脉冲涡流技术在保温层下管道腐蚀检测的应用研究
何婷婷 冯翠宁 韩雪艳 闫化云
（中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452）
保温层下腐蚀（简称CUI）是指发生在包裹保温材料的管道或设备外表面上的一种腐蚀现象[1]。据统计，在石油化工行业中，超过60%的管道故障是由CUI引发的，而且每年由于CUI引发设备和管道发生故障导致的危险产品泄漏、设备非正常运行甚至人员伤亡等一系列严重问题所造成的经济损失高达数十亿美元[2]。石油工业中大部分设备和管道都是由碳钢和不锈钢制造而成的，由于安装、操作、性能及外界因素造成外防护层、密封胶或防腐层的破损，会在保温材料和管道间形成局部的电化学腐蚀环境，空气和水等介质与金属管道接触会发生电化学反应而导致CUI的发生，CUI难以通过保温层的外表面发现，常规检测手段需要拆除管道外部保温层，使运营维护费用增加[3]。工业上常用的CUI检测技术主要有：目视、射线实时成像技术（OpenVision）、IRIS检测技术、RCS电导技术、长距离导波技术、温度场分布技术、脉冲涡流检测技术等[4]。其中脉冲涡流技术作为一种新型的无损检测技术，不需要将探头与测试表面进行接触，不用使用耦合剂，所以在CUI检测中无需剥离管道的保温层，满足管道腐蚀缺陷的在线检测需求，在CUI管道筛选领域具有良好的应用前景。
本文对常规的CUI检测技术进行了详细的介绍，同时重点阐述脉冲涡流技术对保温层下管道腐蚀缺陷的检测原理，并对具有腐蚀缺陷的保温层下管道进行试验测试，为CUI检测提供技术借鉴。
目前常用的CUI检测技术的类型、检测原理和技术特点如表1所示，其中脉冲涡流技术采用一定的占空比的方法向激励线圈通入方波，因方波中含有丰富的频率成分，检出信号中包含很多关于试件缺陷信息，具有检测穿透力强、频谱范围广、能力强、速度快、准确性高等优点[5]。近年来脉冲涡流技术逐渐成为广大学者的研究热点，RaoK S[6]等提出来一种基于脉冲涡流响应的脉冲时间常数和电压参数可用于检测表面6mm以下的缺陷，能够区别内外表面缺陷。赵番[7]等人设计了一套涡流检测系统，能够准确的区分出金属管道的内外壁缺陷。Rudlin J[8]设计了脉冲涡流周向分布式探头，可用于包覆层管道检测。CHEN X[9]等人研究了通过包覆层和保温层时壁变薄的脉冲涡流测试，研究结果表明在关闭磁电流的一段时间内，磁场信号的衰减行为几乎仅与管道壁厚有关。
表1 CUI检测技术类型
表1 （续）
脉冲涡流检测技术又称瞬变电磁法，其测量主要包括发射回线和接收回线两部分，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。图1是脉冲涡流检测带包覆层管道的检测原理，如图1所示，给发射回线中通以阶跃电流，发射电流突然下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场；
一次磁场在周围传播过程中，如遇到导电性良好的待检管道，将在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流；
由于二次电流随时间变化，因而在其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。二次磁场由接收回线观测，通过对观测的数据进行分析和处理，可对待检管道的相关物理参数进行解释，当管道有腐蚀等损伤情况时，分布在管道上的涡流会发生变化，由涡流产生的感应电磁场也随之发生相应的变化，因而根据接收到的电磁场变化就可准确检测到管道的损伤情况、损伤类型和损伤程度。
图1 脉冲涡流对CUI管道的检测原理
图2是脉冲涡流技术对CUI管道检测的工作原理。如图2所示，在管道检测过程中，激励回线装置向待检管道发送一次周期脉冲磁场，产生一次磁场信号。线圈周围空间受激励产生衰变涡流，形成与初始磁场方向相同的感应衰减磁场，即二次磁场信号。随时间衰减的二次磁场强度影响接收装置中回路电流的数值变化，利用接收回线中电压动态，可反映二次磁场衰减过程。通过提取和分析响应的电压信号，可判定待检管道的腐蚀损伤情况。
图2 脉冲涡流检测CUI管道的工作原理
3.1 设备与器材
选择三段参数相同的5-1/2寸、壁厚为7.3mm的N80套管。分别对三段套管进行了不同程度的孔洞、裂缝、腐蚀环等缺陷制造，套管参数及损伤类型如表2所示，套管损伤的形貌如图3（a）所示。将套管1/2/3进行首尾接箍连接，并利用岩棉作为保温层材料，铝皮为外包覆层包裹套管进行保温层下管道的组装，将脉冲涡流检测技术的探测仪器置于外包覆层的上方进行保温层下腐蚀缺陷的检测，试验测试如图3（b）所示，可以看出该探测仪器采用的是6个阵列分布的环贴式探头，可通过旋转探头的方式实现管道的周向检测。将套管进行组合后的测试管道缺陷位置如图4所示。
