埋地油气管道磁记忆检测机理及影响因素综述

朱尘宇

（北京北燃特种设备检验检测有限公司 北京 100013）

油气管道作为民生市政与经济发展的重要基石，与人民群众的生产生活息息相关。我国作为能源消费大国，大量的油气管道在全国范围内应势建设[1]。2022年印发的《“十四五”现代能源体系规划》指出，将加快天然气长输管道及区域天然气管网建设，至2025年，全国油气管网规模预计达到21万km左右[2]。

然而，油气管道的储运介质具有易燃易爆、有毒有害等特性，一旦泄漏，将会对经济、环境、社会等多个方面造成不可预计的严重后果[3]。目前我国在役的石油天然气管道大部分为金属材料，因循环载荷、运行工况等因素，易形成局部腐蚀、穿孔等缺陷[4]。对管道损伤部位进行高效、合理诊断，能够有效预防灾难性事故的发生，是保障管网安全运行的重要环节，具有重大意义[5，6]。

为对管道缺陷实现有效勘探，自20世纪60年代起，全球多国便相继开展了相关研发，管道检测技术的演进经历了从盲目开挖到定位检查、从接触式到非接触式的过程。对于埋地的油气管道，非开挖检测定位技术对于缺陷的诊断具有重要意义，目前常用且较为流行的有超声波脉冲反射法、漏磁检测法、远场涡流法、瞬变电磁检测法等[7]。上述方式可操作性不强、效率不高，存在设备体积大、需进行磁化操作、成本高等缺点，具有局限性[8，9]。

金属磁记忆（Metal Magnetic Memory，MMM）检测技术是一项新型高效的管道非开挖检测技术，自提出以来便广受关注，然因其问世较晚，相关领域还未建立成熟的知识体系[10]。本文对该方法近年来的机理研究和实践应用做了调研，并对管道非开挖磁记忆检测的现存难点及未来研究方向进行了归纳总结。

1 金属磁记忆效应及管道检测技术概述

1.1 金属磁记忆效应

金属磁记忆学说的起源可追溯至20世纪90年代后期，Doubov以铁磁性材料的磁机械效应为基础，率先提出在应力与地磁场的共同作用下，铁磁体内部应力集中区的磁畴会因磁致伸缩效应发生晶格组织不可逆的重新定向，并形成附加磁极，宏观表现为材料周围磁场的变化，即“自有漏磁场”[11]。应力集中区表面的漏磁场强度（Hp）将发生改变，以检测方向为切向（即铁磁体轴向），垂直于检测平面的方向为法向（即铁磁体径向），切向分量Hp（x）在最大应变集中处具有极值；法向分量Hp（y）在异常区改变符号，在最大应力集中处为零，如图1所示。即使工作载荷消除，上述磁状态的不可逆变化仍会在构件中留存，得名“磁记忆效应”[12，13]。

图1 磁记忆效应检测原理图

1.2 管道磁记忆检测技术

Doubov于1999年在论文中提出，“磁记忆效应”可应用于无损检测行业，对早期损伤实现定位与评价[13]。磁记忆无损检测方法为埋地金属油气管道的缺陷识别提供了崭新方向。管道磁记忆检测技术利用工作载荷下的金属管道在缺陷处、应力集中区产生的自有漏磁场，通过对自有漏磁场的检测，来识别管道存在的隐患。经实践证明，该技术能够在非开挖的原始状态下，实现缺陷管段的精确定位和损伤评价。廖柯熹等人在埋地油气管线的检验中，通过开挖检测结果验证了非接触式磁记忆检测的有效性[14]。

随着理论研究的深入与工程应用的推广，磁记忆检测的优势逐渐被大众认可，主要包括：1）流程简单，无须对被测管道进行特殊清理、磁化操作或其他准备，适于现场作业；2）可以实现金属管道早期损伤的诊断，从而做出进一步的适用性评价、可靠性分析等；3）对管道的工作状态没有要求，在役、停机、待修等状态均可进行检测；4）原理可靠，缺陷检出率高，尤其是管道裂纹等微型缺陷的诊断，可以保证检测结果的灵敏度；5）绿色环保等[15-17]。

2 技术机理及模型

磁记忆检测技术涉及多个学科，如铁磁学、力学、物理学等，多学科的交叉融合蕴涵着错综复杂的效应原理与影响机制，目前国际学术界对其机理认识尚未形成统一完善的理论体系，仍处于探索阶段，目前主要有以下几个学说流派被大家接纳认可[18]。

2.1 “自有漏磁场”学说

以Doubov为代表的学者们基于磁机械效应，以“自有漏磁场”来解释金属磁记忆效应的产生[11-13]。该学说认为，在循环载荷和外磁场（如地球磁场）激励下，铁磁性工件内部的高密度位错聚集处会出现磁畴固定结点，出现残余磁感应和自磁化的增长。因此，材料表面的漏磁场信息与缺陷或应力集中状态存在对应关系，能够表征出应力集中程度。磁偶极子模型被广泛应用于自有漏磁场的研究。磁偶极子模型最早由Zatsepin和Shcherbinin提出[19]，而后，三维和改进的磁偶极子模型也被相继发表，用以探究缺陷对于自由漏磁场的影响[20，21]。有限元仿真也是此学说的热门研究方法。郭凯等人通过有限元数值模拟发现，磁记忆信号可以量化表现管道气孔和埋藏裂纹引起的应力集中程度[22]。

