一种基于量子传感的在线检测技术，用于检测残余磁化状态下的铁磁管道中的微裂纹

《NDT & E International》：A novel quantum sensing–based in-line inspection technique for micro-crack detection in ferromagnetic pipelines under residual magnetization

　　摘要：长距离油气管道是能源供应链中的关键环节，其结构完整性对于确保能源的稳定供应至关重要。现有磁通量泄漏检测技术难以发现微观裂纹，因为这类裂纹产生的磁通量极弱，很容易被较强的背景磁场掩盖。为解决这一问题，本文首次提出了一种基于无自旋交换弛豫原子磁力计的新型管道量子内联检测方法。该检测系统通过将微型化原子磁力计探头与主动磁补偿及差分传感单元相结合，能够精准捕捉管道壁微缺陷产生的极弱剩磁通量泄漏，从而实现高灵敏度、高精度的缺陷检测。实验室测试表明，该系统可检测宽度仅为0.1毫米的近侧平板裂纹缺陷；牵引实验则显示，它还能可靠识别直径为2毫米的外壁点蚀缺陷以及宽度为1毫米的外壁环向焊缝裂纹。在当前实验条件下，对于裂纹缺陷，其检测深度可超过7.9毫米。与传统的剩磁通量泄漏检测技术相比，该方法不仅显著提升了缺陷检测灵敏度，还能实现缺陷定位。此外，其轻巧紧凑的设计有望改变传统的内联检测模式，拓展应用场景。该PQII方法为长距离油气管道中微缺陷的精准检测提供了重要技术途径，对保障能源供应安全具有重要的工程价值与理论意义。

引言：长距离油气管道是能源基础设施的核心组成部分，其安全稳定的运行直接关系到能源安全与社会经济的可持续发展。随着全球输配网络规模的不断扩大，以及管道直径增大、钢材等级提高、运行压力升高的趋势，管道所处的服役环境与应力条件日益复杂，结构风险也随之增加。在长期运行过程中，管道会因自然老化、地质变动、外部破坏以及复杂的载荷作用而出现变形、开裂、腐蚀和磨损等缺陷[1]、[2]、[3]。若不能及时发现并妥善评估这些缺陷，它们可能会发展成泄漏或重大安全事故。在管道各部位中，由于几何结构和制造特点，环向焊缝被视为关键薄弱区域，在现场焊接和施工条件下更容易出现微裂纹等平面缺陷[4]、[5]、[6]。这类微裂纹在循环复杂应力作用下容易扩展，可能导致严重的结构失效，其风险通常高于体积型缺陷[7]。因此，可靠地检测环向焊缝微裂纹并进行有效的完整性评估，对于确保管道安全运行至关重要。

目前工程实践中用于检测微裂纹缺陷的管道检测技术主要包括射线检测[8]、[9]和相控阵超声检测[10]。对于埋地长距离管道的裂纹检测，传统的射线检测和外置相控阵超声检测往往需要直接接触管道的特定位置，实际应用中可能还需进行挖掘作业。尽管包括相控阵技术在内的超声内联检测在许多情况下是可行的，但其应用仍会受到耦合条件、操作复杂性以及针对特定缺陷类型和管道结构的适用性限制[3]、[11]。因此，覆盖范围更广的超声内联检测方法逐渐成为工程实践中的重要发展方向。受此需求驱动，近年来出现了多种超声内联检测技术，包括电磁声学换能器[12]、脉冲涡流检测[13]、超声检测[14]、[15]以及磁通量泄漏检测[16]、[17]。这些方法在检测覆盖范围、灵敏度以及工程适应性方面各有优势，但也存在各自的局限性。此外，金属磁记忆技术[18]、[19]也因其对铁磁材料中应力集中及自磁泄漏场变化的敏感性而受到研究关注。不过，其在管道检测中的应用大多仍处于实验室或探索阶段，在复杂的工业环境中实现稳定、定量的缺陷识别方面，其实用性尚未得到充分验证。基于电磁声学换能器的检测方法和脉冲涡流检测都具有非接触式检测特点，且检测速度相对较快。电磁声学换能器尤其适用于管道检测，因为它不需要液体耦合剂；不过，其性能仍可能受到脱离效应以及相对较低的信号转换效率的影响，尤其是在检测微弱缺陷信号时。相比之下，脉冲涡流检测则受趋肤效应限制，检测深层缺陷的能力较差。超声检测虽然具有较大的穿透深度，但高度依赖于耦合条件，这限制了其在天然气管道中的应用。

