金属磁记忆检测技术在双金属复合管道上的探索应用.pdf

完整性管理吴凡等：金属磁记忆检测技术在双金属复合管道上的探索应用油气田地面工程 https:/金属磁记忆检测技术在双金属复合管道上的探索应用吴凡赵明辉路坤桥许泽伟胡昊徐梦雅张茹哈丽旦木托呼提买提中国石油新疆油田公司实验检测研究院摘要：采用双金属复合管被认为是解决高腐蚀性油气田地面集输管线腐蚀问题的一种相对安全的办法，但目前国内应用过程中存在管道失效及检测难等问题。金属磁记忆检测技术应用于检测埋地双金属复合管，并通过对磁异常危险等级较高位置进行开挖验证，配合测厚和磁饱和-脉冲涡流等无损检测技术，取得了良好的应用效果。检测结果明确了金属磁记忆检测技术在一定程度上可以满足埋地双金属复合管的应力集中程度检测需求，有一定的推广价值。关键词：双金属复合管；金属磁记忆检测；应力集中；腐蚀失效；开挖验证Exploration and Application of Metal Magnetic Memory Testing Technology on Bimetallic Composite PipelinesWU Fan，ZHAO Minghui，LU Kunqiao，XU Zewei，HU Hao，XU Mengya，ZHANG Ru，TUOHUTIMAITIHalidanmuExperimental Testing Research Institute of Xinjiang Oilfield Company，CNPCAbstract：Using bimetallic composite pipelines is considered as a relatively safe way to solve the corro-sion problem of highly corrosive oil and gas field surface gathering and transmission pipelines.But thereare problems such as pipeline failure and detection difficulty in the current domestic application process.Metal magnetic memory testing technology is applied to detect buried bimetallic composite pipelines.Ithas been verified by excavation at locations with high risk level of magnetic anomaly，and has achievedgood application results in combination with thickness measurement，magnetic saturation-pulse eddycurrent，and other nondestructive testing technologies.It is clear that the metal magnetic memory test-ing technology can meet the requirements of testing the stress concentration degree of buried bimetalliccomposite pipelines to a certain extent，and has certain promotion value.Keywords：bimetallic composite pipeline；metal magnetic memory testing；stress concentration；cor-rosion failure；excavation verification双金属复合管是由两种金属管道组合而成的一种新型管道1，其外部管道是普通的碳钢管，起到承受管道系统工作压力的作用；内衬管道是耐蚀合金管（不锈钢管材为主），起到耐蚀防腐的作用。双金属复合管改变了传统金属材料的单一性和局限性，及碳钢基体保证管道的整体强度和机械指标，通过内管的合金性能提高管道耐腐蚀性，是解决高腐蚀性气田地面集输管线腐蚀问题的一种相对安全和经济的方法。尽管双金属复合管应用于油气集输管线有良好的防腐效果，但复合管道失效也时有发生，这与复合管复合过程工艺、焊接工艺、金属材质特性、介质输送工况等情况息息相关。经分析统计失效案例2，发现“封焊+多层焊”的焊接工艺管道主要的失效形式有环焊缝腐蚀刺漏和环焊缝开裂等。在新疆某油气田的管道检测中发现了较多的内衬管塌陷问题。双金属复合管道发生过多起失效事件，必须根据 2017 年颁布的 中国石油天然气股份有限公司油气田管道和站场完整性管理规定 开展完整性管理。