近年來，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國石油與天然氣的需求量逐年攀升，石油與天然氣管道得到迅猛發(fā)展，截止2013年，我國的油氣管道總長度已達10.6萬km^[1]。因此，管道的安全輸送對保障我國能源供應和國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

油氣管道在運行工程中，由于受到材料本身缺陷、焊接、施工、腐蝕和外界干擾的影響，可能造成管道應力集中、變形、腐蝕減薄與穿孔，裂紋和一些焊接缺陷等，導致輸送效率下降，輸送介質(zhì)泄露等安全事故。油氣管道的輸送介質(zhì)為易燃易爆物質(zhì)，一旦發(fā)生事故將造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，對社會將造成巨大的負面影響。以四川的12條天然氣管道為例，每10³km管道的年平均事故為4.3次。圖1.1為1969-2003年的事故原因統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由圖可知事故主要以腐蝕，施工缺陷和外部干擾為主^[2,3]。                          

圖1.11969-2003年四川天然氣管道事故統(tǒng)計

工程上為了避免管道事故的發(fā)生，常采用無損檢測技術對管道的缺陷進行檢測。傳統(tǒng)的管道檢測方法包括射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測和漏磁檢測等。雖然這幾種技術已成熟，且得到廣泛的應用，但其僅對對宏觀缺陷的檢測效果明顯，而不能對微觀缺陷和應力集中進行有效的檢測，所以不能提前預知事故的發(fā)生。

金屬磁記憶現(xiàn)象是指在地磁場中，鐵磁材料在應力的作用下，其內(nèi)部磁疇方向發(fā)生不可逆的重新取向，內(nèi)部微觀結構發(fā)生改變，從而引起其附近的漏磁場信號增大的現(xiàn)象。金屬磁記憶檢測技術是一種基于應力集中的檢測方法，不僅可以檢測宏觀缺陷，還能對微觀的內(nèi)部缺陷和應力集中進行檢測，即能夠?qū)崿F(xiàn)鐵磁材料損傷和失效的早期診斷。該技術雖然得到了廣泛的理論和應用研究，但其機理尚未完善，也不能實現(xiàn)定量檢測。同時對于管道檢測方面，大多是針對地面管道的檢測研究，而對于埋地管道的非接觸式檢測卻研究很少。本文通過對磁記憶技術的理論研究，以期解決管道檢測的關鍵技術——管道上方自漏磁場在空間的分布規(guī)律，對金屬磁記憶技術在埋地管道的應用具有一定的指導意義，同時為金屬磁記憶技術的定量解釋提供理論了一種新的思路。

1.2管道傳統(tǒng)的無損檢測方法

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，無損檢測得到飛速的發(fā)展，已然成為一門新興的應用技術科學。無損檢測技術是指在保證檢測對象結構和功能完整性的前提下，應用各種物理學和化學原理，如磁學，電學，光學，聲學和熱學，對工程設備，構件進行檢驗和測試，以對檢測對象的完整性、安全性和可靠性進行評價的技術。在石油與天然氣管道領域的常用無損檢測方法有射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、超聲檢測和漏磁檢測等。這些方法各自具有特點，對保證管道安全高效運行起到了重要的作用。

1.2.1射線檢測

射線檢測是利用X射線、γ射線和中子射線易于穿透物體，在穿透物體過程中被吸收和散射而衰減的性質(zhì)，在感光材料上獲得與材料內(nèi)部結構和缺陷相對應的黑度不同的圖像，從而檢測出物體內(nèi)部缺陷的種類、大小、分布狀況并做出評價^[4]。射線檢測具有檢測位置不限，缺陷的解釋比較容易和易于保存檢測結果等優(yōu)點，但對人體有傷害。

圖1.2 射線檢測

1.2.2超聲波檢測

超聲波是超聲振動在介質(zhì)中的傳播，其頻率在20kHz以上。低頻的超聲波主要應用于晶粒較粗的材料，較高頻率的超聲波用于高靈敏度檢測和晶粒較細的材料。超聲波檢測主要是利用超聲波指向性好，穿透力強，在介質(zhì)中傳播時遇到界面會發(fā)生反射等特點對設備或構件進行檢測^[4]。超聲檢測具有靈敏度高、指向性好、可識別缺陷的深度，檢測對象的厚度不限和應用廣等特點。其缺點主要是檢測結果難以解釋，不易識別缺陷的類型。

