胡建國 董立超 張榮輝 麻宇杰 韓雪 張婷

1中國石油長慶油田長慶科技工程有限公司

2中國石油長慶油田分公司第八采油廠

3中國石油青海油田分公司第三采油廠

瞬變電磁（TEM）檢測技術(shù)主要應(yīng)用于地球物理勘探，1933年由美國科學(xué)家提出，20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)基本建立了瞬變電磁法解釋理論與野外施工的方法技術(shù)。我國的瞬變電磁研究起始于20世紀(jì)70年代初，取得了較好的效果[1]。從20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)TEM法進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，在地質(zhì)礦產(chǎn)、煤礦、工程物探等行業(yè)廣泛應(yīng)用。該方法的特點(diǎn)是利用瞬變電磁檢測儀間接檢測管體壁厚損失率，無需開挖，主要適用單根或間距大于2倍埋深的平行管道，檢測數(shù)據(jù)的可靠性受開挖點(diǎn)數(shù)及分布范圍的影響[2]。

1 瞬變電磁檢測技術(shù)

管道壁厚TEM檢測方法是基于瞬變電磁原理（圖1），用發(fā)射回線向金屬管道發(fā)送一次脈沖磁場，用接收回線測量二次渦流磁場（圖2），根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)的管道在瞬變衰減特征上的區(qū)別來評(píng)估管體金屬損失的一種檢測手段[3]。

1983年，美國地球物理學(xué)家推導(dǎo)出中心回線裝置的感應(yīng)電壓表達(dá)式為[4]

式中：V(t)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)函數(shù)，V；q為接收線圈的面積，m2；L為發(fā)射回線邊長，m；I為發(fā)射電流強(qiáng)度，A；?(z)為概率積分；z為瞬變場參數(shù)；τ為擴(kuò)散參數(shù)，m；t為時(shí)間，s；u(t)為單位階躍發(fā)射電流的電壓響應(yīng)函數(shù)；dt為時(shí)間的微分。

圖1 矩形回線中產(chǎn)生的磁力線Fig.1 Magnetic field lines generated in a rectangular loop

圖2 等效渦流環(huán)(Tx磁場強(qiáng)度)Fig.2 Equivalent eddy current ring(Txmagnetic field strength)

瞬間斷電以后，在管道正上方，管體上的二次磁場在接收回線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[5]

式中：U(τ)為階躍發(fā)射電流的電壓響應(yīng)函數(shù)；b為有效線圈的直徑，m；為二次磁場接收回線邊長，m；T、R為管材壁厚度，mm；k為常數(shù)；n為線圈匝數(shù)；α為v或L與磁感線的夾角；μ為自感電流變化率。

管徑、材質(zhì)、管內(nèi)輸送介質(zhì)相同但管壁厚度不同的管體，脈沖瞬變響應(yīng)具有時(shí)間上的可分性（圖3），它正是實(shí)現(xiàn)管道腐蝕（管壁減薄）檢測技術(shù)與方法的基礎(chǔ)[6]。

圖3 不同壁厚脈沖瞬變響應(yīng)幅值對(duì)比Fig.3 Comparison of impulse transient response amplitudes of different wall thickness

實(shí)測與理論TEM響應(yīng)曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 實(shí)測與理論TEM響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of measured and theoretical TEM response curves

圖4 綠色曲線為試驗(yàn)管道一個(gè)測點(diǎn)上的響應(yīng)曲線，管徑為219 mm，壁厚為5 mm；藍(lán)色曲線為相應(yīng)參數(shù)的理論計(jì)算值；粉色曲線為實(shí)測大地的響應(yīng)曲線。由圖中可以看出，測點(diǎn)上的響應(yīng)早期為大地、裝置、管道的綜合響應(yīng)，響應(yīng)晚期是與被測管道直接相關(guān)的時(shí)變信息。試驗(yàn)結(jié)果表明[7]，理論計(jì)算與實(shí)測相符。

管段長度：每個(gè)測點(diǎn)覆蓋的管段長度近似等于所采用的傳感器發(fā)射回線邊長與2倍管道中心埋深之和(L +2h)。

檢測精度：一般干擾條件下，誤差可控制在5%以內(nèi)。

驗(yàn)證方法：開挖驗(yàn)證，并采用高精度測厚儀實(shí)際測量管道壁厚，測量點(diǎn)應(yīng)均勻分布并具有統(tǒng)計(jì)意義。

符合率：檢測出的剩余管壁平均厚度與管壁實(shí)際平均厚度之間的偏差不超出檢測精度范圍時(shí)，稱為“檢測結(jié)果與實(shí)際情況相符”。一般情況下，符合率不低于80%。

2 標(biāo)定點(diǎn)位置

2.1 選取條件

（1）通過對(duì)比分析TEM生成的波形，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，沒有干擾的點(diǎn)。