对 双 金 属 复 合 管 道 的 检 测 评 价 存 在 诸 多 困难3-6，焊缝开裂或腐蚀的检测主要利用传统的超声波、射线、相控阵等无损检测手段，需要大量开挖埋地管道形成作业空间，开挖工作量大，不适用于DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.04.00848第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/完整性管理在役管线的排查检测工作；由于双金属复合管内衬塌陷严重、许多集输管线并无收发球筒，对通球及通径检测提出更高要求，无法开展内检测；非开挖的检测技术有很多，但是对双金属复合管道的检测还存在各种适用性问题，有待进一步验证。管道缺陷处会伴随应力集中问题，应力的集中会造成磁场改变，可用金属磁记忆检测技术进行应力集中检测，诊断油气管道的安全性。1金属磁记忆检测技术1.1技术原理1994 年，俄罗斯学者杜波夫于第一次提出“金属磁记忆”的概念7，该技术可以对金属构件进行应力集中检测，对于双金属复合管道而言就是可以利用此技术对现有检测技术无法进行内检测或无法实现缺陷检测的管道进行非接触检测。磁应力检测工作原理是基于维拉里效应，即磁弹性效应（villari effect），是指由变形和内部应力影响产生的铁磁材料磁化强度变化的物理现象8。铁磁性材料中的应力集中区在地磁场作用下，发生磁畴的自发转动，形成磁极，以磁性能的形式来抵消部分应力集中带来的弹性能量。通过测量金属表面漏磁场的分布特征，就可以得到金属构件应力集中区域的分布以及大小，达到检测应力集中区及缺陷位置的检测目的。运行中的管道管体上会产生一定的应力分布，管道在地磁的作用下，在应力集中区磁场会发生畸变，非接触式磁检测技术利用铁磁材料具有金属磁记忆的特性，通过检测管体上的磁场变化，定位应力集中区，对管道上方的空间磁场梯度进行采集和分析，就可以找到管体上因腐蚀缺陷、几何形变等原因造成的缺陷9-10（图 1）。1.2技术特点该技术包括以下优点：管道检测前不需清管作业，并且对受检管道不要求做表面处理；对管道运行工况要求不多，不影响管道生产运行；无需与管线搭接即可进行检测，可在任意管段上实施检测作业，无需整段检测；能较高精度确定金属构件应力集中区，能检出管体内外腐蚀、裂纹、变形等缺陷造成的应力集中，配合常规无损检测可以提高精度；该技术设备使用便携式仪表，重量轻，方便携带及检测作业续航时间长。图 1金属磁记忆检测技术示意图Fig.1 Schematic diagram of metal magnetic memory testingtechnology但该技术也存在一些缺点，主要包括：检测管道近两年不能做过漏磁内检测等磁化检测，即检测对象不应是人工磁化的金属；对检测管道有一定的要求，如管道材质需为铁磁性材料、检测器与管顶距离最大值为管道直径的 15 倍、管道需带压运行超过 2年等；对检测管道周边环境有一定的要求，如被检管道不能在钢筋混凝土路面以下、被检管道 1 m 内不应有外部磁场源和电焊场源、被检管道 5 m 内不应该有铁磁性构筑物、检测管道敷设环境应平坦以保证检测过程平稳。2缺陷评价依据以磁异常综合指数F来评价管道缺陷情况，对于含有损伤的管段，以F值的大小确定损伤管段的应力风险等级，F值按公式（1）计算11：F=e-AG式中：A为修正系数；G为损伤程度的度量值。参考 GB/T 350902018无损检测管道弱磁检测方法，将管道应力损伤等级分为 3 个等级，如表 1所示。3技术应用3.1检测流程对双金属复合管的特性及现场具体工况进行了分析，优化了检测方法，形成了应力检测与磁饱表 1磁异常危险等级划分Tab.1 Classification of magnetic anomaly hazard综合指数F值00.20.20.550.550.99磁异常的危险等级1级2级3级管线状态及处理措施风险较大，需尽快消除，建议立即修复一般风险，在可控范围内，建议在一定条件下监控使用风险较低，风险轻微，建议定期检验49完整性管理吴凡等：金属磁记忆检测技术在双金属复合管道上的探索应用油气田地面工程 https:/表 2双金属复合管道金属磁记忆检测情况Tab.2 Metal magnetic memory testing of bimetallic composite pipeline异常等级112233232331333333323333323323331223111231112异常系数0.159 20.193 90.384 60.241 90.778 70.794 90.201 60.774 20.30360.701 00.952 70.109 70.737 60.749 10.804 40.552 50.798 60.609 90.720 30.233 70.865 70.883 10.889 60.862 80.884 90.466 70.962 50.896 00.538 40.865 60.899 50.944 50.105 90.499 20.478 10.856 10.287 60.283 50.119 20.280 10.635 80.085 40.093 30.105 40.458 