[发明专利]一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法

权利要求书

1.一种基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)利用磁力计测量管道沿轴向方向的磁感应强度，得到三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线；

(2)剔除B_yx以减弱外界干扰异常，并依据去除干扰异常后的实测模量值和平均模量值计算危险指数F；

(3)结合危险指数F对磁异常管段的异常等级进行分类；

(4)对于步骤(1)得到的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向分布的变化规律曲线，提取其中管体磁异常管段，初步判定该管体磁异常段的缺陷类型，建立该缺陷类型的模型，并对该模型进行正演，得到管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线；

(5)将相同异常等级下的磁异常管道测点划分为一组，结合危险指数F的大小、步骤(1)得到的三分量水平梯度沿管道轴向B_xx、B_yx和B_zx的变化规律曲线、以及经步骤(4)正演得到的管道磁感应强度三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx沿管道轴向的分布规律曲线，通过反演判定磁异常管段的危险性缺陷位置；

(6)标定危险性缺陷位置坐标并定期观测，依据危险指数大小及经步骤(1)测量得到的管道磁感应强度三分量水平梯度沿管道轴向分布的变化规律，对缺陷发展过程进行预测，以及时采取补救措施。

2.根据权利要求1所述的基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于：步骤(1)中利用磁力计测量管道磁场的磁感应强度时，采用非接触式管道磁检测技术检测。

3.根据权利要求1所述的基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于：步骤(2)中，利用以下公式计算危险指数F：

F=e(1-QaQ‾)......(1)]]>

其中，Q_a是任意一点的实测梯度模量值，通过以下公式计算得到：

Qa=Bxx2+Bzx2......(2)]]>

是测量位置的实测梯度模量值的平均值。

4.根据权利要求1所述的基于埋地钢制管道磁异常提取及解释方法，其特征在于：步骤(4)中，具体通过以下公式对管体磁异常段缺陷类型模型正演：

以磁力计的中点所在位置与地面的垂线作为Z轴、以管道轴线作为Y轴、以Y轴和Z轴的交点作为原点O、以经过原点O且与YZ面的垂线作为X轴，建立空间坐标系；根据空间磁偶极子磁场表达式得到等效磁矩P在X、Y、Z轴方向的的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度为：

Bx=2μr2μr+1μ04πr5[(3x2-r2)|px|+3xy|py|-3xz|pz|]By=2μr2μr+1μ04πr5[-3xy|px|+(r2-3y2)|py|+3yz|pz|]Bz=2μr2μr+1μ04πr5[3xz|px|+3yz|py|+(r2-3z2)|pz|]......(3)]]>

其中，B_x、B_y和B_z分别表示等效磁矩P的三个分量P_x、P_y和P_z在位置M(x,y,z)处所产生的磁感应强度，r表示原点O到位置M(x,y,z)的距离，根据M(x,y,z)和原点O的坐标计算得到，μ₀表示真空中的磁导率，μ_r表示铁磁性物质的相对磁导率，μ₀和μ_r为常数；

假设应力集中区的范围为以Y轴的y₁、y₂处横截面为两个底面的圆柱体，由多晶体铁磁性材料应力与磁化率变化量的关系得到应力集中区内的横截面由于应力集中而产生的沿3个坐标轴方向的附加磁矩P_x、P_y和P_z根据以下公式获得：

|Px|=50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2σθ·|Hx|·dv2|Py|=50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2στ·|Hy|·dv|Pz|=50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2σθ·|Hz|·dv2......(4)]]>

其中，x₀表示铁磁性材料的初始磁化率，I_s表示单晶铁磁体高斯系数，λ₁₀₀表示单晶铁磁体磁致伸缩系数，K₁表示磁晶各向异性常数，σ_θ、σ_t分别表示管道的径向和轴向应力，x₀、I_s、λ₁₀₀、K₁均为常数；σ_θ和σ_t根据管道压力的变化改变，分别根据以下公式计算：

σ_t＝P·D/2·S₀……(5)

σ_θ＝P·D/4·S₀……(6)

其中，P为内压力，单位为MPa，D＝(D₀+D₁)/2，D为管道的平均直径，D₀为管道外径，D₁为管道内径，S为壁厚，单位为mm；P、D₀、D₁和S₀均为已知量，由分输站的管道参数技术表提供；

dv表示应力集中区内的横截面的体积，根据管道直径计算得到，H_x、H_y和H_z分别表示X轴、Y轴、Z轴方向上的磁场强度，由以下公式计算：

Hx=|H|·cosθ·cosIHy=|H|·sinθ·cosIHz=|H|·sinI...(7)]]>

其中，H表示磁力计测量到的磁感应强度，θ表示管道走向与磁北的夹角，由地域决定，I表示地磁倾角，θ和I均实测得到；

将地磁要素代入磁偶极子空间磁场表达式得到应力集中区内的横截面在XOZ平面中的测点M₀(x,0,z)处所产生的附加磁场磁感应强度分量表达式；其中，所述附磁偶极子空间表达式为公式(3)；

将公式(7)代入公式(3)，并令y＝0，得到所述附加磁场磁感应强度分量表达式为：

Bx=μr2μr+1·50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2·μ0|H|4πr5·σθ·[(3x2-r2)·cosI·sinθ-3xz·sinI]·dvBy=2μr2μr+1·50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2·μ0|H|4πr3·στ·cosI·cosθ·dvBz=μr2μr+1·50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2·μ0|H|4πr5·σθ·[3xz·cosI·sinθ+(r2-3z2)·sinI]·dv...(8)]]>

将公式(8)中的各附加磁场磁感应强度分量B_x、B_y、B_z分别对x求导，得到X轴、Y轴和Z轴方向的三分量水平梯度B_xx、B_yx和B_zx：

Bxx=μr2μr+1·50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2·μ0|H|4π·σθ·[(9xr2-15x3)cosI·sinθ+(15x2z-3zr2)sinIr7]·dvByx=-2μr2μr+1·50x02Is2λ100(10Is2+2x0K1)2·μ0|H|4πr5·στ·cisI·cosθ·3x·dvBzx=μr2μr+1·50x02Is2λ100(10Iss+2x0K1)2·μ0|H|4π·σθ·[(3zr2-15x2z)cosI·sinθ+(15xz2-3xr2)sinIr7]·dv...(9)]]>

利用公式(9)绘制出三分量水平梯度沿管道轴向的变化规律曲线。