摘要：三轴漏磁检测技术成功解决了老管道的焊缝检测难题，但随着老管道的逐步退役，对于新管道是否需要三轴漏磁检测技术成为技术人员和管理人员较为关注的问题。对三轴漏磁内检测技术的研究和现场应用表明:三轴漏磁内检测器能够检出各类常规金属损失缺陷和传统漏磁检测器难以检测出的非常规缺陷，如狭长轴向缺陷、环焊缝缺陷、螺旋焊缝缺陷以及凹陷等。与传统漏磁检测器相比，三轴漏磁内检测器显著提高了金属损失缺陷尺寸的判定精度。
关键词：三轴漏磁；内检测；信号分析；应用
1、三轴漏磁内检测原理
漏磁内检测器的工作原理(图1)是:利用自身携带的强磁铁产生的磁通量，通过钢刷耦合进入管壁，在管壁圆周上产生1个纵向磁场回路，使磁铁间的管壁达到磁饱和状态。若管壁没有缺陷，则磁力线在管壁内均匀分布。若管道存在缺陷，管壁横截面减小，由于缺陷的磁导率远比铁磁性材料小，因此磁阻增大，磁通路变窄，磁力线变形，部分磁力线穿出管壁两侧产生漏磁场，其形状取决于缺陷的几何形状。位于两磁极之间紧贴管壁的探头(传感器)检测到漏磁场，并产生相应的感应信号，其经过滤波、放大、模数转换等处理后被记录到存储器中。检测完成后，通过专用分析软件对数据进行回放、识别和判断，获得缺陷的类型、位置、形状和尺寸等信息。
金属损失产生的漏磁场是空间三维矢量场。由于传感技术、数字信号处理能力及内检测器存储容量的限制，大部分传统内检测器只记录三维漏磁场的轴向分量。为了提高缺陷尺寸的检测精度，一个选择是提高传感器的分辨率，然而分辨率越高，精度并不总是越高;另一个选择是记录漏磁场的分量，根据不同方向的分量精确回归缺陷的形状和尺寸。三轴漏磁内检测器工作原理与传统漏磁内检测器基本相同，主要区别是三轴漏磁内检测器在一个探头中安装了三轴向正交霍尔传感器，可分别测量轴向、径向和周向的磁通量数据，用来确定完整的三维漏磁场矢量，以提高缺陷形状和尺寸的测量精度。
2、三轴漏磁内检测信号特征
漏磁内检测器主要用来识别并确定腐蚀缺陷的尺寸。漏磁信号的形状和尺寸变化依赖于检测到的腐蚀缺陷的形状与尺寸。但是，对于任何单个腐蚀缺陷，峰的数量和极性是相同的。轴向信号有1个带有2个较小负峰的正峰(红为正，蓝为负);径向信号有1正1负2个峰;周向信号有2正2负4个峰(图2)
图 2 管道腐蚀缺陷的三轴漏磁信号示意图
2.1轴向漏磁信号特征
三轴传感器使用与轴向垂直的霍尔传感器记录漏磁场的轴向分量。简单腐蚀缺陷的轴向磁场分量有1个带有2个较小负峰的正峰。轴向漏磁信号主要反映管壁感应的磁通密度。轴向漏磁信号在宽度上呈非线性分布，虽然可以根据轴向漏磁信号粗略估算缺陷宽度，但结果极不可靠。轴向漏磁信号能够反映缺陷长度，精度亦不高。轴向漏磁信号幅度偏转，在一定程度上能够指示缺陷深度，精度同样不高。传统的漏磁检测器只有轴向传感器，故确定缺陷宽度、长度和深度的精度不高。
2.2径向漏磁信号特征
三轴传感器使用与径向垂直的霍尔传感器记录漏磁场的径向分量。简单腐蚀缺陷的径向漏磁信号有1对幅值基本相等的正负双峰。径向漏磁信号不能有效反映管壁磁化状态，但对传感器提离值的变化最敏感，必须将异常信号与其它方向的漏磁信号结合起来进行确认。与轴向漏磁信号相比，径向漏磁信号能有效地反映缺陷宽度，但精度仍然不高。缺陷长度可由径向漏磁信号的峰值位置清晰界定，径向漏磁信号幅值与缺陷深度具有较高的相关性。径向与轴向漏磁信号幅度偏转相结合，可以清晰界定缺陷长度，基本确定缺陷深度，但缺陷宽度仍难以准确判定。
2.3周向漏磁信号特征
