城市并行热力管道的非开挖检测技术研究_刘凯
第27卷第4期2013年12月
南昌航空大学学报：自然科学版
Journal of Nanchang Hangkong University：Natural Sciences
Vol．27，No．4
Dec．，
2013
学报
Journal%of%Nanchang%Hangkong%University
自然科学版··········Natural%Sciences
［收稿日期］2013－10－20
［修回日期］2013－11－20
［基金项目］江西省教育厅青年基金项目（GJJ13488）
［作者简介］刘凯（1987—），男，南昌航空大学测试与光电工程学院硕士研究生。主要研究方向：电磁检测。
城市并行热力管道的非开挖检测技术研究
刘凯于润桥胡博鄢志强
（南昌航空大学，南昌330063）
［摘要］城市供暖所用热力管道在运行过程中不可避免因老化腐蚀发生泄漏，造成安全事故，针对其开展的无损检测技术研究受到国内外研究者的广泛重视。基于脉冲涡流的基本原理，开展了对并行热力管道腐蚀缺陷的非开挖检测技术研究。通过模拟现场实际工况实验，采集管道的感应电动势信号，建立感应电动势与管道壁厚的关系模型；依此模型为基础，计算出并行热力管道的壁厚值，依据管壁厚度的变化定位管道腐蚀缺陷位置。该研究为城市并行热力管道的腐蚀缺陷检测提出了一种行之有效的方法，具有良好的工程实用价值。
［关键词］热力管道；脉冲涡流；非开挖；感应电动势
［中图分类号］TH878［文献标志码］A doi：10．3969/j．issn．1001-4926．2013．12．0016
［文章编号］1001－4926（2013）04－0090－06
TechnologyＲesearch of Parallel Thermal Pipeline Trenchless Detection in City
LIU Kai YUＲun-qiao Hu Bo YAN Zhi-qiang
（Nanchang Hangkong University，Nanchang330063，China）
Abstract：Heat distribution pipeline used in city heating would inevitably produce aging corrosion leakage，even cause safety accidents．Both domestic and international scholars pay more attention to the study of non-destructive testing．In this paper，we developed the research on trenchless detection of the parallel heating pipelines’corrosion defects based on the basic principle of pulsed eddy current．By using simulative actual working condition，we collected the pipeline’s induced electromotive force signal，and established the relation model between induced electromotive force and pipeline wall thickness．Furthermore，on the basis of this model，we calculated the parallel heating pipeline’s wall thickness values．According to the change of wall thickness，corrosion defects were located．This study proposed a feasible method for detection of city parallel heating pipelines’corrosion defects，and has good practical values in engineering．
Key words：parallel heating pipe line；pulsed eddy current；trenchless；induced electromotive force
第4期刘凯，于润桥，胡博，等：城市并行热力管道的非开挖检测技术研究
0引言
