力，单位为MPa，D＝(D₀+D₁)/2，D为管道的平均直径，D₀为管道外径，D₁为管道内径，S为壁厚，单位为mm；P、D₀、D₁和S₀均为已知量，由分输站的管道参数技术表提供；

dv表示应力集中区内的横截面的体积，根据管道直径计算得到，H_x、H_y和H_z分别表示X轴、Y轴、Z轴方向上的磁场强度，由以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_x=\left|H\right|\·\cos \mathrm{\θ}\·\cos I\\ H_y=\left|H\right|\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos I\\ H_z=\left|H\right|\·\sin I...........\left(7\right)\end{array}\right.$

其中，H表示磁力计测量到的磁感应强度，θ表示管道走向与磁北的夹角，由地域决定，I表示地磁倾角，θ和I均实测得到；

将地磁要素代入磁偶极子空间磁场表达式得到应力集中区内的横截面在XOZ平面中的测点M₀(x,0,z)处所产生的附加磁场磁感应强度分量表达式；其中，所述附磁偶极子空间表达式为公式(3)；

将公式(7)代入公式(3)，并令y＝0，得到所述附加磁场磁感应强度分量表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·[({3x}^2-r^2)\·\cos I\·\sin \mathrm{\θ}-3\mathrm{xz}\·\sin I]\·\mathrm{dv}\\ B_y=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\cos I\·\cos \mathrm{\θ}\·\mathrm{dv}\\ B_z=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·[3\mathrm{xz}\·\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+(r^2-{3z}^2)\·\sin I]\·\mathrm{dv}\end{array}\right....\left(8\right)$

将公式(8)中的各附加磁场磁感应强度分量B_x、B_y、B_z分别对x求导，得到X轴、Y轴和Z轴方向的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xx}}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left[\frac{({9\mathrm{xr}}^2-{15x}^3)\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+({15x}^{2}z-{3\mathrm{zr}}^2)\sin I}{r^7}\right]\·\mathrm{dv}\\ B_{\mathrm{yx}}=-\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\cos I\·\cos \mathrm{\θ}\·3x\·\mathrm{dv}\\ B_{\mathrm{zx}}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left[\frac{({3\mathrm{zr}}^2-{15x}^{2}z)\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+({15\mathrm{xz}}^2-{3\mathrm{xr}}^2)\sin I}{r^7}\right]\·\mathrm{dv}\end{array}\right....\left(9\right)$

利用公式(9)绘制出三分量水平梯度沿管道轴向的变化规律曲线。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明利用磁力计测量沿管道磁场轴向方向的磁感应强度三分量水平梯度，以分别得到各个测点的三分量水平梯度沿管道轴向的变化，在进一步结合管道的缺陷类型模型正演得到的管道缺陷磁异常的分布规律，能够直观地判定管体(侧面、顶底面)应力集中区位置及缺陷分类；

(2)本发明在计算实测模量值时，用公式取代传统的剔除B_yx再计算能够减弱外界干扰对异常产生的较大畸变；

(3)本发明将相同异常等级下的磁异常管道划分为一组，再结合危险指数的大小和三分量曲线变化形态进行磁异常位置的识别，同时结合异常等级分类，更能准确判定磁异常位置的异常等级；

(4)通过本发明提供的步骤，能够对缺陷发展过程进行预测，以及时采取补救措施。

附图说明

图1是非接触磁检测技术野外测量示意图。

图2是环形应力集中区磁感应强度三分量正演曲线。

图3是实测磁感应强度分量水平梯度及梯度模量沿管道轴向分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，具体包括以下步骤：

(1)利用磁力计采用非接触式管道磁检测技术测量管道沿轴向方向的磁感应强度，得到三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线。