                             圖1.3 超聲檢測

1.2.3滲透檢測

滲透檢測是一種歷史久遠的無損檢測方法，其物理基礎主要是潤濕作用和毛細現(xiàn)象。滲透液進入構件表面的開口缺陷被吸附，滲透作用的深度和速度與滲透液本身的性質(zhì)、材料表面狀態(tài)、缺陷的類型和大小有關^[4]。其具有缺陷類型易于識別和適用范圍廣的優(yōu)點，但僅限于被檢測對象表面的缺陷檢測，且對檢測對象的清潔度要求高，操作復雜和耗時長。

1.2.4渦流檢測

渦流檢測的物理基礎為電磁感應，在交變磁場的作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生不同振幅和相位的渦流^[4]。通過對渦流的檢測實現(xiàn)對缺陷的檢測。其主要用于檢測金屬材料的表面和近表面的缺陷，便于實現(xiàn)自動化的高速檢測。其缺點主要是缺陷的解釋困難，參數(shù)難于控制和檢測對象必須是導體材料。

1.2.5磁粉檢測

磁粉檢測是通過將磁性材料磁化并顯示介質(zhì)來對磁性材料進行檢測的一種無損檢測方法。其在工業(yè)上的應用非常普遍^[4]。磁粉檢測可以檢測材料表面和近表的裂紋、發(fā)紋、夾層和未焊透等缺陷。檢測對象表面的涂層對檢測無影響，設備簡單，速度快，操作方便。其缺點主要是要與材料表面接觸，需要磁化設備，且檢測對象會出現(xiàn)剩磁。

1.2.6漏磁檢測

漏磁檢測是石油與天然氣管道內(nèi)檢測的主要方式^[4,5]，可實現(xiàn)埋地管道的非開挖檢測。如圖1.2所示，其通過攜帶有永磁體的檢測器在管道內(nèi)運行將管壁磁化，使罐壁的磁化達到飽和。同時管壁與鋼刷、磁鐵及鐵心形成磁回路，當管壁沒有缺陷時，磁力線在管道內(nèi)均勻分布，形成勻強磁場。在缺陷罐壁處，磁力線發(fā)生扭曲，穿出管壁從而形成漏磁場。漏磁檢測可實現(xiàn)對管道腐蝕和裂紋等的檢測，但其不適用于小型管道，退磁困難，帶來磁污染。

圖1.4 埋地管道漏磁檢測器

1.2.7金屬磁記憶檢測技術

金屬磁記憶技術是一種被動的檢測方法，其不需要額外的磁化設備，且不受防腐保溫層的影響。在地磁場中，鐵磁性油氣管道在內(nèi)部介質(zhì)和外載荷的作用下，內(nèi)部的磁疇將發(fā)生不可逆的重新取向，使管道磁化，從而在管道上方產(chǎn)生自漏磁場（SMFL）。當管道存在宏觀缺陷或微觀結構缺陷時，大多出現(xiàn)局部應力集中，而應力集中將引起局部漏磁場的突變，即漏磁場Hp的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp(y)過零點，如圖1.3所示。同時也可以通過法線分量的梯度出現(xiàn)峰值作為判斷缺陷存在的依據(jù)。金屬磁記憶技術與其它技術的主要區(qū)別在于其能實現(xiàn)對設備或構件缺陷的早期診斷，從而可有效的防止事故的發(fā)生，對石油與天然氣管道的安全運行具有重大的意義。

圖1.5 磁記憶檢測原理圖

在石油與天然氣管道領域，金屬磁記憶技術與其它無損檢測技術相比，具有明顯的優(yōu)勢，主要特點如下^[7,8]：

（1）不需要額外的磁化設備。金屬磁記憶技術是利用地磁場和應力的作用實現(xiàn)管道的磁化，從而產(chǎn)生SMFL信號。

（2）可以實現(xiàn)管道缺陷的早期診斷。研究表明，應力集中是大多數(shù)缺陷產(chǎn)生的前奏，從而基于對應力集中的金屬磁記憶檢測可預防事故發(fā)生。

（3）不需要提前處理。管道表面的防腐層和保溫層對磁記憶信號無影響，無需對檢測表面進行處理。

（4）操作簡單，檢測速度快。金屬磁記憶技術的操作非常簡單，檢測時的速度可以達到0.5m/s，可實現(xiàn)大規(guī)模檢測。

（5）不受管道形狀和尺寸的限制。金屬磁記憶技術是一種外檢測技術，不受管道內(nèi)徑和形狀的影響，可實現(xiàn)管道設備的100%檢測，為管道的完整性管道提供數(shù)據(jù)支撐。

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