（2）經(jīng)初步計(jì)算壁厚值能夠代表大多數(shù)被檢測點(diǎn)。

每個(gè)檢測管段應(yīng)有至少一處已知管道壁厚的標(biāo)定點(diǎn)[8]，當(dāng)發(fā)現(xiàn)被檢測管段存在管材變化或管道壁厚值變化較大時(shí)（通過對(duì)比TEM產(chǎn)生的波形變化，壁厚減薄率大于15%），應(yīng)在管材發(fā)生變化的管段或壁厚變化較大的管段增加標(biāo)定點(diǎn)以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

管線的管徑和材質(zhì)相同，通過對(duì)TEM采集獲得的瞬變電磁檢測波形圖進(jìn)行分析，并參考現(xiàn)場檢測時(shí)對(duì)檢測數(shù)據(jù)的受干擾程度以及對(duì)檢測數(shù)據(jù)的初步計(jì)算，再結(jié)合現(xiàn)場地形確定標(biāo)定點(diǎn)。

2.2 標(biāo)定點(diǎn)壁厚值的分析

標(biāo)定點(diǎn)壁厚值測量時(shí)1個(gè)坑道應(yīng)至少測量4個(gè)環(huán)周，每個(gè)環(huán)周間距為20 cm（圖5）。在每一個(gè)環(huán)周上選取8個(gè)檢測點(diǎn)，每個(gè)檢測點(diǎn)至少讀取8個(gè)數(shù)值。將標(biāo)定點(diǎn)探坑內(nèi)所有檢測數(shù)據(jù)取平均值作為該標(biāo)定點(diǎn)的壁厚值。

如表1所示，第1個(gè)環(huán)周的平均值為4.49 mm，同樣測算出其他3個(gè)環(huán)周的平均值為4.42、4.4、4.40 mm，通過計(jì)算得知這4個(gè)數(shù)值的平均值為4.44 mm，作為該標(biāo)定點(diǎn)的壁厚值。

圖5 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線標(biāo)定基點(diǎn)照片（直接檢測對(duì)比分析TEM間接檢測）Fig.5 Picture of calibrated base points of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z(comparative analysis of direct detection and TEM indirect detection)

表1 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線250 m（標(biāo)定點(diǎn)）處超聲波測厚值Tab.1 Ultrasonic thickness values at 250 m(marked point)of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z mm

3 管線瞬變電磁檢測波形分析

圖6中的波形是將各測點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)帶入數(shù)據(jù)分析軟件后生成的，波形相對(duì)平緩說明檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量好，波形若無規(guī)則說明檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量差。學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1～600 m段管道瞬變電磁檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，1～4 m管道出站上翻點(diǎn)數(shù)據(jù)不可用，5～81 m（圖6中綠色橢圓部分）管道出站穿馬路前可能有其他管道并行。

圖6 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1～600 m段瞬變電磁檢測波形圖Fig.6 TEM waveform diagram of 1～600 of the oil gathering pipeline from Xue27z to Xue 8z

圖7中紅色橢圓部分壁厚值變化較小，選為基準(zhǔn)點(diǎn)開挖段。圖7中綠色橢圓部分壁厚值較兩側(cè)明顯變化較大，初步判斷該管段管材規(guī)格不同[8]。因此決定選取2處標(biāo)定點(diǎn)，驗(yàn)證TEM檢測。

圖8中學(xué)27增至學(xué)8增集油管線601～1 100 m段管道瞬變電磁檢測數(shù)據(jù)612～628、641～651、664～681、 704～721、 912～919、 920～929、943～949、963～969 m是以916.5 m處的超聲波測厚值為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算，其他點(diǎn)均以250 m處的超聲波測厚值為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

TEM檢測環(huán)境中若存在較大的電磁干擾，如高壓線、金屬體等都會(huì)對(duì)瞬變電磁產(chǎn)生影響，將造成數(shù)據(jù)結(jié)果不準(zhǔn)確。學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1 146～1 201 m（圖9中紅色橢圓部分）、2 126、2 129～2 150 m（圖9中綠色橢圓部分）檢測數(shù)據(jù)受高壓線電磁干擾，數(shù)據(jù)失真，1 429 m受公路護(hù)樁中金屬體干擾數(shù)據(jù)不可用。

學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1 101～2 150 m段管道瞬變電磁檢測數(shù)據(jù)1 146～1 153、1 279～1 286、1 321～1 328、1 511～1 517、1 527～1 536、1 739～1 746、1 814～1 822、1 834～1 840、1 851～1 859、1 971～19 79、1 993～2 008、2 022～2 030 m是以916.5 m處的超聲波測厚值為基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算，其他點(diǎn)均以250 m處的超聲波測厚值為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算（圖10）。

4 管線管壁減薄點(diǎn)分析

圖7 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1～600 m段管道瞬變電磁檢測壁厚Fig.7 TEM wall thickness diagram of the 1～600 m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

圖8 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線601～1 100 m段瞬變電磁檢測波形圖Fig.8 TEM waveform of 601～1 100 m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

圖9 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1 101～2 150 m段瞬變電磁檢測波形圖Fig.9 TEM test waveform of the oil gathering pipeline from 1 101 to 2 150m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