2.2 “能量平衡”学说

任吉林等人提出[15，23]，承受外载荷的铁磁工件会在应力集中位置聚集高应力能，为使工件内部的总自由能达到新的最小平衡，在磁机械效应下，铁磁材料会产生磁致伸缩形变，磁畴将发生不可逆的重新取向以及畴壁的位移，使磁弹性能增大，直至与应力能对等，从而形成远高于自然磁场的磁场强度。即使外载荷消除，应力集中区和磁状态的变化也会因内耗效应等因素不可逆地继续保留。

自有漏磁场理论和能量平衡理论是磁记忆检测的最基本研究理论，被广泛运用于磁信号的机理探索和试验分析[24]。

2.3 Jiles-Atherton模型学说

Jiles和Atherton称，铁磁构件的剩余磁化状态将无限地、不可逆地接近循环应力下的无滞后磁化状态，即接近原理。基于此，他们利用等效磁场的理论构建了J-A原理模型[25]。这一模型物理意义明确、参数较少，成为磁记忆机理研究的一大热点，被不断修改完善。Sarker、刘清友等人分别引入比例因子、无磁滞磁化方程改善了J-A模型，并试验证实了修正后模型的使用效果良好，对缺陷的量化评估具有重要的参考价值[26，27]。

2.4 微观磁化机理

磁记忆效应的微观机理研究主要分为磁畴变化和磁导率2个方向。

在磁畴变化研究方面，卢兵兵利用洛伦兹透射电镜分析了压力与外磁场作用下材料内部组织不均匀性对于畴壁位移的影响[28]。王国庆等人基于铁磁体能量平衡原理，建立了应力与铁磁体原子磁矩之间的数学关系模型，发现应力载荷下的原子磁矩随应力增大而减小，宏观上表现为材料表面磁化强度分布和磁化率的变化[29]。该结论得到了仿真模拟与实验验证。

在磁导率研究方面，应力磁导率理论认为应力的不均匀分布会导致磁导率发生变化，进而影响磁力线，产生漏磁场。钱康等人通过仿真得出应力集中区的磁信号随应力大小呈规律性变化[30]。

除上述4种学说外，仲维畅[31]借助“电磁感应”定律对磁记忆技术进行了分析；周俊华等人[32]依据“唯像理论”，利用近似的分子场对漏磁场进行了数学量化。不同角度的学说机理为磁记忆技术发展提供了基础性参考和良好的理论支撑。

3 埋地管道磁记忆检测信号的影响因素

除理论基础的探索之外，研究人员也开展了大量的试验及工程研究，埋地管道的磁记忆检测示意图如图2所示。由前文可知，磁记忆信号由应力载荷和自然磁场作用形成，属于弱磁信号，在实际检测过程中，信号极易受到环境及人为等因素的干扰，对检测信号影响因子开展探究具有重要意义。

图2 埋地管道的磁记忆检测示意图

3.1 探头提离高度

探头提离高度是指信号传感器与所检物体表面的垂直距离。信号幅值受提离高度的直接影响，高度值越小，检测信号越强。马泽宇通过管道裂纹磁记忆信号模型计算得到，随传播距离增加，信号强度呈一阶指数关系衰减，但力磁关系仍具有稳定的匹配性，适用于应力集中区域的定位[33]。崔伟等人的仿真结果表明漏磁场峰谷值随提离距离的增大而迅速变小[34]。Yao等人的有限元模拟分析结果认为提离值变化对磁场强度的整体分布规律影响不大[35]。

对于埋地管道而言，管道埋深直接决定了提离距离的大小，是不可控变量，但具体操作中，操作人员仍应使传感探头尽量贴近地面，并在检测过程中尽可能地避免探头的不必要抖动，保持探头提离高度的一致。

3.2 环境磁场

由于漏磁场的激励源是微弱自然磁场，且埋地油气管道往往出现与其他管线交叉、平行敷设的情况。检测实施过程中，周围环境中的带磁、带电物件，甚至周边的交通、通信状况均有可能产生干扰，从而影响检测准确度。有效分辨磁信号的来源是信号分析中的一项重要工作。

刘琳等人以永磁体模拟干扰磁场，发现当干扰磁场比地磁场高出1个以上数量级时，信号曲线的斜率与截距均受到较大影响；反之，斜率基本不受影响，但截距仍存在较大变化[36]。Hu等人认为环境磁场会对信号值的大小产生影响，通常不会改变曲线的形状。但足够大的环境磁场会产生强于应力的激励效果，特殊的环境磁场会放大应力集中导致的磁信号强度[37]。曾寿金等人探究了手机信号对磁记忆检测效果的干扰程度，结果表明不通话的手机造成的干扰可忽略；但当手机处于通话状态时，干扰程度会随数量增多而增大，直至影响检测结果[38]。

