管道作為油氣裝備的重要組成部分，在油氣儲運、鉆井勘探等領域發(fā)揮著重要作用。受作業(yè)條件及焊接工藝的影響，管道在施工中可能會出現(xiàn)氣孔、夾雜、未焊透、未熔合以及裂紋等缺陷；在服役過程中，受內外部應力及環(huán)境影響，有可能會在管體及焊縫處產生開裂及腐蝕損傷。
缺陷和損傷的存在會導致管道承壓能力下降，形成穿孔泄漏甚至管道斷裂，從而造成嚴重的經濟損失和環(huán)境破壞。因此，在管道建設及運行過程中，對管道進行無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)并修復缺陷，對于保證管道運營安全，避免事故發(fā)生十分重要。
油氣管道無損檢測技術主要有射線、超聲、磁粉、滲透、漏磁檢測等。射線檢測周期長、穿透能力有限，且存在輻射風險；超聲、磁粉和滲透檢測都需要去除管道表面防腐涂層，檢測后需對涂層進行修復；漏磁檢測通過搭載管道爬行器在管道內部實施檢測，設備復雜，工序繁多，需要管線停輸并進行清管作業(yè)，適用于長輸管道的定期檢驗。
交流電磁場檢測（ACFM）作為近年來新興的無損檢測技術，具有高效、精確、適用范圍廣等優(yōu)點，目前已在油氣輸運、航空航天、工業(yè)工程等領域得到了廣泛應用。
1- 交流電磁場檢測技術原理 -
交流電磁場檢測技術是20世紀80年代由倫敦大學基于交流電壓降測量法（ACPD）的原理，用表面磁場模型代替ACPD檢測中的表面電場模型而提出，是近幾十年來無損檢測技術的重要進展之一，該技術有效提高了復雜金屬構件的檢測靈敏度，其檢測原理如圖1所示。
圖1 交流電磁場檢測原理示意
早期的ACFM技術主要用于海上石油平臺的裂紋檢測。隨著技術的不斷進步，其檢測靈敏度、分辨率和檢測速度等方面都有了顯著提升。
和其他傳統(tǒng)無損檢測方法如磁粉、超聲檢測相比，ACFM技術對工件表面狀況要求不高，不需要去除油漆等防腐介質和涂層即可進行檢測。與磁粉檢測相比，ACFM對鐵磁性及非鐵磁性的金屬材料同樣適用，國際焊接委員會相關報告指出ACFM的檢出率大約為84%，而磁粉檢測的只有44%。
ACFM技術最初只用于水下碳鋼結構的焊縫檢驗，隨著新材料的應用，ACFM技術也很快應用于奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼、蒙乃爾合金及鉻鎳鐵合金等材料的檢驗，并且對帶有火焰噴涂層、環(huán)氧樹脂膠層及油漆層等防腐涂層的金屬結構的檢驗也十分有效。
ACFM技術對溫度的適用性也較好，能在-20 ℃到500 ℃的環(huán)境中工作。
2- 管體缺陷的ACFM檢測 -
油氣管道在長期運行過程中，管體可能會出現(xiàn)腐蝕、開裂等缺陷。ACFM技術在管體缺陷檢測中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。
對于管體外表面的腐蝕缺陷，ACFM技術可以快速掃描大面積區(qū)域，準確識別腐蝕坑的位置和尺寸；對于管體裂紋，ACFM技術不僅可以檢測出表面裂紋，還能有效識別近表面裂紋，通過分析電磁場信號的特征，可以定量評估裂紋的深度和走向，為評估管道運行狀況提供重要依據(jù)。
針對曲面封閉的管道結構，國內外專家在理論建模、探頭形式、激勵方式等方面進行了一系列研究，實現(xiàn)了管道內、外壁缺陷的檢出與量化。
AKBARI等基于ACFM檢測技術基本原理建立了圓柱表面裂紋理論模型，并分別推導了軸向和周向兩種裂紋的封閉表達式，為裂紋缺陷的檢測提供了理論指導。
李偉等提出一種新型ACFM探頭，采用等間距18陣列傳感器對管道進行360°圓周掃描，單次掃描即可獲得管體全周向的檢測結果。
田野等利用U形傳感器對Q235鋼管道上不同深度裂紋進行了檢測，并對檢測結果進行了擬合，結果表明檢測信號幅值與缺陷深度近似呈正比例關系，如圖2所示。
圖2 Q235鋼管表面缺陷深度與信號幅值關系曲線
近年來海洋石油開發(fā)迅猛發(fā)展，海洋平臺、海底管線的大量建造，對水下管道結構無損檢測提出了更高的要求。ACFM檢測技術由于具有受海水干擾小、對涂層不敏感、提離效應影響小等優(yōu)點，在水下檢測領域受到更多的關注。
LEE等針對海底管道腐蝕開發(fā)了差動渦流傳感器，實現(xiàn)了管道模擬試件上0.2 mm缺陷的檢出。
