摘要：长距离埋地管道运输是目前石油天然气资源的主要输送方式，由于地管道运行环境复杂，各种原因造成的管壁腐蚀直接威胁管道的使用寿命如何了解管道的腐蚀状况，有目的地对管道进行维修和抢修，确保管道的全运行，延长管道的服役时间，先进的检测技术是关键。近几年随着科技的发展，新型检测技术不断涌现。本文简要介绍三种主要的检测技及其原理，并从实现角度出发做了简要探讨。
关键词：管道；检测方法；漏磁：超声；涡流
1 前言
随着科学技术的进步和各个领域的蓬勃发展，工业、国防、化工、石油运输等领域对材料质量、设备安全的要求越来越高。材料质量问题、在役设备的环境腐蚀和疲劳断裂的出现造成了重大经济损失和严重生产事故。飞机失事、铁路、桥梁的疲劳断裂、长输管道的泄漏、压力容器的爆炸等都成为无损检测技术产生与发展的直接动力。
对于输送管道的检测一般在不停输情况下进行，检测条件复杂，环境恶劣。所采用的方法主要包括外部检测和内部检测。内部检测(简称内检测)对检测器的要求较高，且对管道情况的要求也比较苛刻，仪器被投放到高温高压的输送介质中，以检测器前后的压力差为动力。外部检测(简称外检测)直接利用仪器对管壁进行测试，此种方法比较灵活但效率较低，不太适用于自动化检测。
为了解决材料质量和设备运行的安全问题，近些年来国内外在无损检测领域的研究与应用方面取得了很大的进步。对于油气输送管道的检测，国外二十世纪五六十年代就开始研究。国外以PII公司、TurboScope公司及Pipetronix公司等管道检测服务公司为代表，拥有世界最为先进的检测设备及检测技术，但检测费用极高。
国内对于油气输送管道的检测，主要以廊坊管道技术公司为代表，该公司拥有Φ273、Φ325、Φ377、Φ529、Φ610、Φ720等多种口径的漏磁腐蚀及变形的内检测设备，可对各种口径长输管道进行在线检测。同时，该公司还拥有11种规格的管道带压封堵设备，而且对常规存储罐底板的检测和管道防腐层的判废及容器和输油管道的阴极保护等都有丰富的检测经验。
在管道外检测技术方面的自动化设备，国内外主要以超声波、漏磁和涡流等领域的发展为代表。
随着科学的进步和计算机信息领域的突飞猛进，一些新型检测技术被开发应用起来，激光全息检测技术、电磁超生法、声振法、声发射等新技术都涌现出来。自动化技术使快速高效可靠的无损检测仪器的产生成为可能。
2 检测原理
2.1 漏磁检测技术
(1) 原理：
漏磁检测是通过磁场将被检物体磁化，拾取缺陷处的漏磁信号并对漏磁信号进行分析而取得腐蚀情况的。
(2) 漏磁场的形成：
当铁磁性物体被磁化时，缺陷处的磁力线会出现外溢现象，外溢量的大小同材料性质、被检物体的几何形状、缺陷的几何形状都有关系。对于检测仪器而言外溢量越大则越容易检测到缺陷。当磁场由不同磁性物质界面穿越时，由于磁场特性H对于无自由电流分布的介质是连续的即▽×H=0、▽·B=0，另外表面切向方向磁场强度为ht2，切向方向的磁感应强度为bt2，内表面切向分量的磁场强度为ht1切向方向的磁感应强度为bt1；另材料外表面法向方向的磁感应强度为bn2法向方向的磁场强度为hn2而材料内表面磁感应强度为bn1法向方向的磁场强度为hn1。所以对于材料内外表面切向方向的磁场强度是相等的，法向方向磁感应强度是相等的，即：bn1=bn2；ht2=ht1
又由于B=μH，如图1：
式中μ2为介质2中的磁导率；μ1为介质1中的磁导率。
由上述理论可导出，当磁场由磁导率大的介质穿出到磁导率小的介质中时，磁场向法向发生偏转。因此当磁场在管壁上遇到缺陷时由于μ2远小于μ1。使得磁场在缺陷出溢出形成漏磁信号。
