海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

張士華，初新杰,2，孫永泰，史永晉

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

張士華1，初新杰1,2，孫永泰1，史永晉1

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257017；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

簡(jiǎn)述了海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的背景知識(shí)、基礎(chǔ)理論及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了磁檢測(cè)技術(shù)和超聲檢測(cè)技術(shù)裝備在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展情況，總結(jié)了發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)存在的主要技術(shù)問題，分析了研發(fā)系列化海底管道內(nèi)缺陷檢測(cè)裝備的必要性和應(yīng)用前景。

海底管線；缺陷；內(nèi)檢測(cè)；漏磁檢測(cè)；高精度

我國(guó)處在太平洋沿岸，海底表層地基不穩(wěn)定，同時(shí)海底管線和水下結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期受介質(zhì)腐蝕、海流沖淘及海上意外事故的影響，容易產(chǎn)生缺陷和損傷，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆管、油氣泄漏或平臺(tái)倒塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和海洋環(huán)境破壞。為避免油氣泄漏和平臺(tái)倒塌等事故的發(fā)生，應(yīng)對(duì)在役管道進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)，檢測(cè)管道壁中的潛在缺陷。我國(guó)在上世紀(jì)90年代已在淺海海域進(jìn)行了石油開采，許多海底管線已服役了十多年，檢測(cè)和修復(fù)工作勢(shì)在必行。

隨著政府和企業(yè)越來越重視安全生產(chǎn)和海洋環(huán)境保護(hù)問題，對(duì)海底管線的安全保障，提出了更高的要求，急需海底管線缺陷檢測(cè)系列化裝備。

1 各國(guó)海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)及研究現(xiàn)狀

由于海底管線發(fā)生泄漏時(shí)，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的海洋污染，世界各海洋石油生產(chǎn)國(guó)對(duì)海底管線的在線檢測(cè)十分重視[1]。各國(guó)研究部門和開發(fā)部門對(duì)管線的檢測(cè)，特別是海底管線的在線檢測(cè)系統(tǒng)特別關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究工作。

1.1 漏磁檢測(cè)技術(shù)

利用漏磁原理檢測(cè)管道腐蝕缺陷[2]，是目前常用的檢測(cè)方法之一，適用于薄壁和中壁厚管道。置于鐵磁性鋼材料管道壁表面的磁極，在管道壁內(nèi)產(chǎn)生沿管道軸向的磁化場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，管道壁處于飽和磁化狀態(tài)，如無缺陷存在，則磁場(chǎng)集中于管壁內(nèi)，放在管道內(nèi)表面的磁傳感器，不會(huì)檢測(cè)到磁場(chǎng)信號(hào)；如果管道壁內(nèi)存在缺陷，則由其造成的管道壁局部變薄，將使得原本集中分布在管道壁內(nèi)的磁場(chǎng)，有一部分泄漏出管道壁的內(nèi)外表面，泄漏磁場(chǎng)被傳感器檢測(cè)到，從而獲知缺陷的存在。

在（海底）油氣輸送管道腐蝕缺陷檢測(cè)中，通常使用管道內(nèi)檢測(cè)器。內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)傳輸?shù)母邏河蜌猱a(chǎn)品，在檢測(cè)器前、后形成的壓差的推動(dòng)下前進(jìn)，在前進(jìn)的同時(shí)，完成檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和記錄工作。在檢測(cè)結(jié)束后，檢測(cè)器從管道中取出，并將檢測(cè)器電子包內(nèi)存儲(chǔ)的完整檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，作進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

目前新開發(fā)的磁化裝置，比常規(guī)磁鐵的磁化能力提高近1倍，新型高效的霍爾傳感器，也因尺寸小和檢測(cè)靈敏度高，使周向分布的傳感器數(shù)量增加，從而提高了缺陷檢測(cè)的分辨率，并可分辨出缺陷位于管壁內(nèi)側(cè)還是外側(cè)。

管道內(nèi)智能檢測(cè)器發(fā)展至今，歷經(jīng)了三代[4]：第一代為普通型檢測(cè)器，第二代為高精度檢測(cè)器，第三代為超高精度檢測(cè)器。