李偉等針對海水環(huán)境中的檢測進行了一系列理論仿真，通過研究海水含鹽量、溫度等因素，模擬分析了水下ACFM缺陷電磁信號的分布規(guī)律和特征，仿真結果表明裂紋沿線的磁感應強度符合ACFM原理，海水影響可忽略不計，模擬海水環(huán)境中的試驗結果也進一步驗證了數(shù)值模型的準確性。
針對海底管道檢測，馬維平開發(fā)了水下檢測探頭和水下艙體，實現(xiàn)了50米水深下管道缺陷的檢測與信號傳輸。
袁新安等提出了閾值判定與智能識別相結合的缺陷判定法，該方法可用于水下結構表面各類缺陷的高精度自動判別。
經過多年的研究與探索，目前已基本實現(xiàn)管體全周內外壁缺陷的檢測，且在探頭研發(fā)、理論模擬、缺陷識別和判定等方面取得了較大進步。
3- 管道焊縫缺陷的ACFM檢測 -
國內外大量油氣管道事故分析結果表明環(huán)焊縫是油氣管道失效的高發(fā)部位。在管道焊接施工中可能會出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，此外管道在運行過程中，還會受到環(huán)境、結構、應力等多重因素的影響，可能出現(xiàn)焊縫失效，管道環(huán)焊縫失效的主要形式為斷裂、腐蝕、泄漏、失穩(wěn)等。
ACFM檢測技術在焊接缺陷檢測中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過合理布置傳感器，ACFM系統(tǒng)可以快速掃描焊接區(qū)域，準確識別各種類型的焊接缺陷。
對于焊縫表面裂紋，ACFM檢測技術可以精確測量裂紋的長度和深度，檢測精度可達毫米級。對于近表面缺陷，如氣孔和夾渣等，ACFM檢測技術也能有效識別，并通過信號特征分析判斷缺陷的類型和尺寸。
電磁信號參數(shù)（磁特性、渦流特性）、物理特性（磁導率、電阻率）等與材料的微觀組織間有一定的關系，這種對應關系為利用電磁信號評估焊縫質量提供了依據(jù)。
康宜華等提出了一種連續(xù)油管用薄壁板材和成品管材分層缺陷的磁導率擾動電磁檢測方法與系統(tǒng)，在薄壁鐵磁性管道及板件的分層缺陷檢測中具有一定的優(yōu)勢。
姜永勝基于GMR傳感器搭建焊縫檢測系統(tǒng)，縮小了探頭體積，提高了檢測的靈活性與適用性，針對管道焊縫、管節(jié)點焊縫的表面裂紋缺陷開展檢測研究（系統(tǒng)外觀及測試信號見圖3），試驗結果表明相較于傳統(tǒng)的線圈傳感器，基于GMR傳感器的ACFM檢測系統(tǒng)線性更好，缺陷信號特征更明顯，結果穩(wěn)定性高。
圖3 焊縫缺陷檢測系統(tǒng)外觀及典型測試信號
李偉等設計了包含4個間距為10 mm的TMR傳感器和4個U形激勵磁芯的ACFM檢測專用探頭，采用直徑為0.15 mm的漆包線作為激勵線圈，磁芯放置在每個TMR傳感器的正上方；利用該探頭可實現(xiàn)80 mm寬隔水管焊縫及熱影響區(qū)的全覆蓋，檢測結果如圖4所示。
圖4 ACFM專用探頭檢測結果
中國石油大學（華東）研究團隊對某油田現(xiàn)場進行管道環(huán)焊縫的ACFM檢測，檢測兩個加壓站的共計90余條環(huán)焊縫，檢出疑似缺陷、表面金屬缺失等缺陷共計十余處，為管線安全維護提供了依據(jù)，所檢表面金屬缺失型缺陷、疑似缺陷部位及其特征信號如圖5和圖6所示。
圖5 表面金屬缺失型缺陷實物及其特征信號
圖6 疑似缺陷部位實物及特征信號
同年，該團隊利用ACFM技術對某輸氣管道B型套筒縱縫及角焊縫進行了現(xiàn)場檢測，在4條被檢焊縫中，除一條焊縫上深約1 mm的劃痕外，其余未見明顯缺陷，劃痕處特征信號及現(xiàn)場圖片如圖7所示。
圖7 劃痕處特征信號及現(xiàn)場圖片
4- 油氣管道應力ACFM檢測 -
管道在服役一段時間后，受焊接工藝、內壓及外力等因素影響，在某些特殊受力或結構、形狀不連續(xù)部位會產生應力集中。應力集中是引起管道早期失效的主要方式，可引發(fā)管道的變形、開裂，從而導致油氣泄漏。
因此，開展油氣管道應力檢測與評估對于發(fā)現(xiàn)管道早期損傷，及時制定維、檢修方案具有重要意義。
ACFM技術在應力集中檢測中具有獨特優(yōu)勢。對于應力集中區(qū)域，其材料的電磁特性會發(fā)生變化，從而影響感應磁場的分布，利用ACFM技術分析信號的變化特征，可以識別應力集中區(qū)域，并評估應力集中程度。
ACFM技術無需接觸被測對象，可以在管道運行過程中進行在線檢測，還可以監(jiān)測應力集中變化趨勢，為預測管線壽命及對危險部位采取預防處置措施提供依據(jù)。