若检测时，周围环境中电磁干扰严重，可采取适当措施进行电磁屏蔽，以获得准确的磁感应数据。

3.3 管道固有参数

除前文提及的埋深外，管道本身的固有属性参数，如管径、壁厚、内压、材质、走向等，也与磁信号的变化密切相关。

管径与壁厚决定了金属材料的总体积，进而对磁信号有直接影响。陈超认为，漏磁场磁感应强度、信号梯度会随管径的增大而全幅增大，在应力集中处尤为明显。壁厚主要影响信号的轴向极大值，壁厚变大时梯度模量也有一定增幅[39]。姚立东等人对20号钢的管段进行试验发现，当壁厚相同时，管径对焊缝处信号的影响不大；当管径相同时，信号峰值与梯度值均与壁厚大小呈正相关[40]。

管道内压也是一个研究热点。冯刚构建了长输管道磁荷模型并分析得到，随着内压的增大，缺陷及焊缝处的应力集中程度加剧，漏磁场强度随之提高。从具体数值来看，裂纹轴向峰值和径向峰峰值与管道压力呈线性相关[41]。

管道材质也是一个影响因素，具体而言，铁元素和碳元素是关键影响因子。Ranjan等人认为碳化铁（Fe3C）是改变磁特性的主要缘由[42]。由此可见，在工程实际应用中，若检测管段涉及不同种材料时，在分析评估时应考虑管材产生的影响。值得一提的是，部分学者经实验发现，磁记忆检测在奥氏体不锈钢设备上也具有可行性，且效果较好[43-45]。

对于管道的路由走向，于凤云等人认为被测物放置方向对磁场的分布规律影响不大[46]。但陈海龙等人则提出当被测件放置方向不同时，检测信号不是简单的幅值整体平移，曲线整体形貌也可能会发生一定变化[47]。对埋地管道而言，检测时传感器位于管道正上方，其走向不可改变，方位对于信号结果的影响尚未可知，但缺陷本身与地磁场的相对位置可能会对漏磁场产生影响。

3.4 检测速度

为兼顾工作效率与数据质量，检测速度是实际应用中需要考虑的一项因素。孙艳茹认为管道的磁记忆检测速度也会对结果造成影响[48]。为避免缺陷漏检，检测速度不应太快但也不必过缓，0.3～0.5 m/s即可大致满足管道表面磁场信息的完整性要求。

3.5 其他因素

闻庆松等人研究了温度对检测信号的影响，主要表现在信号的数值大小，对变化规律影响不大[49]。材料初始磁场也广受关注。管材在加工、运输、施工及验收等过程中会经历多道工序，难以避免过程中引入的力、磁、热等因素对管道初始磁特性造成影响。Leng等人发现退磁后的构件在缺陷处的磁信号会发生明显畸变，这一特征在未退磁构件中并未出现[50]。在防腐层方面，杨琪的研究结果印证了外防腐层的有无不影响应力集中区的位置判断[51]。

4 研究展望

磁记忆技术作为一种简单便捷、高效环保的埋地管道无损检测方式，可以实现对缺陷、前期损伤等应力集中位置的定位与评估，在定期检验以及寿命预测等方面发挥着重要作用。但因问世较晚，磁记忆检测在理论研究、工程实践等方面均存在较大研究空间，亟待完善。综合来看，主要有以下几个研究方向：

1）磁记忆效应的产生机理尚未达成普遍共识，未形成一套严密完善的理论体系。应在现有基础上多角度、多学科地综合考虑，并结合试验结果建立系统理论来解释现象机理、过程变化。

2）目前的磁记忆相关试验多基于实验室环境对小工件展开，针对埋地管道开展的研究相对较少。管道作为大型构件，其磁特性与局部的小试件存在一定差异，该领域仍待进一步探索。

3）管道检测得到的磁记忆信号微弱，管道的服役环境、固有参数以及检测方式、检测环境等多种因素均会影响信号变化。如何避免干扰、对信号进行降噪预处理、如何正确分辨干扰源等相关内容值得广大学者探索研究。

4）埋地管道磁记忆检测目前缺乏一套严密、完善的技术标准，如何规范磁记忆检测的工作操作流程、评判指标等内容还面临诸多困难。

5）该技术目前仍多作为定性确定缺陷的初级诊断方法，对于磁信号与应力集中程度的量化关系仍待进一步的研究。评判时采用的特征参数也较为单一。在这一方面，对多种数据与应力集中区的对应关系进行分析，推导出能够有效反映应力集中程度的特征量将具有重大意义。

6）有部分学者发现，金属磁记忆检测技术对于非铁磁性材料，如奥氏体不锈钢，也具有一定可行性，但相关研究甚少，研究人员可进行相关试验，并从宏观、微观等多角度深入分析效应形成机理。