一种钢质弯管缺陷非接触式检测方法与流程

本发明专利涉及压力管道无损检测领域，特别是一种用于热煨弯管和冷弯管缺陷检测的无损检测方法。
背景技术：
：管道作为油气介质的主要运输方式，在国民经济发展和社会稳定方面发挥着越来越重要的作用。其中，弯管作为油气输送管道的关键组成部分，往往承受更复杂的应力和苛刻的工况，弯管的失效风险因而随之增加，弯管的失效在管道系统中尤为明显。因此，弯管的缺陷检测和失效控制对保障管道的安全高效运行具有重要的意义。在石油化工领域中，弯头通常采用两种工艺制作而成，一种为工厂热煨，另一种为施工现场冷弯。然而目前国内尚无关于热煨弯管质量检测相关的技术标准，制造过程产生的缺陷难以被发现。对于冷弯管的制作，国内颁布了《钢质管道冷弯管制作及验收规范》，规范对弯管的尺寸、形状和制作环境要求等作了规定，但未对弯管母材缺陷、机械损伤缺陷、材料缺陷、以及残余热应力等做出规定。另外，弯管(埋地)在服役期间由于腐蚀、冲蚀和制管缺陷等原因，极易发生失效，所以弯管缺陷的在线检测也尤为重要。钢质弯管在大地磁场和应力共同作用下发生磁化，在弯管附近形成自漏磁场，当弯管存在母材缺陷、机械损伤缺陷、材料缺陷、以及残余热应力等时，弯管上方的自漏磁场将发生畸变，通过对这种磁场畸变特征的收集，可以实现缺陷的非接触式检测。目前的专利或研究论文所提出的计算方法能够很好地对直管自漏磁场进行计算和缺陷识别，然而没有一种有效计算弯管自漏磁场的理论方法。因此，现阶段急需一种钢质弯管缺陷检测的方法，以实现工厂热煨管和施工现场冷弯管、以及在役弯管(埋地)的缺陷检测，从而保障弯管的安全。技术实现要素：本发明提供了一种钢质弯管缺陷非接触式检测方法。该方法首先通过理论模型计算无缺陷弯管的自漏磁场，从而得到不同材质、管径、壁厚、提离高度、运行压力、曲率半径、弯管角度等条件下的弯管自漏磁场磁感应强度三分量及三分量梯度。然后采用三分量磁力梯度仪获取实际弯管上方的自漏磁场三分量梯度。最后将三分量磁力梯度仪获取的自漏磁场三分量梯度与理论计算方法所得到的自漏磁场三分量梯度数据进行相关度分析，并通过相关度系数确定弯管的缺陷状况。运用该方法可有效地表征无缺陷弯管的自漏磁场，获取自漏磁场的分布特征和变化规律，从而通过将实际检测数据与理论数据的相关度分析，实现管道缺陷状况的评价。该方法的核心在于无缺陷弯管自漏磁场模型的建立、实际弯管上方自漏磁场的收集、以及理论计算结果和实际收集到的检测信号进行的相关度分析。该方法不仅适用于工厂热煨管和施工现场冷弯管的检测，也可实现在役弯管的缺陷检测。一种钢质弯管缺陷非接触式检测方法主要包括以下内容：(1)弯管基础资料收集，包括弯管的材质、泊松比、弹性模量、屈服强度、走向、外径、壁厚、应力状态、曲率半径、弯管角度、制作工艺，以及弯管材料的磁特性参数。(2)无缺陷弯管自漏磁场的计算。按照收集到的弯管尺寸，绘制弯管的几何模型，然后以弯管的曲率半径中心作为坐标圆心，建立直角坐标系，以垂直于弯管入口直管段的方向为x轴，弯管入口直管段方向为y轴，垂直于弯管平面为z轴。基于所建模型，得到弯管的轨迹方程和主要坐标值。最后，将收集到的弯管资料数据和坐标数据代入无缺陷弯管自漏磁场计算模型，如公式(1)～(4)所示，即可得到理想状态下，无缺陷弯管上方任意一点p的自漏磁场磁感应强度三分量。基于无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度计算结果，依据三分量磁力计两探头之间的距离l(一般可取0.5m)，取弯管轴线上方高度为hs(一般可取0.5m)和高度为hs+l(一般可取1.0m)处的自漏磁场磁感应强度值，按照公式(5)～(7)，即可得到自漏磁场磁感应强度三分量沿高度方向(z轴方向)的梯度，分别记为gx1，gy1，gz1。式中：mx——弯管上某一微元体x轴方向的磁化强度，a/m；my——弯管上某一微元体y轴方向的磁化强度，a/m；mz——弯管上某一微元体z轴方向的磁化强度，a/m；bx——弯管自漏磁场磁感应强度在x轴方向的分量，t；by——弯管自漏磁场磁感应强度在y轴方向的分量，t；bz——弯管自漏磁场磁感应强度在z轴方向的分量，t。