进行工程适用性评价时，主要以缺陷长度和深度评估缺陷的严重程度。需精确确定缺陷宽度主要基于两个原因:首先，缺陷宽度是一个能够决定缺陷深度判定精度的重要参数，具有类似振幅特性的曲线，缺陷宽度不同，深度差别很大;其次，根据相关准则或标准要求，临近缺陷因其相互作用可视为一个大缺陷进行适用性评价，需要对缺陷宽度进行精确判定。
周向漏磁信号除在径向上有正负极性外，在周向上也有正负极性，所以周向漏磁信号在一个类似矩形的范围内有2正2负4个幅值基本相等的峰。这些极大值与极小值的位置非常直观，能比较清晰地反映缺陷长度和宽度，故周向漏磁信号能够较精确地判定缺陷宽度和长度，结合轴向分量和径向分量的测量结果，提高了缺陷深度的判定精度，这也是三轴漏磁内检测技术的优势所在。
3、三轴漏磁内检测器的应用
中国石油管道公司将三轴漏磁内检测技术的研究成果应用于东北一条运行了40多年的输油管道，检出了各类常规金属损失缺陷和传统漏磁检测器难以检测出的非常规缺陷，如狭长轴向缺陷、环焊缝缺陷、螺旋焊缝缺陷以及凹陷等。开挖验证结果表明:金属损失缺陷尺寸的判定精度有了较大提高。
3.1狭长轴向沟槽的检测
由于传统漏磁检测器只记录1个方向的磁力线变化量，因此对沿磁力线方向分布的缺陷不敏感。三轴漏磁传感器虽然使用轴向磁场，但由于三轴漏磁传感器可以同时测量三维方向的漏磁场变化，在1次检测中可以准确测量包括轴向狭长分布的各类缺陷，精确回归缺陷尺寸。针对内检测牵拉试验预制的狭长轴向沟槽，仅由轴向与径向漏磁信号很容易判断为两个独立缺陷，而周向漏磁信号明显显示是长沟槽型缺陷。因此，使用周向传感器可减少对缺陷实际长度误判的风险。
3.2焊缝缺陷的检测
三轴漏磁内检测器能够探测、识别出具有一定开口宽度的未熔合、未焊透等环焊缝缺陷与螺旋焊缝缺陷，焊缝缺陷的本质是焊接不良导致的焊缝金属填充不足。图3方框中显示的是东北管道内检测识别出的环焊缝缺陷的漏磁信号特征，该环焊缝缺陷位于环焊缝与下游螺旋焊缝交界处，该缺陷的轴向和径向信号与金属损失极性指示一致，周向信号在缺陷的两端有极性相反的指示，这是由矢量的方向性决定的。图4方框中显示的是东北管道内检测识别出的螺旋焊缝缺陷的漏磁信号特征，缺陷处的轴向和径向漏磁信号与金属损失极性指示一致，缺陷处的周向漏磁信号的特征指示明显，也显示为单一极性，但与正常螺旋焊缝指示的极性相反。
图 3 环焊缝缺陷的三轴漏磁信号 图4，螺旋焊缝缺陷的三轴漏磁信号
3.3凹陷的检测
识别凹陷是三轴漏磁检测器的另外1个重要应用，由东北管道内检测中识别出的凹陷的三轴漏磁信号特征可知，单纯依赖轴向漏磁信号很难识别凹陷，而径向漏磁信号与周向漏磁信号可清楚地显示凹陷的存在，凹陷的最明显特征是径向信号呈马蹄铁状。
4、结语
综上可见，单纯提高轴向传感器的分辨率并不能提高缺陷宽度和深度的检测精度，这也是传统漏磁内检测器难以提高检测精度的根本原因。三轴漏磁检测器利用其周向传感器检测到的周向漏磁信号，提高了对缺陷长度和宽度的检测精度，进而提高了缺陷深度的判定精度。三轴漏磁检测器的三维漏磁信号使其明显提高了对各类缺陷的检出敏感性和检测精度。
参考文献：
[1]王富祥，冯庆善，张海亮，等.基于三轴漏磁内检测技术的管道特征识别[J].无损检测，2011，33（1）：79-84.
[2]王富祥，冯庆善，王学力，等.三轴漏磁内检测信号分析与应用[J].油气储运，2010，29（11）：815-817.
论文作者:高慧娟
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/30
标签：缺陷论文; 信号论文; 检测器论文; 轴向论文; 管壁论文; 精度论文; 宽度论文; 《防护工程》2019年第2期论文;