目前全国城市住宅供暖面积占总供暖面积的59．76%，公共建筑占33．12%，其他占7．12%。城市供热系统主要有3大部分组成：热源、热力网和热用户，其中在热力管网中发生腐蚀泄露而造成的经济损失最大，影响范围较大，检修难度最大［1-2］。国外一些供热技术发达国家，如瑞典、丹麦等，拥有从直埋供热管道设计、生产制造、施工验收、监测、运行等一系列完整成熟的技术标准和措施。在城市供热管网的检测方面，这些国家推广使用的是对管网进行实时监测的热网泄漏监测系统，而在我国城市供热管网建设与管理严重落后于发达国家［3］。近年来人们对城市热力管道的安全使用越来越重视，多种针对城市热力管网检测的方法被提出，最常见的为红外热辐射法［4］、光纤光栅法［5-6］以及热力管道漏点检测系统（Leak Detection System for heating pipeline）［7］，这三种检测方法由于无法得到并行热力管道壁厚的具体参数值，进而不能对管道的使用情况进行有效的评测，造成热力管道的管理单位无法对管道进行必要的维护，我国每年因城市热力管道泄漏造成的巨大损失依然存在。
利用脉冲涡流法对城市并行热力管道进行检测，具有非开挖，探测深度范围大，抗干扰能力强、可得到管道壁厚信息等优点，满足对城市热力管网腐蚀的检测要求，对热力管道的渗漏做早期预警。针对目前城市供热管网的铺设情况，本研究基于脉冲涡流法基本理论设计实验，测得并行管道的感应电动势，并找到感应电动势与壁厚之间的关系，换算得出管道的壁厚值，从而可以较为客观的反映出管道的实际使用情况，便于管道管理单位对热力管网进行及时的维护。
1原理与方法
1．1腐蚀分析与检测原理
供热干管管道为管长6m或12m、壁厚7．5mm 的未经特殊处理的管材，外部一般采用3层PE防
腐层，进水管与回水管并行铺设。目前城市供热所用热力管道主要由管道管体、防水保温层及耐冲击保护外壳组成，构成一个完整的供热管保温结构。城市供热管道直埋干管主要的失效原因包括腐蚀穿孔、焊缝上存在的各种超标焊接缺陷开裂和人为破坏等［8-10］。随着城市供热事业的发展及经常出现的热力管网事故，表明早起管网建设者们对城市热力管道土壤腐蚀及管内电化学腐蚀的认识不足，造成管道在持续工作几年后便出现不同程度的腐蚀，严重的造成管网部分区段整体报废的局面。
脉冲涡流是对初级线圈加载一定占空比的脉冲激励信号，初级线圈被加载了脉冲信号后靠近被检试件时，在此试件中感生瞬时涡流和感生磁场。瞬时涡流的大小及衰减情况与导体的电磁特性、几何形状及耦合状况相关，次级线圈接收到包含被检试件导电率、磁导率等信息的感生磁场［11-12］。依据此原理，若进水管或出水管的某段管道发生了不同程度的腐蚀（即金属量发生了改变），其涡流再生磁场必然发生改变，变化的磁场又产生变化的感应电动势，对次级所接收到的感应电动势进行归一化处理其函数表达式如下［13］：
U（τ）
I
=Ｒ［h，a，l
T
，n
T
，l
Ｒ
，n
Ｒ
，L（ατ）］（1）L（ατ）=L［τ，α（μ，σ，b，a）］（2）
α=
1
μσ·b2
（3）其中：U（τ）/I是接收部分的归一化电动势；h是管道中心距地表距离；a是管道内径；b是管道外径；
n
T
是初级线圈匝数；l T是初级线圈半边长；nＲ是次级线圈的匝数；lＲ是次级线圈的半边长；L（ατ）是管道瞬时响应函数；T是时间；α是管道时间系数；μ是磁导率；σ是电导率。
1．2管道壁厚计算
对得到的归一化感应电动势数据进行预处理，然后找到反应壁厚变化的时窗数据，采用最小二乘
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19
·
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卷
学报
Journal%of%Nanchang%Hangkong%University 自然科学版··········Natural%Sciences
法对壁厚和反应壁厚变化的时窗数据进行指数拟合，得到曲线拟合表达式
［14］
为：
D =K 1e K 2V
（4）
式中，
D 表示该测点管道剩余壁厚；V 表示该测点测得的归一化感应电动势；K 1和K 2是系数。其中，每次检测过程中，地下并行管道埋藏环境不同，管道介质因素也不相同，探头参数也不尽相同，所以每次试验过程中的K 1和K 2都需要重新测定，通过对这两个已知点检测得到归一化感应电动势，即
可计算K 1和K 2的数值，再将K 1和K 2带入式（4）中，即可算出并行双管的壁厚值。
相距D
图1脉冲涡流法检测并行管道原理图
2
脉冲涡流实验
2．1
实验的设计
采用2根6m 长、 74mm ?5．5mm 、电导率σ
约为9．96?1016
S /m 、相对磁导率μr 为372的钢管作为实验对象，其中一根钢管做模拟腐蚀处理，其腐蚀情况如图2a ；另一根管道不做处理，作为未腐蚀管道。采用埋地管道非开挖检测系统进行感应电压信号的数据采集。
在实际工程中发现，城市管道之间纵横交错、加装三通、修补“打卡子”极为普遍，这几种情况可以认为是在传感器检测区域内，相对于普通管道，该区域内金属量有了急剧的增加。为模拟实际工程中的检测环境，实验过程中选取其中一种情况———在平行双管上方加垂直于双管的横通管，以模拟实际管网交错情况如图2b ，具体2组实验中管
道的安放参数见表1。
表1
2组实验管道安放参数
组号是否有垂直通管通管数量（根）
位置/mm
1无02
有
1
3000
6111621263136
桩号
(b)
300
63
73
6000
（a ）
2000
1000
1000200072
74
Unit:mm
图2管道信息图
2．2数据采集与分析
根据实际城市热力管道的埋藏深度（＜2m ）建