所以当磁场穿过不同磁特性的界面时发生偏转，当管道内壁或外壁存在缺陷时磁场会从缺陷处溢出如图2：当线圈在漏磁场处进行切割磁力线运动时便产生感应电动势从而有电信号产生。再通过数据采集系统和定位系统得到缺陷的大小和确切位置。
(3) 影响缺陷信号大小的因素：
A、探头灵敏度
探头灵敏度的影响因素很多包括感应线圈的电感大小，探头外壳材料的磁特性等
B、检测器在管道中运行的速度
由于ε=dΦ/dt
Φ=B×S
ε=d(B×S)/dr
ε=S×(dB/dt)+B×(dS/dt)
由式ε=S×(dB/dt)+B×(dS/dt)可以看出，当线圈切割磁力线的速度越快所产生的感应电动势越大。所以调节通道板的增益时也应考虑检测器运行速度的大小。
C、管壁的薄厚：
当管道壁板材料相同而板材厚薄不同时，相同大小的磁场强度在管壁内形成的磁通密度不同，所以相同大小的缺陷在相同磁场强度的情况下管壁越薄所形成的漏磁信号越大。
(4) 组成：
A、动力装置
为了达到自动扫描，提高效率，本系统拟采用动力装置，动力由调速电机提供，通过爬行轮牵引在管道上爬行。操作人员在地面对其进行控制操作。
B、检测传感器
可采用线圈传感器或霍尔元件传感器两种方案。将传感器(简称探头)合理地分布于管道上方来拾取漏磁信号达到检测缺陷的目的。
为了使得所扫描范围不漏检可以将探头分为前后两排交叉分布，这样可以节省横向空间同时保证了避免漏检。
C、磁化方式
对于磁化方式存在两种磁化机制：
1、利用永久磁铁对管壁进行磁化，永久性磁铁的磁性材料可用钕铁硼。此种方案的优点是不需要外加辅助设施灵活方便，但永久性磁铁磁性强度相对较小。
2、采用电磁铁的方法对管壁进行磁化，电磁铁可利用硅钢片为轭铁用线圈缠绕通电形成磁场。此种方法的优点是对管壁的磁化强度可调易于控制。
D、机械架构
为了适应各种管道的检测，检测设备的机械构架应具有活动机构。
E、数据处理
对于所采集的数据可以使用实时显示处理的方法，也可以采取存储后期处理方案。
1、实时处理分为信号传输和数据传输两种机构，信号传输由检测器传出的数据为采样信号，传出后直接进入工控机由工控机进行后续处理，这样的优点是采样速度和处理速度可以达到很高，但难免存在传输线上的信号衰减，传感器需要作特殊电路上的处理。对于数据传输由于传输距离相对较长所以可以使用RS-232进行串行数据传输，此种方法硬件设计较简单。由计算机直接接收检测器所传出的数据或信号，并通过数据处理软件进行实时显示和相应的数据处理。2、后期处理的方法较为复杂，检测器必须存在里程记录和方位记录等功能。首先将检测器采集的数据存储到检测器的存储器中，检测完成后由检测器传出数据，再通过数据分析软件进行数据处理后得到管道的腐蚀点。此种方法的优点是减少了检测时的繁琐操作过程但所采集的数据量增加了，一次性检测的距离受到限制。
F、电源
电源是检测系统的动力来源，可以通过电池或由电缆线提供。
G、总体设计结构
H、适用范围
此种检测方法需对被检管道的保温层进行剥离最大防腐层厚度为6mm。
2.2 超声检测技术
当今超声无损检测技术发展日新月异，新技术新成果层出不穷。为了能够适应带有防腐层管道的检测，我们对超声新技术进行了前期调研，找到一种先进的超声检测方法Lamb Wave超声检测技术。Lamb-Wave波是在板中传播的横波纵波反射及充分干涉叠加，激起全板振动。此项技术的优点是超声波在被检物体中以整体板的形式向前传播，依靠接收探头接收数据来检测缺陷。本技术可以将发射探头与接收探头分离开来，这样可以减少防腐层的剥离。
本检测方案初步定义如下：
(1) 原理：