交流電磁場應力檢測技術（ACSM）是近幾年提出的一種新的鐵磁性材料應力檢測方法，由交流電磁場檢測技術發(fā)展而來。
應力改變了鐵磁性材料的磁疇分布，進而使材料的磁導率發(fā)生各向異性變化，當對其施加外磁場時，其周圍空間磁感應強度會發(fā)生改變，利用傳感器測量磁感應強度并進行處理，將鐵磁性材料表面磁信號的變化轉化為電壓值的變化，可通過電壓來表征應力值。
DOVER等研究了外加磁場與應力夾角的關系，為了克服應力方向改變時探頭檢測靈敏度下降的問題，提出了一種正交探頭，可提供兩個正交方向上的激勵磁場，從而提高了探頭對不同方向應力的檢測能力。
RICKEN等改變單一傳感器探頭模式，通過增加傳感器數(shù)量，實現(xiàn)了更為有效的應力檢測。
宋凱等對交流電磁場應力檢測技術進行了研究，并開發(fā)了交流電磁場應力檢測系統(tǒng)。
趙夢一通過試驗研究彈性范圍內20鋼的磁感應強度與應力間的變化規(guī)律，擬合出應力與特征分量Bx的關系式，同時對含缺口試件表面進行應力測量，試驗結果表明在缺口附近有明顯的應力集中，磁感應強度能直觀反映鐵磁性材料中的應力分布情況。
王克宇針對管道應力檢測現(xiàn)場工況，設計了8探頭陣列與管道爬行器配合的檢測方式，同時開發(fā)應力監(jiān)測算法，濾除了噪聲及其他干擾信號影響，最終構建出一套軟硬件結合的ACSM管道應力檢測系統(tǒng)（圖8），最后通過動態(tài)檢測與牽拉試驗（試驗結果見圖9），驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)可用于管道應力危險區(qū)域的判定與預警。
圖8 應力監(jiān)測系統(tǒng)部件結構
圖9 牽拉試驗的應力檢測信號
鄭福印等在磁機械效應J-A模型基礎上對鐵磁性材料力磁耦合關系進行數(shù)字建模，并搭建了管道試驗平臺，試驗結果表明管道切向勵磁時，隨著管道內壓增加，管壁切向應力與管壁表面切向磁場變化趨勢一致，且二者基本呈線性正相關關系。
工程實踐方面，2020年，中國石油大學（華東）團隊對某天然氣管道的軸向應力進行檢測，利用管道爬行器搭載應力檢測探頭，共檢出有顯著應力變化特征的10處位置，為后續(xù)檢修工作提供了指導，其檢測結果如圖10所示。
圖10 某天然氣管道應力檢測結果
結論與展望
近年來，國內外油氣儲運智慧管道建設成為熱點，新一代管道智能化技術飛速發(fā)展，管道的建設與運行逐步向著運行數(shù)字化、管理信息化、流程可視化的目標邁進。同時，針對管道缺陷與應力的檢測技術與設備均得到迅速發(fā)展，無損檢測技術也逐步走向智能化與集成化。
ACFM技術適用于導電材料表面及近表面缺陷的檢測，具有檢測效率高、非接觸檢測、對提離及表面涂層不敏感、無需或只需簡單處理工件表面，可帶防腐涂層檢測、設備無需標定、缺陷數(shù)學模型精確等優(yōu)點。
ACFM技術能夠有效識別和評估油氣管線中的常見缺陷，檢測時管道無需停輸，可用于在役管道的定期和不定期檢驗，因此利用ACFM檢測油氣管道，特別是在役管道，具有廣闊的應用前景。
ACFM檢測儀器以PC上位機為主，隨著以單片機和FPGA為核心的微型計算平臺的發(fā)展，小體積、高算力的集成式檢測儀將會是下一個研究熱點，通過與管道爬行器集成可實現(xiàn)自動、高效的管道內壁缺陷檢測。
對于檢測探頭，業(yè)內開發(fā)了更小巧、靈敏的傳感器，提高了檢測的靈活性和精度，特別是隧道磁阻（TMR）傳感器的應用，檢測靈敏度、分辨率等指標得到了明顯提升，可滿足微小缺陷的檢測需求，傳感器尺寸更小、能耗更低，使得對管座角焊縫、搭接焊縫以及狹小空間和不規(guī)則表面的檢測更便捷。
在軟件方面，引入了先進的信號處理算法和人工智能技術，增強了缺陷識別和定量分析的能力，通過ACFM與其他無損檢測技術相結合，可實現(xiàn)多參數(shù)、多維度的綜合檢測。
ACFM技術通過理論創(chuàng)新與設備升級，已從實驗室逐漸走向工程應用，但其進一步發(fā)展仍需突破復雜環(huán)境中的適應性、微小缺陷檢測靈敏度以及標準化滯后等瓶頸。
未來，隨著多學科交叉融合與AI技術的深度嵌入，ACFM有望成為工業(yè)無損檢測領域的重要手段之一，將在油氣管道檢測中發(fā)揮越來越重要的作用，為保障油氣管道安全運行做出貢獻。
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