(2)利用以下公式剔除B_yx以减弱外界干扰异常，并依据去除干扰异常后的实测模量值和平均模量值计算危险指数F：

${F=e}^{(1-\frac{Q_a}{\stackrel{\‾}{Q}})}......\left(1\right)$

其中，Q_a是任意一点的实测梯度模量值，通过以下公式计算得到：

$Q_a=\sqrt{{B_{\mathrm{xx}}}^2+{B_{\mathrm{zx}}}^2}......\left(2\right)$

是测量位置的实测梯度模量值的平均值。

(3)结合危险指数F对磁异常管段的异常等级进行分类：

俄罗斯联邦矿工业委员会批准制定了РД102-008-2002《非接触式磁力扫描方法进行管道技术状况诊断指南》据磁异常综合指数F确定了3个危险等级，并给出了针对3类危险等级应当采取的维护策略。如表1所示为管道磁异常分级和评价标准：

表1 管道磁异常分级和评价标准

利用表1提供的管道磁异常分级和评价标准，即可根据步骤(2)计算得到的F对管道异常进行分级，并初步判断管道状况。

(4)对于步骤(1)得到的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线，提取其中管体磁异常管段，初步判定该管体磁异常段的缺陷类型，建立该缺陷类型的模型，并对该模型进行正演，得到管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线；参照图1，具体方法为：

以磁力计的中点所在位置与地面的垂线作为Z轴、以管道轴线作为Y轴、以Y轴和Z轴的交点作为原点O、以经过原点O且与YZ面的垂线作为X轴，建立空间坐标系；根据空间磁偶极子磁场表达式得到等效磁矩P在X、Y、Z轴方向的的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}\left[({3x}^2-r^2)\right|p_x|+3\mathrm{xy}|p_y|-3\mathrm{xz}|p_y\left|\right]\\ B_y=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}[-3\mathrm{xy}|p_x|+(r^2-{3y}^2)|p_y|+3\mathrm{yz}|p_z\left|\right]\\ B_z=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4{\mathrm{\πr}}^5}\left[3\mathrm{xz}\right|p_x|+3\mathrm{yz}|p_y|+(r^2-{3z}^2)|p_z\left|\right]\end{array}\right.......\left(3\right)$

其中，B_x、B_y和B_z分别表示等效磁矩P的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度，r表示原点O到位置M(x,y,z)的距离，根据M(x,y,z)和原点O的坐标计算得到，μ₀表示真空中的磁导率，μ_r表示铁磁性物质的相对磁导率，μ₀和μ_r为常数；

假设应力集中区的范围为以Y轴的y₁、y₂处横截面为两个底面的圆柱体，由多晶体铁磁性材料应力与磁化率变化量的关系得到应力集中区内的横截面由于应力集中而产生的沿3个坐标轴方向的附加磁矩P_x、P_y和P_z根据以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}\left|P_x\right|=\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left|H_x\right|\·\frac{\mathrm{dv}}{2}\\ \left|P_y\right|=\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\left|H_y\right|\·\mathrm{dv}\\ \left|P_z\right|=\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left|H_z\right|\·\frac{\mathrm{dv}}{2}\end{array}\right.......\left(4\right)$

其中，x₀表示铁磁性材料的初始磁化率，I_s表示单晶铁磁体高斯系数，λ₁₀₀表示单晶铁磁体磁致伸缩系数，K₁表示磁晶各向异性常数，σ_θ、σ_t分别表示管道的径向和轴向应力，x₀、I_s、λ₁₀₀、K₁均为常数；σ_θ和σ_t根据管道压力的变化改变，分别根据以下公式计算：

σ_t＝P·D/2·S₀……(5)

σ_θ＝P·D/4·S₀……(6)

其中，P为内压力，单位为MPa，D＝(D₀+D₁)/2，D为管道的平均直径，D₀为管道外径，D₁为管道内径，S为壁厚，单位为mm；P、D₀、D₁和S₀均为已知量，由分输站的管道参数技术表提供；

dv表示应力集中区内的横截面的体积，根据管道直径计算得到，H_x、H_y和H_z分别表示X轴、Y轴、Z轴方向上的磁场强度，由以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_x=\left|H\right|\·\cos \mathrm{\θ}\·\cos I\\ H_y=\left|H\right|\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos I\\ H_z=\left|H\right|\·\sin I...........\left(7\right)\end{array}\right.$