u0——真空磁导率，一般取4π×10-7；d——弯管半径，m；δ——弯管壁厚，mp(xp，yp，zp)——弯管上方任意一计算点p处三维的坐标，m；r——弯管本体上任意一点到计算点p的距离，m；d——弯管的外径，m；δ——弯管的壁厚，m；——弯管上微元点与弯管截面中心之间连线与z轴的夹角，rad；θ——弯管上微元点与弯管截面中心之间连线与z轴的夹角，rad；——弯管角度，rad；r——弯管的曲率半径；gx1——无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度梯度沿x轴方向的分量，t/m；gy1——无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度沿y轴方向的分量，t/m；gz1——无缺陷弯管网格单元在p点的磁感应强度沿z轴方向的分量，t/m；h——检测仪器探头离管道顶部的垂直高度，m；l——检测仪器探头之间的垂直高度，m。(3)实际管道自漏磁场磁感应强梯度测量。采用三分量磁力梯度仪沿弯管轨迹上方测量管道的自漏磁场磁感应强度梯度三分量值，形成三组数据gx2，gy2，gz2。测量时测量路径与理论计算的路径保持一致。(4)数据归一化。为了消除管径、壁厚等非缺陷相关参数的影响，统一缺陷的判断标准，将理论计算得到的自漏磁场和实际测量得到的自漏磁场数据(6组数据)进行归一化处理，计算如公式(8)所示。式中：g——一维数组，t/m，这里可取gx1，gy1，gz1，gx2，gy2，gz2；g——一维数组g归一化后的结果，分别为gx1，gy1，gz1，gx2，gy2，gz2；gmin——一维数组的最小值，t/m；gmax——一维数组的最大值，t/m。(5)自漏磁场磁感应强度梯度三分量相相似性分析。通过计算测量获取的弯管自漏磁场磁感应强度梯度三分量与计算得到的无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度三分量之间的相似度，得到相似系数三分量和最大量，通过相似系数最大量对弯管的缺陷状况进行评价，如公式(9)～(12)所示。s＝max(sx,sy,sz)(12)式中：sx——弯管自漏磁场磁感应强度梯相似系数沿x轴方向的分量；sy——弯管自漏磁场磁感应强度梯度相似系数沿y轴方向的分量；sz——弯管自漏磁场磁感应强度梯度相似系数沿z轴方向的分量；s——弯管自漏磁场磁感应强度梯度最大相似系数。(6)弯管缺陷状况分级。基于最小相似系数，对弯管的缺陷状况进行分级。缺陷状况一个分为五级，分别表征缺陷的严重程度为无、轻度、中度、较高和高。如附图4所示。附图说明附图1检测方法实现的流程图；附图2弯管平面示意图；附图3弯管横切面示意图；附图4缺陷等级划分表；附图5示例弯管自漏磁场计算与归一化结果；附图6示例弯管对应的热煨与冷弯弯管自漏磁场归一化后的数据。具体实施方式下面将结合附图和示例对具体实施方式进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。一种钢质弯管缺陷非接触式检测方法主要包括五个步骤，如附图1所示，具体步骤内容如下：步骤一，收集弯管基础资料。基础资料包括弯管的材质、泊松比、弹性模量、屈服强度、走向、外径、壁厚、应力状态、曲率半径、弯管角度、制作工艺，以及弯管材料的磁特性参数。步骤二，计算弯管无缺陷状态下的自漏磁场。将收集到的弯管资料数据和坐标数据代入弯管无缺陷状态下的自漏磁场计算模型，即可得到无缺陷状态下弯管在上方任意一点p的自漏磁场磁感应强度三分量，如公式(1)～(4)所示。模型中几何参数如附图2和附图3所示。基于无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度计算结果，依据三分量磁力计两探头之间的距离l(一般可取0.5m)，取弯管轴线上方高度为hs(一般可取0.5m)和高度为hs+l(一般可取1.0m)处的自漏磁场磁感应强度值，按照公式(5)～(7)，即可得到自漏磁场磁感应强度三分量沿高度方向(z轴方向)的梯度，分别记为gx1，gy1，gz1。