圖10 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線1 101～2 150 m段管道瞬變電磁檢測壁厚圖Fig.10 TEM wall thickness diagram of the 1 101～2 150 m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

壓力管道經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，最常見的缺陷就是局部管壁減薄。對(duì)因腐蝕凹陷及介質(zhì)沖刷所造成的局部壁厚減薄應(yīng)采用補(bǔ)焊或局部換管處理。全面性壁厚減薄的管道，如減薄量超過設(shè)計(jì)的腐蝕余量，就會(huì)因強(qiáng)度不夠而存在安全問題。當(dāng)測出的實(shí)際壁厚普遍小于管道允許的最小壁厚時(shí)，管道應(yīng)降壓使用或作報(bào)廢處理[9]。通過油氣管道腐蝕與防護(hù)的研究與應(yīng)用[4]和基于馬爾可夫理論油氣管道腐蝕壽命預(yù)測[10]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析，減薄率≤10%時(shí)，腐蝕程度定義為“輕”，10%＜減薄率≤25%時(shí)，腐蝕程度定義為“中”，減薄率＞25%時(shí)，腐蝕程度定義為“重”。

通過TEM間接評(píng)價(jià)分析，根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算生成管道壁厚圖，學(xué)27增至學(xué)8增集油管線發(fā)現(xiàn)有29處管壁減薄點(diǎn)，其中10處統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2。

表2 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線10處管壁減薄點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Xue 27 to xue 8 found 10 thinning points on the pipe wall

各減薄點(diǎn)曲線與標(biāo)定曲線對(duì)比情況如圖11、圖12所示。

圖11中管道規(guī)格為Φ 89 mm×4.5 mm，250 m處壁厚值為4.44 mm，1 856 m處壁厚值為3.00 mm。

圖12中管道規(guī)格為Φ 89 mm×4.5 mm，250 m處壁厚值為4.44 mm，2 007 m處壁厚值為3.98 mm。

圖11 340 m處曲線與基準(zhǔn)點(diǎn)曲線的對(duì)比圖Fig.11 340-meter curve and reference point curve

圖12 2 007 m處曲線與基準(zhǔn)點(diǎn)曲線的對(duì)比Fig.12 Comparison between the 2007 meter curve and the reference point curve

5 TEM技術(shù)評(píng)價(jià)

學(xué)27增至學(xué)8增集油管道管徑為89 mm，在待評(píng)管線的管徑60～89 mm范圍內(nèi)屬于最大的口徑，但仍能保證輸送介質(zhì)在管道內(nèi)部的正常流動(dòng)，固相沉積風(fēng)險(xiǎn)均較低。該管道沿里程流態(tài)在分層流和段塞流間變化較頻繁[6]。從管道全里程來看，風(fēng)險(xiǎn)部位不會(huì)出現(xiàn)類似的集中情況。

通過瞬變電磁間接評(píng)價(jià)分析發(fā)現(xiàn)該管段存在29處壁厚減薄位置，選取其中2處使用超聲波測厚儀直接測量管體壁厚，以驗(yàn)證瞬變電磁檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和管體腐蝕檢測直接評(píng)價(jià)結(jié)論（表3）。

表3 學(xué)27增至學(xué)8增集油管線管道直接檢測評(píng)價(jià)結(jié)論Tab.3 Conclusion of pipeline direct detection and evaluation of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

6 結(jié)束語

（1）TEM檢測方法實(shí)現(xiàn)了管體地面檢測不開挖、不破壞管道外防腐，不影響管道運(yùn)行，可應(yīng)用于管道內(nèi)檢測和其他無損探傷手段不便實(shí)施的管道。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，可以將信號(hào)采集間隔設(shè)置小于1 m，對(duì)架空管道（人員可以到達(dá)）或單一埋設(shè)管道重點(diǎn)檢測[8]，可準(zhǔn)確定位管段的薄弱位置。

（2）管道內(nèi)壁腐蝕的規(guī)模較大時(shí)，可以利用TEM技術(shù)檢測管道壁厚變薄部位，評(píng)價(jià)管體腐蝕程度，查找腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

（3） TEM檢測方法管線篩選困難。姬塬油田埋地管線多為同溝鋪設(shè)，而同溝鋪設(shè)的管道間距不能滿足TEM檢測的要求。由于地處黃土高原，管線沿山鋪設(shè)，部分管段埋深大于2 m或大于10 D（D為管徑）時(shí)，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量差，無法進(jìn)行檢測。

（4）TEM檢測受影響因素較大。檢測環(huán)境存在一定的電磁干擾，高壓線、附近存在金屬體等都會(huì)對(duì)瞬變電磁產(chǎn)生影響，造成數(shù)據(jù)結(jié)果不準(zhǔn)確[9]。如學(xué)27增至學(xué)8增管線全長2.25 km，其中并線管段、電磁干擾管段、數(shù)據(jù)不能采集管段等合計(jì)近280 m，TEM有效數(shù)據(jù)不足2 km，這樣對(duì)整個(gè)管線的評(píng)價(jià)存在一定缺陷。