兰姆波一般适用于厚度与波长相当的薄板，兰姆波的激发与频率、板厚纵波的入射角密切相关。在检测时不同模式的兰姆波在板材界面的不同厚度处有不同的能量流分布，在被检物体内部表现为有不同垂直位移分量和水平分量。因此在检测时仅用一种模式不能发现其中的全部缺陷。就位移分量的特点来看，垂直分量越大，传递给周围介质的能量越大，兰姆波能量传递越快，传播距离越短，相反水平分量越大，能量传递损失越小，传播距离越远，所以一般选择模式时一般选择水平分量大的模式。
(2) 组成：
A、探头
探头是超声波产生和接收的直接传感器，要想在不同材料的工件中产生Lamb-Wave超声波应具有不同制造工艺的探头。为了能够形成板波，矩形压电晶片位于垂直板面的方向上的平面内其长边应至少为板厚的7～10倍，并应有适当的入射角，保证声束有足够的宽度，以便充分叠加干涉。
B、超声波发生电路
超声波发生电路由同步脉冲产生电路(由主控计算机产生)功率放大电路、升压电路组成。超声检测仪应有足够的发射功率和发射脉冲宽度，保证发射脉冲有足够长的持续时间以利于波的干涉。频率的选择与被检物体的材质、厚度相关。Lamb-Wave波检测通常使用的频率范围为0.6～1OMHz，最常用的有1、1.5、1.8、2、2.5、和5MHz。
C、超声波接收电路
超声波接收电路由信号接收和信号放大及衰减电路组成。
D、数据处理
由计算机软件进行实时分析显示图象。
E、电源
提供电源为220V 50Hz
F、总体设计结构
2.3 涡流检测技术
(1) 原理
涡流检测技术是一种新型检测技术，它利用导体中的涡流效应实现对导体材料中的缺陷性质进行分析。由电磁理论可知，随时间变化的电磁场相互转化，当导体中通以交变电流时会在导体内部和周围产生交变的磁场，在交变磁场的作用下，导体中将产生与所加交变电流相反的电动势，表现为交变电流的阻抗。对于涡流检测器其应用时探头线圈中通以交变电流，交变电流在被检导体内形成与其相反的涡旋电流如图：
当被检测物体上有缺陷存在时，所形成的涡旋电流将绕过缺陷，所以所形成的感应电磁场发生变化，从而使耦合后的阻抗发生变化，其变化将在探头上感应出来。涡流检测优越之处在于其激励信号为交变电流，通过对交变电流相位的不同的分析可以提高检测信号的信噪比，提高灵敏度。
(2) 组成：
A、探头
涡流检测器的探头是涡流检测的关键部分，直接影响到整个系统检测灵敏度的高低和信噪比的大小。良好的探头设计和适宜的探头结构形式能使原本不易探测的缺陷信号得以增强。探头的形式主要包括差动式(Differential)、绝对式(Absolute)、和反射式(Reflection，Drive pick-up)线圈，一般根据被检材料材质检测速度等因素对探头形式进行选择。
B、信号发生电路：
被检导体上涡流的产生较为复杂，首先需要一个激励信号，一般由线圈产生。通过向探头(线圈)中通以特定频率的交流电，交流电的频大小非常重要，它不仅直接影响检测缺陷的深度，而且对检测灵敏度影响也很大。交变信号通常为较大功率的正弦波信号，这样有利于拾取信号的分析。
C、信号处理部分
首先由探头接收信号，通过对反馈信号进行阻抗分析，提取相位的变化确定缺陷的信息，但对于被检导体而言由于探头的提离效应和被检导体边缘效应的影响，必须对信号进行处理来抑制无用信号带来的影响。
3 结束语
无损检测技术的发展日新月异，检测精度不断提高，本文中提级的三种检测方法各有利弊。对于检测数据的最终处理要求不一，为了提高检测质量可以利用现代信号处理技术对最终数据进行深度加工。从而充分挖掘检测系统的系统资源。
(本文作者：常连庚 陈崇祺 张永江 季峰 中国石油天然气管道局管道技术公司 河北廊坊 065000)
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