其中，H表示磁力计测量到的磁感应强度，θ表示管道走向与磁北的夹角，由地域决定，I表示地磁倾角，θ和I均实测得到；

将地磁要素代入磁偶极子空间磁场表达式得到应力集中区内的横截面在XOZ平面中的测点M₀(x,0,z)处所产生的附加磁场磁感应强度分量表达式；其中，所述附磁偶极子空间表达式为公式(3)；

将公式(7)代入公式(3)，并令y＝0，得到所述附加磁场磁感应强度分量表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·[({3x}^2-r^2)\·\cos I\·\sin \mathrm{\θ}-3\mathrm{xz}\·\sin I]\·\mathrm{dv}\\ B_y=\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\cos I\·\cos \mathrm{\θ}\·\mathrm{dv}\\ B_z=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·[3\mathrm{xz}\·\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+(r^2-{3z}^2)\·\sin I]\·\mathrm{dv}\end{array}\right....\left(8\right)$

将公式(8)中的各附加磁场磁感应强度分量B_x、B_y、B_z分别对x求导，得到X轴、Y轴和Z轴方向的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xx}}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left[\frac{({9\mathrm{xr}}^2-{15x}^3)\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+({15x}^{2}z-{3\mathrm{zr}}^2)\sin I}{r^7}\right]\·\mathrm{dv}\\ B_{\mathrm{yx}}=-\frac{{{2\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\cos I\·\cos \mathrm{\θ}\·3x\·\mathrm{dv}\\ B_{\mathrm{zx}}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{{{50x}_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{({{10I}_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left[\frac{({3\mathrm{zr}}^2-{15x}^{2}z)\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+({15\mathrm{xz}}^2-{3\mathrm{xr}}^2)\sin I}{r^7}\right]\·\mathrm{dv}\end{array}\right....\left(9\right)$

利用公式(9)绘制出三分量水平梯度沿管道轴向的变化规律曲线，分别以B_xx、B_yx和B_zx的值为纵轴、以x值作为横轴作图，得到如图2所示应力集中区的磁感应强度三分量分布曲线中的B_zx、B_xx和B_yx三条曲线，其中横轴表示测点位置，纵轴表示磁感应强度值。将公式(9)带入公式(2)，并以Q_a为纵轴、x距离为横轴作图，得到如图2所示的Q_a(删除B_yx后)曲线。

若将公式(9)带入传统的公式作图，得到如图2所示的Q_a(删除B_yx前)曲线。

从图2中可看出，三分量B_xx、B_yx、B_zx中B_xx很好的反应管道应力集中区附加磁场的表现特征；且B_yx和B_zx的变化比较微弱且比较平稳，可以看出，外界干扰容易对数据质量尤其是B_yx产生严重影响，故在进行危险指数判定时，利用公式(2)取代传统的公式 $Q_a=\sqrt{{B_{\mathrm{xx}}}^2+{{B_{\mathrm{yx}}}^2+B_{\mathrm{zx}}}^2}.$

(5)将相同异常等级下的磁异常管道测点划分为一组，结合危险指数F的大小、步骤(1)得到的三分量水平梯度沿管道轴向B_xx、B_yx和B_zx的变化规律曲线、以及经步骤(4)正演得到的管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线，通过反演判定磁异常管段的危险性缺陷位置。

(6)标定危险性缺陷位置坐标并定期观测，依据危险指数大小及经步骤(1)测量得到的管道磁感应强度三分量水平梯度沿管道轴向分布的变化规律，对缺陷发展过程进行预测，以及时采取补救措施。