立实验，
将传感器（激励30匝，接收60匝）置于并行管道中线上方1．5m 这一水平高度进行测量。在得到检测数据后，对所得到的感应电动势依照公式（1） （3）进行归一化处理，在将归一化感应电动势带入公式（4）从而算出具体的壁厚值。其中，真实壁厚：为每隔0．2m 取一个圆周面用超声测厚仪测出4个点的壁厚值（两根管道完好是条件一致，壁厚值相差小于0．2mm ），再取平均；检测壁厚：为根据前面提到的公式（4）利用VB6．0软件将其用图像表现出来（直接反应出并行双管中腐蚀管的壁厚），并存储数据；误差：为检测壁厚值与真实壁厚值的误差。实验分为两组：①为证明理论的正确性进行的可行性验证实验，检测得到的腐蚀段数据如图3所示；②为模拟现场环境进行添加干扰的实验，检测得到的腐蚀段数据如图4图所示。
图3、图4为整个检测数据中腐蚀段（16桩起始至25桩）的数据处理，其中：图3进行了未加横通干扰管的理想模拟实验，从图中可以看出整个腐
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第4期刘凯，于润桥，胡博，等：城市并行热力管道的非开挖检测技术研究蚀段其检测壁厚值与真实之间的误差仅在21桩处为11%（即0．5561mm ），其余各桩点误差都小于10%，可以清楚地反映出管道的腐蚀情况，证明了
脉冲涡流法在热力管道非开检测中运用是可行的。图4为在腐蚀段（21桩处）加垂直于被测管道的横通管（干扰管），检测见过反应在21桩处检测壁厚值突然增大，在22桩处，检测值受到21桩处的影响被放大不少，因此该处误差值较大，但可以看出16桩 19桩、24与25桩误差均小于10%，故此可以证明21桩处有异常干扰，在实际工程中主要以横通管、
三通、修补（打卡子）等为主。检测壁厚值
真实壁厚值
误差值
24
23
22
21
20
19
18
17
16
25
桩号
876543210
80706050403020100误差/%
壁厚/m m
并行双管腐蚀段数据分析—未加干扰管
图3
可行性验证实验
2423
22
21
20
19
18
17
16
25
桩号
240210180160
1209060300
误差/%
876543210
壁厚/m m
检测壁厚值真实壁厚值
误差值
图4模拟实际情况实验
2．3
工程实际应用
为了对实验的正确性加以验证，
2012年11月在呼和浩特市进行现场验证—
——对埋地热力管道进行非开挖检测。热力管道具体情况为管径159mm ，原始壁厚8mm ，管道埋深2m ，进水管与出水管水平并行排列，
间距500mm 。根据公式（4）与检测到的归一化感应电动势值，计算出壁厚值，如图5所示。
检测起点作为检测零点布置测点，点距2m 。由图5可见，33号桩附近是一个小区的出口，管道存在三通，所以此段测得的信号存在一个较大的凸
84.067.250.433.616.803331292725232119
1715131197531
373539
桩号
腐蚀分析
壁厚/m m
图5检测结果图
起。30桩处有异常凸起点，求证管理单位为此前修补安装“卡子”。对数据分析，判断管道在4号桩到16号桩之间存在管道腐蚀现象。判断管道漏水点应该在7、8号桩附近，但7号桩处壁厚值增加，推测此处为漏水造成泥土潮湿，增强了导电性而使测得的感应电动势增加，进而使得计算得到的壁厚值
增加。故指定7 8号桩之间，即距离起始点12 14m 的范围存在管道漏水。开挖结果如图6、7所示，将路面水泥切开近半米深，有大量热水冒出地面（图6）。热力站人员暂时停止供水并用抽水泵将水抽干，继续开挖，找到漏水点，如图7所示。
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图6初步开挖发现溢水图7发现漏点
图7可见，此段管道防腐保温层已经严重破损，有水流往外冒出，漏水点约为20mm ?5mm 的槽型破损点，对漏点附近进行超声测厚仪测厚具体数据间表2，
测得壁厚值小于5mm ，属于严重腐蚀，与数据分析结果相一致。委托方修补以后，管道压力表正常，无其他漏水点。
表2
开挖测得腐蚀段数据桩号超声测厚/mm 检测壁厚/mm 误差/%备注
6
4．65
4．5047
3．1241
7
2．11
4．6606
120．8817
漏点（由于漏
水增强泥土导电性使壁厚值增加）
82．642．43087．92349
3．01
2．7493
8．6619
3结论
1）基于脉冲涡流理论对城市并行热力管道腐蚀进行脉冲涡流检测是可行的，且能计算出单管的壁厚。
2）模拟实际工况的实验室检测证明，脉冲涡流法应用于地下管道纵横交错的、情况恶劣的城市供热管道是可行性。
3）将该技术应用于电磁环境复杂、并行管道多、
干扰管道多的城市埋地并行热力管道进行工程现场检测，与实验室检测结果基本一致，得到较为精准的管道壁厚。
4）利用脉冲涡流法得到的较为精准的管道壁厚，可以对并行热力管道的使用情况进行客观评价，为管网管理单位提供可靠的管道参数信息，便于管理单位能够对管道进行及时的维修与更换。
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