磁致伸缩导波技术在海上石油管道检测中的应用

摘要：海上石油管道输送是一种高效且低成本的长期运输方式。然而，在长时间的运输过程中，海上石油管道易发生腐蚀泄漏。企业通常会采取抽样检测的方式来应对这一问题，但抽样检测容易漏检，且难以适应较长管道的距离检测标准。一旦石油大量泄漏，不仅会造成企业的经济损失，还会影响生态环境，引发社会强烈舆论，对企业造成致命打击。磁致伸缩导波检测技术是基于导波检测技术发展起来的一种新技术。导波传输距离长，受干扰小。文章以美国西南研究院（SWRI） 的最新MsSR3030R超声导波检测系统为代表，该技术已在天然气管道、桥梁缆索检测等领域得到应用。该文基于导波检测技术原理，分析探究该技术在海上石油管道检测上的精度，为海上石油管道输送提供帮助，助力其健康发展。

关键词：磁致伸缩导波技术；海上石油管道；检测；生态环境

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）08-0112-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

海上石油管道在长期运输过程中容易发生腐蚀、疲劳、蠕变及材质劣化，尤其是腐蚀泄漏，不仅给企业带来经济损失，还会污染海洋环境。一方面，企业正在寻求更优质材质的石油管道和提升施工技术方法；另一方面，也在寻求有效的石油管道检测方法[1]。海上石油管道深处海底，无法通过肉眼观察，而抽样检测的方法容易漏检，且难以适应较长管道的距离检测标准，因此需要构建新的检测技术。

近年来，美国科学家研发的磁致伸缩导波检测设备MsS3030R能有效地检测出管道的腐蚀状况及其内在缺陷[2]。该技术利用磁致伸缩效应产生导波，导波传输距离长，受干扰小，使得磁致伸缩导波检测技术能远距离地对板材构件进行检测，高效迅速地测定板材构件的状况，帮助用户及时了解结构状态信息[3]。通过分析探究该技术在海上石油管道检测上的精度，获得检测结论，对实际海上石油管道检测具有重要的价值。

1 磁致伸缩导波原理

磁致伸缩导波是一种新兴技术，基于导波原理并具备特定特性。导波是一种受限于管件、板件等几何形状的快速传播的机械弹性波[4]。磁致伸缩导波检测系统包括主机、传感器、前置放大器、检测软件等部件，如图1所示。磁致伸缩导波的工作原理是在外磁场中磁化具有磁致伸缩效应及逆效应的铁磁体，使其外观形态发生变化，引发铁磁体的应变，从而生成应力波（主要是结构导波） ，也即我们常称的弹性波[5]。当结构导波遇到有腐蚀、焊缝、支架、弯头、裂纹、破损等缺陷的铁磁体时，声阻会发生变化，从而引发导波反射、透射。铁磁体内磁感强度的变化会改变接收线圈中的电压[6]。因此，通过测量铁磁体构件中的电压信号，可以有效检测铁磁体是否存在诸如破损、弯头、腐蚀、裂纹等缺陷。

2 磁致伸缩导波检测系统和操作方法

2.1 磁致伸缩导波检测系统

该系统选用的是美国西南研究院（Southwest Research Institute， SWRI） 的MsSR3030R超声导波检测系统，该系统主要由主机、数据传输线、数据采集和分析软件、蓄电池、笔记本电脑等组件构成，内置蓄电池、适配器、探头线圈和磁致伸缩铁钴合金带，能够持续使用八个小时，不仅便于携带和运输，而且有利于野外作业[7]。该技术采用低频超声导波来检查管道截面是否存在结构特征信号或腐蚀信号，然后这些信号会反射回探头，再经过处理并显示。通过系统的简单分析，便能够快速评估出管道的腐蚀、裂纹、破损等状况，如图2所示。

2.2 磁致伸缩导波检测系统的操作方法

一是打磨清理待测管道，并在合适的位置安装探头；二是用涂敷环氧树脂的铁钴带粘贴在管道上，条带长度需略小于管道周长，且保证两端有一定间隔；三是沿着管道轴向磁化铁钴带，形成偏磁场，当与线圈交变磁场作用时产生T模态导波；四是将适配器连接到线圈上，然后粘贴到铁钴带上[8]；五是通过电脑连接数据线，设置相关的软件参数，及时搜集相关数据，并予以存储。

接下来是磁致伸缩导波检测系统的检测过程。该系统会自动处理并得到管道缺陷检测波形。在数据采集过程中，系统分别采集正负方向的数据，并存储至相关的数据文件。然后，利用数据分析软件设置反射百分比和参考相位，进而实现系统的自动处理[9]。管道缺陷检测报告便会显示在电脑屏幕上，如图3所示。

