近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)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(guó)的油氣管道總長(zhǎng)度已達(dá)10.6萬(wàn)km^[1]。因此，管道的安全輸送對(duì)保障我國(guó)能源供應(yīng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

油氣管道在運(yùn)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(yīng)力集中、變形、腐蝕減薄與穿孔，裂紋和一些焊接缺陷等，導(dǎo)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(jì)損失，對(duì)社會(huì)將造成巨大的負(fù)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(jì)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(jì)

工程上為了避免管道事故的發(fā)生，常采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的管道檢測(cè)方法包括射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)等。雖然這幾種技術(shù)已成熟，且得到廣泛的應(yīng)用，但其僅對(duì)對(duì)宏觀缺陷的檢測(cè)效果明顯，而不能對(duì)微觀缺陷和應(yīng)力集中進(jìn)行有效的檢測(cè)，所以不能提前預(yù)知事故的發(fā)生。

金屬磁記憶現(xiàn)象是指在地磁場(chǎng)中，鐵磁材料在應(yīng)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(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起其附近的漏磁場(chǎng)信號(hào)增大的現(xiàn)象。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種基于應(yīng)力集中的檢測(cè)方法，不僅可以檢測(cè)宏觀缺陷，還能對(duì)微觀的內(nèi)部缺陷和應(yīng)力集中進(jìn)行檢測(cè)，即能夠?qū)崿F(xiàn)鐵磁材料損傷和失效的早期診斷。該技術(shù)雖然得到了廣泛的理論和應(yīng)用研究，但其機(jī)理尚未完善，也不能實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。同時(shí)對(duì)于管道檢測(cè)方面，大多是針對(duì)地面管道的檢測(cè)研究，而對(duì)于埋地管道的非接觸式檢測(cè)卻研究很少。本文通過(guò)對(duì)磁記憶技術(shù)的理論研究，以期解決管道檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)——管道上方自漏磁場(chǎng)在空間的分布規(guī)律，對(duì)金屬磁記憶技術(shù)在埋地管道的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)為金屬磁記憶技術(shù)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(wú)損檢測(cè)方法

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)得到飛速的發(fā)展，已然成為一門(mén)新興的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在保證檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)和功能完整性的前提下，應(yīng)用各種物理學(xué)和化學(xué)原理，如磁學(xué)，電學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)和熱學(xué)，對(duì)工程設(shè)備，構(gòu)件進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)試，以對(duì)檢測(cè)對(duì)象的完整性、安全性和可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。在石油與天然氣管道領(lǐng)域的常用無(wú)損檢測(cè)方法有射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)和漏磁檢測(cè)等。這些方法各自具有特點(diǎn)，對(duì)保證管道安全高效運(yùn)行起到了重要的作用。

1.2.1射線檢測(cè)

射線檢測(cè)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(guò)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(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)應(yīng)的黑度不同的圖像，從而檢測(cè)出物體內(nèi)部缺陷的種類(lèi)、大小、分布狀況并做出評(píng)價(jià)^[4]。射線檢測(cè)具有檢測(cè)位置不限，缺陷的解釋比較容易和易于保存檢測(cè)結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)人體有傷害。

圖1.2 射線檢測(cè)

1.2.2超聲波檢測(cè)

超聲波是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，其頻率在20kHz以上。低頻的超聲波主要應(yīng)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(cè)和晶粒較細(xì)的材料。超聲波檢測(cè)主要是利用超聲波指向性好，穿透力強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到界面會(huì)發(fā)生反射等特點(diǎn)對(duì)設(shè)備或構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)^[4]。超聲檢測(cè)具有靈敏度高、指向性好、可識(shí)別缺陷的深度，檢測(cè)對(duì)象的厚度不限和應(yīng)用廣等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要是檢測(cè)結(jié)果難以解釋?zhuān)灰鬃R(shí)別缺陷的類(lèi)型。

                             圖1.3 超聲檢測(cè)