表2 套管参数及损伤类型
图3 （a）套管损伤形貌和（b）脉冲涡流检测技术试验测试示意图
图4 测试管道缺陷位置示意图
3.2 试验条件
将检测探头置于Φ25mm孔洞的正上方，探头与套管的距离是提离高度，提离高度的示意图如图5所示。通过增加保温层的厚度，增加检测工具的提离高度，将提离高度分别设置为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm，探究提离高度对检测（探头5）的信号强度的影响。同时分别固定保温层厚度30mm、40mm、50mm、60mm的提离高度对接箍组装完成的保温层下的管道进行缺陷测试。试验测试中发射探头采用的是480ms发射频率的双极性脉冲的电压信号，其电压幅值为5V。
图5 提离高度示意图
3.3 试验结果
图6 为提离高度对检测信号强度影响的趋势图，从图6可以看出，随着探头与管道之间提离高度的增加，探头接收信号强度逐渐减小；
当提离高度在60 mm内变化时，信号波动幅度 较大，可对孔洞损伤进行有效识别；
当提离高度持续增大时，信号强度变得很小，信噪比较差，对于孔洞的识别能力降低。
图6 提离高度对检测信号强度的影响
将探测仪器平稳放置在30、40、50、60mm保温层厚度的管道的上方，采用0.041 m/s的测试速度匀速拖动仪器，从测试管道的左端（套管3）缓慢移动至管道右端（套管1）时，依次对三段套管进行试验测试，观察仪器在经过具有接箍和腐蚀缺陷的管道过程中测试曲线的变化。缓慢匀速移动探头的测试结果如图7和图8所示，从上到下依次对应探头1～6的测试数据，0～1m的测试数据表示套管3缺陷的测试结果，1～2m的测试数据表示套管2缺陷的测试结果，2～3m的测试数据表示套管1缺陷的测试结果。
图7 厚度为（a）30mm、（b）40mm的保温层下管道测试结果
图8 厚度为（a）50mm、（b）60mm的保温层下管道测试结果
图7 （a）、（b）分别是30mm、40mm厚度的保温层下管道的测试结果。由图7（a）可以看出，探头1～6的测试曲线位于0.9～1.1m和1.9～2.1m的两个“凸峰”分别对应的是连接被测套管的2处接箍的信号峰；
探头1～6的测试曲线中位于0.35～0.45m和0.55～0.65m的两个“凹峰”分别对应10×1腐蚀环和10×1.5腐蚀环；
探头1/2在0.75～0.85m处的“凹峰”是3.5×80横缝的信号峰；
探头3/4在1.7～1.8m处的“凹峰”是2×60斜缝的信号峰；
探头5在2.3～2.4m处的“凹峰”信号对应的是Φ15的孔洞；
探头5/6在2.5～2.6m和2.8～2.9m处的两个“凹峰”信号分别对应的是Φ25孔和3×40横缝。图7（b）的测试的峰值结果与图7（a）相比，各探头测试缺陷的感应电动势峰值降低，信号变弱。同时探头6在2.5～2.6m处的没有检测出Φ25孔洞的信号峰。
图8（a）、（b）分别是50mm、60mm厚度的保温层下管道的测试结果。对比图7和图8可以看出，随着保温层厚度的增加，探头与管道之间提离高度的增加，探头对于不同形态的管道腐蚀缺陷的检测信号的接受能力变弱，信噪比逐渐减小，仪器所能检测的信号强度也逐渐减弱。当提离高度提高到60mm时，除了接箍的“凸峰”信号外，对于其余腐蚀缺测试的感应电动势的峰值基本都在0.1V以下，在信噪比较差的情况下，测试信号容易被噪声淹没，对不同程度不同类型的损伤缺陷，识别能力较弱。
图7 和图8中对于套管3的2.5×10横缝、套管2的Φ5孔洞、套管1的Φ10孔洞的探测信号峰均不明显，考虑到是提离高度影响的原因。同时套管2的2×40和2×50的竖缝也都没有检测出信号，这是由于竖缝与仪器探测信号的方向一致，使得探测仪器难以对竖缝实现有效的识别。
（1）脉冲涡流技术不需要将探头与测试表面进行接触，也不需要耦合剂，检出信号中包含很多关于试件缺陷的信息，而且在CUI检测中管道的保温层不需要剥离，可以满足管道腐蚀缺陷的在线检测；
（2）脉冲涡流探测仪器能够较为灵敏地识别60mm以内厚度保温层下的管道腐蚀缺陷，其中对于接箍和腐蚀缺陷有非常明显的识别能力。但随着保温层厚度和提离高度的增加，检测探头对于管道腐蚀缺陷的检测信号的接收能力逐渐变弱，信噪比逐渐减小，仪器所能检测的信号强度也逐渐减弱；
（3）脉冲涡流技术能够准确识别不同类型的管道损伤缺陷，由于提离高度的影响，对于较小的腐蚀缺陷，检测结果存在一定的误差，但其总体检测精度已超越现有技术的水平，在海上平台保温层下管道损伤检测的实际工程中具有很大的应用前景。
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