第一臺(tái)商業(yè)管道在線檢測(cè)設(shè)備Linalog，由Tuboscope公司于1965年研制成功，當(dāng)時(shí)只用于檢測(cè)管道的底部。

1966年Tuboscope又研發(fā)出可檢測(cè)管道整個(gè)圓周的漏磁檢測(cè)器，之后，其他廠商也相繼研發(fā)出類似的管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器。最初的管道漏磁檢測(cè)器被稱為低分辨率（Low Resolution）的檢測(cè)器，因?yàn)槭褂玫拇盘筋^數(shù)目較少，因而描述缺陷特征的能力不足。

鑒于第一代檢測(cè)器的如上缺點(diǎn)，British Gas于1978年研制出最初的具有較多磁傳感器和較高缺陷描述能力的高分辨率（High Resolution）漏磁檢測(cè)器。此后其他廠商也隨之效仿，使得高分辨率已經(jīng)成為現(xiàn)代化高性能管道缺陷內(nèi)檢測(cè)器的標(biāo)志性參數(shù)之一。

GE PII的MagneScan檢測(cè)器的第一代產(chǎn)品于1975年誕生，用于檢測(cè)152.4～1422.4mm（6～56 inch）的管道，據(jù)稱目前MagneScan已成為使用最為廣泛的管道內(nèi)檢測(cè)器之一。

BJ的VECTRA檢測(cè)器誕生于1996年，該檢測(cè)器安裝了具有主動(dòng)速度控制（Active Speed Control）功能的泄流單元。

ROSEN的高清晰度漏磁檢測(cè)器產(chǎn)品，稱為CDP（Corrosion Detection Pig），CDP檢測(cè)器的突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，例如在口徑較大的情況下，只有一個(gè)檢測(cè)器節(jié)，因而便于發(fā)射和接收，CDP檢測(cè)器同樣具有主動(dòng)速度控制功能。

1.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

利用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)輸油管道進(jìn)行在線檢測(cè)[1]。近年來，超聲管道智能檢測(cè)器在油氣輸油管道得到了應(yīng)用。目前PII公司開發(fā)了專用于輸油管道檢測(cè)的超聲裂縫檢測(cè)器；英國(guó)SONOMATIC公司、PHOENIX公司、美國(guó)Oil Country Inspection Inc以及德國(guó)NDT公司等，都開發(fā)了用于輸油管道檢測(cè)的相應(yīng)超聲類產(chǎn)品；我國(guó)勝利石油管理局于2006年研制了Φ325mm超聲檢測(cè)器。

1.3 射線檢測(cè)技術(shù)

利用X射線、γ射線或中子射線進(jìn)行管道的缺陷檢測(cè)[1]，是目前管道無損檢測(cè)方法之一。目前，美國(guó)OIS公司的管道爬行X射線探傷機(jī)；英國(guó)JME公司以及意大利的管道射線爬行探傷機(jī)等，都達(dá)到較高的檢測(cè)水平。

1.4 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)

通過設(shè)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的檢測(cè)線圈，檢測(cè)出由于管道缺陷引起的感應(yīng)電壓與激勵(lì)電壓相位差變化[1]。是一種新型檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于輸油管道在線檢測(cè)具有潛在優(yōu)勢(shì)，目前美國(guó)和加拿大有關(guān)公司正在研究，只有單通道和8通道的檢測(cè)儀。

1.5 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

通過分析檢測(cè)中聲發(fā)射信號(hào)的各種參數(shù)，獲得管道裂縫大小和位置等信息[1]。目前美國(guó)、日本、意大利等國(guó)家應(yīng)用較多。我國(guó)平湖油氣田海底管線檢漏中，承包商應(yīng)用了聲發(fā)射技術(shù)確定了管線泄漏的位置。聲波儀器采用經(jīng)過處理的水驅(qū)動(dòng)，聲波球由自身攜帶的電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（麥克風(fēng)）、儲(chǔ)存系統(tǒng)、自動(dòng)計(jì)程儀組成。聲波儀器最前端安裝一個(gè)能接受聲波的麥克風(fēng)，儀器后部安裝3部計(jì)量運(yùn)行距離的計(jì)程器，儀器中部為數(shù)據(jù)記錄裝置，其將聲波信號(hào)和里程數(shù)據(jù)記錄在磁盤上，聲波儀器在管道中運(yùn)行時(shí)，只記錄前方的噪音，當(dāng)聲波儀器通過泄漏點(diǎn)以后，聲波信號(hào)迅速恢復(fù)正常。將記錄的信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，可與周圍其他聲波源信號(hào)區(qū)分開來，如閥門、彎頭等，然后分析噪音的曲線形態(tài)，給出一個(gè)波型圖，最終確定泄漏點(diǎn)的位置。