根据本发明所提供的方法分析成都某段新建管道部分段，长度22m，管径/壁厚426×9.5mm，试验压力0.3 MP。已知受检管段信息描述：在13.75米位置处由环形焊缝焊接，其余部分为全新管，运行良好；现场测得地磁倾角约为45°，磁北与管道走向夹角为10°。该部分实测磁感应强度水平分量曲线及Qa值曲线如附图3所示，按照理论正演得到的三分量曲线及Qa值曲线如附图2所示。对比分析，得到以下结论：受检管道在13.75米由环形焊缝焊接位置处，磁力梯度模量Qa出现极大值。磁异常综合指数F值在该点的大小为0.470288。按照管道磁异常分级和评价标准划分为2级，存在的金属缺陷(环形焊缝)是在允许的范围内。检测结果比较符合实际情况，显示具有良好的检测效果。

Claims (4)

1.一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)利用磁力计测量管道沿轴向方向的磁感应强度，得到三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线；

(2)剔除B_yx以减弱外界干扰异常，并依据去除干扰异常后的实测模量值和平均模量值计算危险指数F；

(3)结合危险指数F对磁异常管段的异常等级进行分类；

(4)对于步骤(1)得到的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线，提取其中管体磁异常管段，初步判定该管体磁异常段的缺陷类型，建立该缺陷类型的模型，并对该模型进行正演，得到管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线；

(5)将相同异常等级下的磁异常管道测点划分为一组，结合危险指数F的大小、步骤(1)得到的三分量水平梯度沿管道轴向B_xx、B_yx和B_zx的变化规律曲线、以及经步骤(4)正演得到的管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线，通过反演判定磁异常管段的危险性缺陷位置；

(6)标定危险性缺陷位置坐标并定期观测，依据危险指数大小及经步骤(1)测量得到的管道磁感应强度三分量水平梯度沿管道轴向分布的变化规律，对缺陷发展过程进行预测，以及时采取补救措施。

2.根据权利要求1所述的基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于：步骤(1)中利用磁力计测量管道磁场的磁感应强度时，采用非接触式管道磁检测技术检测。

3.根据权利要求1所述的基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于：步骤(2)中，利用以下公式计算危险指数F：

$F=e^{(1-\frac{Q_a}{\stackrel{\‾}{Q}})}......\left(1\right)$

其中，Q_a是任意一点的实测梯度模量值，通过以下公式计算得到：

$Q_a=\sqrt{{B_{\mathrm{xx}}}^2+{B_{\mathrm{zx}}}^2}......\left(2\right)$

是测量位置的实测梯度模量值的平均值。

4.根据权利要求1所述的基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于：步骤(4)中，具体通过以下公式对管体磁异常段缺陷类型模型正演：

以磁力计的中点所在位置与地面的垂线作为Z轴、以管道轴线作为Y轴、以Y轴和Z轴的交点作为原点O、以经过原点O且与YZ面的垂线作为X轴，建立空间坐标系；根据空间磁偶极子磁场表达式得到等效磁矩P在X、Y、Z轴方向的的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{2{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}\left[({3x}^2-r^2)\right|p_x|+3\mathrm{xy}|p_y|-3\mathrm{xz}|p_z\left|\right]\\ B_y=\frac{2{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}[-3\mathrm{xy}|p_x|+(r^2-{3y}^2)|p_y|+3\mathrm{yz}|p_z\left|\right]\\ B_z=\frac{2{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^5}\left[3\mathrm{xz}\right|p_x|+3\mathrm{yz}|p_y|+(r^2-{3z}^2)|p_z\left|\right]\end{array}\right.......\left(3\right)$

其中，B_x、B_y和B_z分别表示等效磁矩P的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度，r表示原点O到位置M(x,y,z)的距离，根据M(x,y,z)和原点O的坐标计算得到，μ₀表示真空中的磁导率，μ_r表示铁磁性物质的相对磁导率，μ₀和μ_r为常数；

假设应力集中区的范围为以Y轴的y₁、y₂处横截面为两个底面的圆柱体，由多晶体铁磁性材料应力与磁化率变化量的关系得到应力集中区内的横截面由于应力集中而产生的沿3个坐标轴方向的附加磁矩P_x、P_y和P_z根据以下公式获得：