1.2.3滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)是一種歷史久遠(yuǎn)的無(wú)損檢測(cè)方法，其物理基礎(chǔ)主要是潤(rùn)濕作用和毛細(xì)現(xiàn)象。滲透液進(jìn)入構(gòu)件表面的開(kāi)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(lèi)型和大小有關(guān)^[4]。其具有缺陷類(lèi)型易于識(shí)別和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但僅限于被檢測(cè)對(duì)象表面的缺陷檢測(cè)，且對(duì)檢測(cè)對(duì)象的清潔度要求高，操作復(fù)雜和耗時(shí)長(zhǎng)。

1.2.4渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)的物理基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)，在交變磁場(chǎng)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(guò)對(duì)渦流的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測(cè)。其主要用于檢測(cè)金屬材料的表面和近表面的缺陷，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的高速檢測(cè)。其缺點(diǎn)主要是缺陷的解釋困難，參數(shù)難于控制和檢測(cè)對(duì)象必須是導(dǎo)體材料。

1.2.5磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)是通過(guò)將磁性材料磁化并顯示介質(zhì)來(lái)對(duì)磁性材料進(jìn)行檢測(cè)的一種無(wú)損檢測(cè)方法。其在工業(yè)上的應(yīng)用非常普遍^[4]。磁粉檢測(cè)可以檢測(cè)材料表面和近表的裂紋、發(fā)紋、夾層和未焊透等缺陷。檢測(cè)對(duì)象表面的涂層對(duì)檢測(cè)無(wú)影響，設(shè)備簡(jiǎn)單，速度快，操作方便。其缺點(diǎn)主要是要與材料表面接觸，需要磁化設(shè)備，且檢測(cè)對(duì)象會(huì)出現(xiàn)剩磁。

1.2.6漏磁檢測(cè)

漏磁檢測(cè)是石油與天然氣管道內(nèi)檢測(cè)的主要方式^[4,5]，可實(shí)現(xiàn)埋地管道的非開(kāi)挖檢測(cè)。如圖1.2所示，其通過(guò)攜帶有永磁體的檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行將管壁磁化，使罐壁的磁化達(dá)到飽和。同時(shí)管壁與鋼刷、磁鐵及鐵心形成磁回路，當(dāng)管壁沒(méi)有缺陷時(shí)，磁力線在管道內(nèi)均勻分布，形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)。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(chǎng)。漏磁檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道腐蝕和裂紋等的檢測(cè)，但其不適用于小型管道，退磁困難，帶來(lái)磁污染。

圖1.4 埋地管道漏磁檢測(cè)器

1.2.7金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)

金屬磁記憶技術(shù)是一種被動(dòng)的檢測(cè)方法，其不需要額外的磁化設(shè)備，且不受防腐保溫層的影響。在地磁場(chǎng)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(chǎng)（SMFL）。當(dāng)管道存在宏觀缺陷或微觀結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，大多出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中將引起局部漏磁場(chǎng)的突變，即漏磁場(chǎng)Hp的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp(y)過(guò)零點(diǎn)，如圖1.3所示。同時(shí)也可以通過(guò)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(shù)與其它技術(shù)的主要區(qū)別在于其能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備或構(gòu)件缺陷的早期診斷，從而可有效的防止事故的發(fā)生，對(duì)石油與天然氣管道的安全運(yùn)行具有重大的意義。

圖1.5 磁記憶檢測(cè)原理圖

在石油與天然氣管道領(lǐng)域，金屬磁記憶技術(shù)與其它無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要特點(diǎn)如下^[7,8]：

（1）不需要額外的磁化設(shè)備。金屬磁記憶技術(shù)是利用地磁場(chǎng)和應(yīng)力的作用實(shí)現(xiàn)管道的磁化，從而產(chǎn)生SMFL信號(hào)。

（2）可以實(shí)現(xiàn)管道缺陷的早期診斷。研究表明，應(yīng)力集中是大多數(shù)缺陷產(chǎn)生的前奏，從而基于對(duì)應(yīng)力集中的金屬磁記憶檢測(cè)可預(yù)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(duì)磁記憶信號(hào)無(wú)影響，無(wú)需對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行處理。

（4）操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快。金屬磁記憶技術(shù)的操作非常簡(jiǎn)單，檢測(cè)時(shí)的速度可以達(dá)到0.5m/s，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模檢測(cè)。

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

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