3缺陷区始点/m91.69103.9122.74679.24736.47410.2641.72188.44431.48436.29163.78251.2295.28229.7120.73281.92404.07463.5142.09120.4913.19148.62390.06164.05321.69456.328.32191.69251.34172.5216.5245.93440.3915.51117.55134.48214.56260.78429.54455.41517.1868.9288.86376.9751.09缺陷区终点/m92.94105.09124.89682.17737.79412.243.52189.09432.95438.2164.37254.695.95230.5922.18283.77404.92464.1942.76121.2113.87149.63390.65165.05322.28458.128.97192.39252.4173.13217.13246.65441.2217.16118.43135.08217.27261.83430.79456.23518.4171.8991.81379.8752.29异常等级33211212223322332321223132223321222122122222异常系数0.736 70.650.313 60.091 80.109 40.335 10.163 80.461 10.425 10.467 50.586 20.830 70.306 40.420 90.698 10.700 50.433 20.680 90.373 70.034 30.216 90.261 10.678 00.185 00.809 90.470 70.259 20.466 00.912 00.951 10.436 60.010 60.465 50.401 70.490 20.083 10.232 30.265 70.180 60.521 30.372 20.468 60.205 90.481 4缺陷区始点/m187.01297.65298.74269.92442.45175.21321.36378.95250.2489.82257.83281.79286.0272.01155.74289.13235.54237.69111.29397.6315.04224.5649.9266.67188.16331.35428.13115.07125.22310.23346.837.02310.37317.22166.53172.43363.92391.64262.84494.8469.77218.67146.7251.79缺陷区终点/m187.98298.35300.51271.05445.33177.15324.38382.6251.93490.85258.49282.53286.973.6156.86290.09237.69239.07111.97399.38317.2226.650.9168.8188.86333.05428.81115.81125.82310.79347.839.58311.32318.04167.36174.96365.53395.97264.55495.8671.04220.48148.84252.7950第 43卷第 4期（2024-04）油气田地面工程 https:/完整性管理和-脉冲涡流、超声、内窥相结合的检测策略，全面掌握双金属复合管的完整性情况，为双金属复合管检测提供新的技术手段。双金属管道的检测流程如图 2所示。图 2金属磁记忆检测流程Fig.2 Flow of metal magnetic memory testing3.2检测结果现 场 使 用 JX-MTM 金 属 磁 记 忆 检 测 仪（量程10104nT）对 64 km 输气管道进行检测（非接触式检测，检测器与管顶距离最大值为管道直径的 15 倍），共识别出 89 个，其中：1 级点 18 个，2级点 36个，3级点 35个。检测结果如表 2所示。检测过程：检测人员按照操作规程使用非接触式金属磁记忆检测仪在待检管道上扫描行走检测，通过收集管体上的磁场变化，可定位应力集中区，再经过软件分析处理，找到管体上因腐蚀缺陷、几何形变等原因造成的缺陷（应力集中）。由于此次检测的双金属复合管道所处位置为工业园区，其中干扰因素较多，如伴行管线、交叉管线、埋地光缆、埋地电缆、架空电力线、桥涵等，会给异常点等级判定带来不确定因素，对于异常点等级为 12级的缺陷点需要现场复核和修正，进行全面排查，识别并删除干扰异常点，最终删除 1级点 3个，2级点 8个。3.3现场验证通过现场开挖壁厚检测验证，此次检测管道整体异常缺陷点不多，主要表现为轻微的机械损伤、管线焊缝处外防腐层漏点形成的外腐蚀，具体开挖情况如表 3所示。从开挖直接检测结果分析，所有开挖点管道外壁没有明显可测的腐蚀坑，管道壁厚减薄均为不可见内腐蚀减薄，腐蚀速率 0.010.067 mm/a。除开展了壁厚检测外，在现场进行了磁饱和-脉冲涡流检测（提离高度 13 mm）。该检测方法适用于在金属磁记忆检测对管线全线进行缺陷识别以及对管线运行情况进行风险点评估确定后，小范围开挖检测双金属复合管基管与衬管结合情况。现场应用 3 处，检出内衬塌陷 1 处，具体情况如图 3所示。