$\left\{\begin{array}{c}\left|P_x\right|=\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+2x_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left|H_x\right|\·\frac{\mathrm{dv}}{2}\\ \left|P_y\right|=\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+2x_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\left|H_y\right|\·\mathrm{dv}\\ \left|P_z\right|=\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+2x_0{K}_1)}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left|H_z\right|\·\frac{\mathrm{dv}}{2}\end{array}\right.......\left(4\right)$

其中，x₀表示铁磁性材料的初始磁化率，I_s表示单晶铁磁体高斯系数，λ₁₀₀表示单晶铁磁体磁致伸缩系数，K₁表示磁晶各向异性常数，σ_θ、σ_t分别表示管道的径向和轴向应力，x₀、I_s、λ₁₀₀、K₁均为常数；σ_θ和σ_t根据管道压力的变化改变，分别根据以下公式计算：

σ_t＝P·D/2·S₀……(5)

σ_θ＝P·D/4·S₀……(6)

其中，P为内压力，单位为MPa，D＝(D₀+D₁)/2，D为管道的平均直径，D₀为管道外径，D₁为管道内径，S为壁厚，单位为mm；P、D₀、D₁和S₀均为已知量，由分输站的管道参数技术表提供；

dv表示应力集中区内的横截面的体积，根据管道直径计算得到，H_x、H_y和H_z分别表示X轴、Y轴、Z轴方向上的磁场强度，由以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_x=\left|H\right|\·\cos \mathrm{\θ}\·\cos I\\ H_y=\left|H\right|\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos I\\ H_z=\left|H\right|\·\sin I\end{array}\right....\left(7\right)$

其中，H表示磁力计测量到的磁感应强度，θ表示管道走向与磁北的夹角，由地域决定，I表示地磁倾角，θ和I均实测得到；

将地磁要素代入磁偶极子空间磁场表达式得到应力集中区内的横截面在XOZ平面中的测点M₀(x,0,z)处所产生的附加磁场磁感应强度分量表达式；其中，所述附磁偶极子空间表达式为公式(3)；

将公式(7)代入公式(3)，并令y＝0，得到所述附加磁场磁感应强度分量表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_x=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·[({3x}^2-r^2)\·\cos I\·\sin \mathrm{\θ}-3\mathrm{xz}\·\sin I]\·\mathrm{dv}\\ B_y=\frac{2{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^3}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\cos I\·\cos \mathrm{\θ}\·\mathrm{dv}\\ B_z=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·[3\mathrm{xz}\·\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+(r^2-{3z}^2)\·\sin I]\·\mathrm{dv}\end{array}\right....\left(8\right)$

将公式(8)中的各附加磁场磁感应强度分量B_x、B_y、B_z分别对x求导，得到X轴、Y轴和Z轴方向的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xx}}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left[\frac{({9\mathrm{xr}}^2-{15x}^3)\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+({15x}^{2}z-{3\mathrm{zr}}^2)\sin I}{r^7}\right]\·\mathrm{dv}\\ B_{\mathrm{yx}}=-\frac{2{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^2+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{{4\mathrm{\πr}}^5}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}\·\mathrm{cisI}\·\cos \mathrm{\θ}\·3x\·\mathrm{dv}\\ B_{\mathrm{zx}}=\frac{{{\mathrm{\μ}}_r}^2}{{\mathrm{\μ}}_r+1}\·\frac{50{x_0}^2{I_s}^2{\mathrm{\λ}}_{100}}{{(10{I_s}^s+{2x}_0{K}_1)}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0\left|H\right|}{4\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}\·\left[\frac{({3\mathrm{zr}}^2-{15x}^{2}z)\cos I\·\sin \mathrm{\θ}+({15\mathrm{xz}}^2-{3\mathrm{xr}}^2)\sin I}{r^7}\right]\·\mathrm{dv}\end{array}\right....\left(9\right)$

利用公式(9)绘制出三分量水平梯度沿管道轴向的变化规律曲线。