在现有的各类超声内联检测方法中，由于系统架构成熟且工程适应性强，磁通量泄漏检测技术已成为应用最广泛的技术之一。磁通量泄漏检测的基本原理是检测由缺陷引起的磁路畸变所引发的磁通量泄漏，并对其数值进行量化。该方法在检测腐蚀等体积型缺陷方面已达到较高水平，在理想条件下，某些超高分辨率的磁通量泄漏检测仪器甚至可以实现毫米级乃至亚毫米级的缺陷识别[20]。尽管有一些研究通过优化磁化策略[21]或信号处理技术[22]提升了基于磁通量泄漏检测方法的裂纹检测能力，但其检测效果仍高度依赖于前端磁信号幅度和传感器的灵敏度。

在饱和磁化状态下，外壁环向焊缝中的裂纹通常只会对磁感线产生较弱的扰动，从而导致磁通量泄漏信号的幅度较低，且容易受到背景磁场和结构干扰的影响。因此，传统磁通量泄漏检测技术在裂纹类缺陷检测方面的能力存在固有局限。值得注意的是，在磁通量泄漏检测过程中完成饱和磁化后，管道通常会保持相对均匀的剩磁状态。在这种条件下，裂纹产生的剩磁通量泄漏信号便能更好地与背景磁场区分开来，从而为在剩磁场环境下检测裂纹提供了新的可能性[23]。剩磁通量泄漏检测与磁通量泄漏检测都依赖于对空间磁场扰动的测量，但二者在磁化模式和信号特征上存在差异。磁通量泄漏检测是在饱和磁化状态下进行的，属于强场检测；而剩磁通量泄漏检测则在饱和后的剩磁状态下进行，属于弱场检测范畴。一些相关的剩磁通量泄漏检测研究已经证明了在剩磁场环境下进行磁测量用于检测铁磁管道中的裂纹具有巨大潜力。Long等人[24]提出了一种基于剩磁信号的裂纹检测方法，通过检测管道内壁附近的剩磁通量密度来实现裂纹识别。Zhao等人[25]开发了一种用于检测铁磁管道裂纹的残余磁场检测系统，进一步证明了剩磁场感知技术在这一领域的应用可行性。与本研究更为相关的是，Wei等人[23]提出了一种在饱和磁化条件下的剩磁通量泄漏检测方法，该方法利用管道饱和后的剩磁状态，通过采集内壁附近的剩磁通量密度信号来实现裂纹识别。然而，当外壁裂纹或内部微裂纹产生的磁扰动极为微弱时，这类方法的检测性能仍会受到传感器灵敏度的限制[26]。这些研究结果表明，在检测环向焊缝微裂纹方面，高灵敏度地感知微弱磁信号已成为进一步提升检测性能的关键限制因素之一。

无自旋交换弛豫原子磁力计是一种基于光学检测原子自旋极化的超高性能磁场传感器，它可以通过监测原子蒸汽细胞内的极化状态变化，实现对极弱磁场的精确测量[27]、[28]、[29]。这类原子磁力计在亚飞特斯拉量级下展现出出色的灵敏度和动态响应能力，近年来在基础物理研究以及先进的磁感应应用领域受到了广泛关注[30]。特别是最近的研究表明，无自旋交换弛豫原子磁力计可以集成到电磁感应成像系统中，从而实现对导电结构及缺陷的高灵敏度、非接触式检测，这凸显了其在无损检测领域的巨大潜力[31]、[32]。此外，基于原子磁力计的电磁感应成像技术已能够实现亚毫米级的空间分辨率，并可检测穿透障碍物的缺陷，这进一步拓展了其在复杂检测环境中的应用范围[33]。