式中：mx——弯管上某一微元体x轴方向的磁化强度，a/m；my——弯管上某一微元体y轴方向的磁化强度，a/m；mz——弯管上某一微元体z轴方向的磁化强度，a/m；bx——弯管自漏磁场磁感应强度在x轴方向的分量，t；by——弯管自漏磁场磁感应强度在y轴方向的分量，t；bz——弯管自漏磁场磁感应强度在z轴方向的分量，t。u0——真空磁导率，一般取4π×10-7；d——弯管半径，m；δ——弯管壁厚，mp(xp，yp，zp)——弯管上方任意一计算点p处三维的坐标，m；r——弯管本体上任意一点到计算点p的距离，m；d——弯管的外径，m；δ——弯管的壁厚，m；——弯管上微元点与弯管截面中心之间连线与z轴的夹角，rad；θ——弯管上微元点与弯管截面中心之间连线与z轴的夹角，rad；——弯管角度，rad；r——弯管的曲率半径。gx1——无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度梯度沿x轴方向的分量，t/m；gy1——无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度沿y轴方向的分量，t/m；gz1——无缺陷弯管网格单元在p点的磁感应强度沿z轴方向的分量，t/m；h——检测仪器探头离管道顶部的垂直高度，m；l——检测仪器探头之间的垂直高度，m。步骤三，测量实际管道自漏磁场磁感应强度梯度。采用三分量磁力梯度仪沿弯管轨迹上方测量管道的自漏磁场磁感应强度梯度三分量值，形成三组数据g2x，g2y，g2z。测量时测量路径与理论计算的路径保持一致。步骤四，数据归一化。将理论计算得到的自漏磁场和实际测量得到的自漏磁场磁感应强度三分量数据(共6组)进行归一化处理，计算如公式(8)所示。式中：g——一维数组，t/m，这里可取gx1，gy1，gz1，gx2，gy2，gz2；g——一维数组g归一化后的结果，分别为gx1，gy1，gz1，gx2，gy2，gz2；gmin——一维数组的最小值，t/m；gmax——一维数组的最大值，t/m。步骤五，计算相似系数。采用欧几里得公式，计算测量获取的弯管自漏磁场磁感应强度梯度三分量与计算得到的无缺陷弯管自漏磁场磁感应强度三分量之间的相似度，并得到相似系数三分量和最大量，如公式(9)～(12)所示。s＝max(sx,sy,sz)(12)式中：sx——弯管自漏磁场磁感应强度梯相似系数沿x轴方向的分量；sy——弯管自漏磁场磁感应强度梯度相似系数沿y轴方向的分量；sz——弯管自漏磁场磁感应强度梯度相似系数沿z轴方向的分量；s——弯管自漏磁场磁感应强度梯度最大相似系数。步骤六，划分弯管缺陷等级。基于最小相似系数，对弯管的缺陷状况进行分级。缺陷状况一个分为五级，分别表征缺陷的严重程度为无、轻度、中度、较高和高。如附图4所示。下面结合示例对本发明的应用原理做进一步阐述：第一步，按照上述步骤一所述方法，收集弯头的基础数据，得到弯管的主要基础数据如表1所示。表1示例弯头的主要基础数据材质屈服强度管径壁厚曲率半径弯管角度应力状态制作工艺q345345mpa219mm9.5mm1.5d90°无内压热煨第二步，按照步骤二的计算方法，计算弯管无缺陷状态下的自漏磁场。即可得到实例弯头无缺陷状态下的自漏磁场磁感应强三分量值，取离地面高度为0.5m和1.0米处的自漏磁场磁感应强度三分量值为基准值；然后依据步骤三，取两探头之间的距离为0.5m，计算得到自漏磁场沿弯头轴线方向的梯度值如附图5所示(g1x，g1y，g1z)。第三步，按照步骤三的测量方法，采用三分量磁力梯度仪沿弯管轨迹上方测量管道的自漏磁场磁感应强度梯度三分量值，形成三组数据g2x，g2y，g2z。测量时的路径与理论计算的路径保持一致。第四步，按照公式(8)～(11)，对理论计算和实际测量所得数据进行归一化处理。理论计算数据归一化处理后如附图5所示。附图6表征了两根不同缺陷状况的弯管(热煨弯管和冷弯弯管)实际检测得到的自漏磁场三分量数据。第五步，依据归一化后的数据，按照公式(8)～(11)对相似性进行计算，得到热煨弯管的最大相似系数为0.02，冷弯弯管为0.72。第六步，在第五步的基础上，按照附图4对弯管的缺陷状况进行评级。热煨弯管的缺陷等级为一级，基本无缺陷；冷弯弯管的缺陷等级为四级，较高。当前第1页12