磁致伸缩导波检测系统选择T模态导波的主要原因在于，在海上石油管道的长距离检测中，导波不能因为距离而受到影响。T模态导波具有低损耗特性，不会在长距离传输中损失能量。其次，它的方向性良好，能够在特定的方向上集中能量，且波速不随频率改变，即使管内介质流动速度快慢，都不会受到影响。此外，它也不会因为管道尺寸大小而影响性能。最后，T模态导波便于掌控，针对不同的应用场景，可以通过设定波导的几何参数和使用不同的材料特性来控制其行为。在实际应用时，该系统可以快速扫描没有沥青涂层的管道，其单向距离可达100米。针对保温或涂层的管线时，需要清除放置探头区域的保温层，其工作量相对较大。

然而，磁致伸缩导波检测系统的缺陷也非常明显。首先，T模态导波系统的成本较高，这主要是技术问题导致的。其设计和制造过程较为复杂，需要投入大量的人力和物力。其次，T模态导波的模式转换较为复杂，需要用特殊的结构或技术来实现转换。

3 某石化企业的石油管道应用案例

某石化企业的石油管道深埋海底，易发生腐蚀泄漏，不仅给企业造成了经济损失，还对海洋环境造成了污染。长期以来，石油管道检测主要依赖抽样方法，但这是一个不容忽视的难题。该方法的缺点是无法实现长距离一次性检测，长距离检测时需分成多次进行，需要投入大量的人力和财力才能解决问题。因此，为了验证磁致伸缩导波技术对海上石油管道现场检测的能力，选取了该企业的石油管道进行检测。

1） 石油管道规格。所选石油管道采用耐腐蚀的316 L不锈钢材料，规格为Φ273 mm×8 mm，能承受的最高使用温度为450℃。管道通过对接环焊缝连接，形成螺旋焊缝，外径为509 mm，壁厚为8.7 mm。其中，有2条伴热管线包覆着保温层。该企业的石油管道主要运输原油，具有一定的腐蚀性。

2） 磁致伸缩导波检测系统检测某企业海底的石油管道。通过磁致伸缩导波检测系统获得的检测报告显示（如表1所示） 。

通过表1发现，在距探头正向2.2 m和6.3 m处管道存在腐蚀缺陷，其符合代表为D1和D2。为了验证磁致伸缩导波检测系统检测结果的准确性，随后撤除了外部保温层，利用超声测厚仪再次检测了缺陷部位。的确，在距探头正向2.2 m和6.3 m处管道存在腐蚀减薄的缺陷。同时，对整个管线进行了检测，并未发现其他腐蚀缺陷问题，且管道外观完整。可见，磁致伸缩导波技术在海底石油管道的检测中具有极高的可靠度和精确性。

4 结束语

在实际检测中，磁致伸缩导波技术在海底石油管道的检测中展现出了极高的可靠度和精确性，且检测距离较长，其优点十分明显。然而，该技术目前主要以美国西南研究院（SWRI） 的MsSR3030R超声导波检测系统为代表，企业需要花费较高的价格购买该系统才能应用，这极大地限制了该技术的推广应用。此外，该技术也存在一定的不足，如检测系统在长距离检测时可能受多种因素影响；在使用时，对操作人员的经验要求较高；该系统不能有效反映腐蚀缺陷的大小和缺陷类型等。这些都是亟须克服的问题。近年来，我国在科学技术领域取得了高速发展，许多技术已走在世界前列，也突破了国外的技术封锁。因此，相信在不久的将来，以中国为代表的磁致伸缩导波检测系统将会问世，兼具SWRI系统的优点并有效解决现存问题。

参考文献：

[1] 杨宁祥，谢小娟.浅谈磁致伸缩超声导波检测技术的应用[J].特种设备安全技术，2020（1）：59-60.

[2] 陈会明，唐志峰，吕福在，等.基于磁致伸缩超声导波的管道周向扫查技术[J].无损检测，2018，40（12）：51-56.

[3] 龙盛蓉，黄永跃，李志农，等.磁致伸缩纵向导波对充油弯管缺陷检测研究[J].组合机床与自动化加工技术，2019（11）：67-69，73.

[4] 崔云龙，翟永军，张彬.长距离磁致伸缩导波在埋地管道检测中的应用[J].化工装备技术，2019，40（5）：16-19.

[5] 谷涛，王强，胡栋，等.磁致伸缩超声导波的包覆层轻烃管道检测试验分析[J].河南科技大学学报（自然科学版），2018，39（6）：50-54，59，7.

[6] 陈治邦，鲁乃唯.斜拉索腐蚀损伤下斜拉桥体系可靠度研究[J].公路工程，2020，45（1）：6-11.

[7] 吴建峰，刘礼华，周祝兵，等.桥梁缆索腐蚀失效及防护技术研究进展[J].公路，2017，62（8）：122-126.

[8] 胡华胜，孙杰，宋晓峰，等.基于磁致伸缩效应低频导波在高温工业管道腐蚀检测的应用[J].无损检测，2019（3）：6-10.

[9] 胡栋，张义磊，王强，等.基于磁致伸缩超声导波的热力管道检测研究[J].化工装备技术，2018，39（6）：14-17.

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