基于上述背景，本文将无自旋交换弛豫原子磁力计引入超声内联检测领域，结合剩磁通量泄漏检测技术，提出了一种用于检测铁磁管道中微裂纹缺陷的高灵敏度PQII方法。本研究的主要贡献如下：
•首次为长距离管道提出了PQII检测方案。研制出了微型化、全集成式的无自旋交换弛豫原子磁力计探头，并采用了混合式磁干扰抑制策略，即结合被动高磁导率屏蔽与差分主动补偿技术，从而使得无自旋交换弛豫原子磁力计能够在超声内联检测环境中稳定工作，并在工程条件下准确采集微弱的剩磁通量泄漏信号。
•提出了一种基于剩磁通量泄漏检测的缺陷诱发的磁扰动模型，用以替代无自旋交换弛豫原子磁力计应用中常用的地磁场激励模型。分别建立了在剩磁场和地磁场条件下由缺陷诱发的磁扰动信号的有限元模型，通过直接对比验证了基于剩磁通量泄漏检测方法的检测优势。该策略既能放大微尺度缺陷产生的磁通量泄漏信号，又能降低能耗并简化系统结构。
•构建了一套完整的基于无自旋交换弛豫原子磁力计的剩磁场超声内联检测系统，同时还配备了专用的多通道数据采集及信号可视化软件，并通过实验对其进行了验证。现场试验和实验室测试均表明，该系统能够可靠地检测出亚毫米级的管道内壁裂纹以及毫米级的管道外壁缺陷，且信噪比很高。进一步比较实验显示，所提出的量子检测方法在检测微尺度裂纹缺陷的灵敏度方面优于传统的基于剩磁通量泄漏检测的方法。

章节节选
缺陷检测原理：根据静磁等效理论，缺陷界面处磁化强度法向分量的不连续性可以用等效的表面磁电荷密度σm = M?n?来表示，其中M为局部磁化强度矢量，n?为缺陷界面的外向单位法向量[34]。裂纹和腐蚀坑等几何不连续性会局部改变铁磁材料的磁导率和磁化分布，从而……

实验与结果：为验证所提方法的准确性和有效性，我们开展了全面的实验研究，包括数值模拟、使用标准试样的实验室测试以及现场管道牵引试验。在数值模拟研究中，采用了第2.5节中描述的有限元模型，在不同的磁激励条件下分析了不同深度和尺寸缺陷对应的信号响应，以此评估各种信号的相对特性……

讨论与结论：本研究提出了一种专为长距离管道超声内联检测设计的新型量子剩磁通量泄漏检测方法PQII。通过将被动磁场补偿、差分传感架构以及基于剩磁激励的机制有机结合，构建出了一套完整且具备工程实用性的量子超声内联检测方案。这一设计使得此前仅能在实验室环境中使用的无自旋交换弛豫原子磁力计，能够在实际的超声内联检测环境中稳定工作……

作者贡献说明：李瑞：撰写——初稿、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。王恩鹏：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、形式分析、数据整理。傅宽：项目管理、方法论、资金获取、数据整理、概念构思。陈鹏超：监督、项目管理、资金获取。段金耀：验证、调研、数据整理。王亚楠：数据可视化。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国石油管道局科学研究基金的资助，项目编号为(AQWH202505, CYJS-AQWH202408)；作者：李瑞、王恩鹏、傅宽、陈鹏超、段金耀、王亚楠，中国石油管道局科学技术研究院，天津，300457。