1.6 電子內(nèi)窺和視頻檢測(cè)技術(shù)

通過攝像頭觀察管道內(nèi)壁狀況，判斷管道缺陷情況[1]。這是目前檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向之一，法國(guó)HYTEC流體技術(shù)集團(tuán)，開發(fā)了帶軸向自推進(jìn)攝像機(jī)的電視監(jiān)視系統(tǒng)，可對(duì)管道內(nèi)壁和管道中的流體進(jìn)行檢測(cè)。

另外，管道檢測(cè)方法還有流量差法、壓力分布法、壓力波法、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）法等。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，國(guó)外已開發(fā)完成了多種管道缺陷內(nèi)檢測(cè)器[3]。

2 國(guó)內(nèi)對(duì)腐蝕缺陷檢測(cè)技術(shù)的掌握

目前，國(guó)內(nèi)也掌握了長(zhǎng)輸油氣管道的腐蝕缺陷檢測(cè)技術(shù)[4～5]。

1993年中國(guó)石油天然氣管道局技術(shù)公司，從美國(guó)引進(jìn)了Φ273mm和Φ529mm兩套管道漏磁檢測(cè)器；

1997年又從美國(guó)的Tuboscope Vetco公司引進(jìn)了Φ720mm管道漏磁檢測(cè)器。這些早期的漏磁檢測(cè)器分辨率低，且只能檢測(cè)輸油管道。

1999年，中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司研制成功Φ377mm油氣管道腐蝕缺陷中清晰度漏磁檢測(cè)器。

1999年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)和新疆三葉管道技術(shù)有限責(zé)任公司，在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，研制完成了油氣管道腐蝕缺陷中清晰度漏磁檢測(cè)器。

2002年，天津大學(xué)和深圳巨濤機(jī)械設(shè)備公司，研制了油氣管道腐蝕缺陷中清晰度漏磁檢測(cè)器樣機(jī)。

2002年，中國(guó)石油天然氣管道局管道技術(shù)公司與英國(guó)ADVANTICA公司以及清華大學(xué)合作，于2005年研制了Φ1016mm油氣管道腐蝕缺陷內(nèi)檢測(cè)器。

2008年，中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司和清華大學(xué)，獲得了國(guó)家科技支撐計(jì)劃支持，開始研制天然氣長(zhǎng)輸管道裂紋檢測(cè)器。

以上均為陸地管道檢測(cè)器。

2001年，勝利石油管理局在國(guó)家“863計(jì)劃”資助下，開展了“海底管線內(nèi)爬行器及其檢測(cè)技術(shù)”的研究工作，研發(fā)了一套Φ325mm海底管線檢測(cè)系統(tǒng)工程樣機(jī)及其標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)[6]，并于2007和2010年進(jìn)行了海底管線的檢測(cè)，初步形成了Φ325mm海底管線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工程應(yīng)用能力。

3 國(guó)內(nèi)外管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，主要傾向于漏磁和超聲檢測(cè)。其中管道漏磁檢測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)：

3.1 三軸（Tri-axis）傳感器技術(shù)

采集和處理由管道缺陷引起的磁傳感器位置的漏磁場(chǎng)矢量沿管道軸向、徑向和周向的3個(gè)分量，提高缺陷描述能力，提高軸向槽檢測(cè)和識(shí)別能力。

3.2 “高通過性”管道檢測(cè)技術(shù)