表 3开挖验证情况Tab.3 Excavation verification status探坑编号K01探坑（异常等级 1级）K02探坑（异常等级 1级）K05探坑（异常等级 2级）K10探坑（异常等级 3级）K64探坑（异常等级 2级）图片开挖情况轻微的机械损伤、内衬塌陷轻微的机械损伤外防腐层漏点轻微的机械损伤轻微的机械损伤图 3双金属复合管道内衬塌陷Fig.3 Inner lining collapse of bimetallic composite pipeline结合原始资料和依据此次检测结果得出的结论，对集输管道缺陷原因做了如下分析：（1）输送介质中含有腐蚀性物质，存在一定的电化学腐蚀。该管道 CO2浓度范围在 0.482%1.89%（体积分数），是非含硫气田主要的腐蚀介质，当有游离水环境存在时，CO2溶于水产生酸性环境，易发生电化学腐蚀。（2）第三方破坏。管线在运输及安装施工过程中，会存在施工不规范现象，造成防腐层的破坏等情况出现，最终在生产运行时出现损伤、腐蚀等现象。（3）管道防护措施参数错误。此次检测集输管道均采用强制电流防护措施，在本次检测过程中发现部分通电电位负于-1.20 V，可以导致过保护现象，尤其是对于 3PE防腐层，易在防腐层接头处形成氢剥离现象。4结论在管道的设计期、建设期和运行期全面加强完整性管理，在运行期要加大检测力度，推行成熟先51完整性管理吴凡等：金属磁记忆检测技术在双金属复合管道上的探索应用油气田地面工程 https:/进的检测方法，将管道运行期的管理从泄漏后的事后维修提前到正常运行中的腐蚀检测和日常维护上来12。此次在双金属复合管运行期开展的磁记忆检测，为双金属复合管运行期的检测管理提供了一种切实可行的方法。（1）非接触式金属磁记忆检测技术可以作为一种新型的检测手段应用于双金属复合管道，本次试验只进行了 1次，后续需要进行更多次的尝试探索来确定其准确性及适用性。本次对双金属管道全管线进行了金属磁记忆在线检测，发现了双金属管线存在的管线应力集中点与管体潜在缺陷（不锈钢内管的情况在非接触金属磁记忆检测中并无明显数据体现，检测出碳钢基管的应力集中点并能一定程度上代表整根管道的情况）。针对应力集中点与管体潜在缺陷，使用超声测厚及磁饱和-脉冲涡流等无损检测手段进行开挖验证，缺陷等级和危险程度基本吻合，磁异常缺陷段检出率达到 78，磁异常缺陷定位准确度达 90以上。针对管道内检测无法开展的埋地双金属复合管道，金属磁记忆检测可以提供一套经济有效的检测方法，有一定的推广价值。（2）金属磁记忆检测的缺陷定位准确度需要进一步加强，数据处理对人员判别及工作经验有较高要求。此次技术应用，管道所处位置为工业园区，其中干扰因素较多，如伴行管线、交叉管线、埋地光缆、埋地电缆、架空电力线、桥涵等，会给异常点等级判定带来不确定因素，对于异常点等级为12级的缺陷点需要现场复核和修正。由于磁记忆检测技术收集的是磁信号，因此受到的干扰影响较大，需要逐一现场判别实际情况，以提高检测数据的准确度，对数据处理人员要求较高。（3）与传统的内外检测技术相互配合，可以有效提高检测效率及准确度。重点缺陷位置进行开挖检测，开挖后使用超声测厚、B 扫等无损检测手段，复核缺陷管段情况，取得了良好的应用效果。参考文献1 周声结，郭崇晓，张燕飞双金属复合管在海洋石油天然气工程中的应用J中国石油和化工标准与质量，2011，31（11）：115-116ZHOU Shengjie，GUO Chongxiao，ZHANG YanfeiAppli-cation of bimetallic composite pipe in offshore oil and gas en-gineeringJ China Petroleum and Chemical Standards andQuality，2011，31（11）：115-1162 赵新伟，魏斌，杨专钊，等316L衬里复合管道主要失效形式及其完整性检测技术研究J压力容器，2020，37（11）：57-64ZHAO Xinwei，WEI Bin，YANG Zhuanzhao，et al Re-search on the main failure forms and integrity detection tech-nology of 316L lined composite pipelineJ Pressure Ves-sel，2020，37（11）：57-643 李发根，杨家茂，冯泉，等在役双金属复合管道失效机制及控制措施分析J焊管，2019，42（9）：64-68LI Fagen，YANG Jiamao，FENG Quan，et alAnalysis onfailure mechanism and control 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corrosion failure of oilfield buriedpipelines and countermeasuresJ Oil-Gas Field SurfaceEngineering，2022，41（8）：61-67作者简介吴凡：工程师，2012 年毕业于西南石油大学石油工程专业，从 事 油 气 田 地 面 及 油 气 储 运 研 究，0990-6886007，新疆克拉玛依市克拉玛依区胜利路87号实验检测研究院，834000。收稿日期2023-12-12（编辑李娜）62