目前，世界上大約有1/3的管道屬于“難以檢測(cè)”的管道。難以檢測(cè)的原因，主要是這些管道最初設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮使用管道內(nèi)檢測(cè)器的需求，具體表現(xiàn)在管道施工不規(guī)范、轉(zhuǎn)彎半徑較小等方面。對(duì)于這些管道，以往只能采用定量檢測(cè)能力差的直接評(píng)定和液壓試驗(yàn)方法，迫切需要提高檢測(cè)器在海底管道內(nèi)的通過能力，滿足“難以檢測(cè)”管道的檢測(cè)需求。

4 國(guó)內(nèi)存在的主要技術(shù)問題

（1）國(guó)內(nèi)海底管道缺陷內(nèi)檢測(cè)器，未形成工程系列化產(chǎn)品，無法覆蓋主要規(guī)格的海底管線；

（2）缺陷檢測(cè)裝置在實(shí)際海底管線內(nèi)，環(huán)境適應(yīng)能力差和越障能力低；

（3）缺陷信號(hào)分辨率有待于提高；

（4）數(shù)據(jù)采集及其傳輸速率偏低；

（5）海底管線檢測(cè)、投放和回收工藝流程，未形成標(biāo)準(zhǔn)化操作，海上操作難度大，相關(guān)配套設(shè)施不完備和應(yīng)急預(yù)案不完善。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過數(shù)十年的研究，國(guó)外已開發(fā)完成了多種管道缺陷內(nèi)檢測(cè)器；國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本掌握了油氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)。但在海底管線內(nèi)檢測(cè)方面，尚未形成實(shí)際工程化應(yīng)用能力。因此，急需開展海底管線缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與裝備工程化研究，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海底管線內(nèi)系列化工程檢測(cè)設(shè)備。

中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局，正在開展Φ457mm、Φ273mm和Φ219mm這3種管道漏磁檢測(cè)器的研發(fā)工作，并得到了國(guó)家“863計(jì)劃”的支持。

通過對(duì)海底管內(nèi)缺陷檢測(cè)技術(shù)研究，將形成系列化先進(jìn)的海底管線檢測(cè)裝備，能有效地采集到管道的有害缺陷的信息，并運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)判，可為管道的評(píng)估、判廢、改造及安全平穩(wěn)運(yùn)行，提供科學(xué)的決策依據(jù)，保證海洋油氣開發(fā)安全，具有良好的推廣前景。

[1]劉福順，湯 明.無損檢測(cè)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]武萬輝，郭 勇，王同德，等.管道漏磁檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2009，（2）：33-34.

[3]黃 輝，何仁洋，熊昌勝，等.漏磁檢測(cè)技術(shù)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用及影響因素分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2010（3）：17-19.

[4]范智勇，鄭超雄.漏磁技術(shù)應(yīng)用于無縫換熱器管在役檢測(cè)的研究[J].無損探傷，2006，30（1）37-38.

[5]馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（10）：72-75.

[6]孫永泰.油氣輸送管線檢測(cè)準(zhǔn)確度影響因素分析[J].石油機(jī)械，2010，38（2）：70-73.

Technology State and Development Trend Research of Defects Internal Inspection Technique for Submarine Pipeline

ZHANG Shi-hua1,CHU Xin-jie1,2,SUN Yong-tai1,SHI Yong-jin1
(1.Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Administrative Bureau,Dongying Shandong 257017,China；2.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China)

The background knowledge and basic theory of defects internal inspection technique for submarine pipeline is briefly presented and then the achievements made in the study of defects internal inspection technique in resentyears are reviewed.Magnetic flux leakage inspection technique and supersonic inspection technique are emphatically presented.The development trend and the existing main problems in our country in the study are summarized.The necessity and the application prospect of developing serial defects internal inspection equipment are analyzed.

submarine pipeline;defects;internal inspection;magnetic flux leakage inspection;high accuracy

TE973.6

A

1672-545X（2011）09-0142-03

2011-06-12

國(guó)家“863”資助項(xiàng)目——海底管線檢測(cè)與水下結(jié)構(gòu)物修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)（2011AA0903）

張士華（1965—），男，山東沾化人，教授級(jí)高工，勝利油田高級(jí)專家，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)與裝備的研發(fā)與設(shè)計(jì)。