MsS導(dǎo)波技術(shù)在海洋鉆井平臺輸油管道檢測中的應(yīng)用

胡冀軒，劉文斌，趙洪波，黃長輝，劉偉成，趙培征

(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院，南昌 330029;2.北京康坦科技有限公司，北京 100123）

0 引言

海洋石油鉆井平臺工藝管道，由于工況惡劣，容易產(chǎn)生腐蝕類缺陷，特別是輸油管道，內(nèi)部介質(zhì)為原油，但含有海水、CO2、H2S、O2、泥沙等雜質(zhì)，容易造成無硫(CO2)腐蝕、酸(H2S)腐蝕及沖蝕等。一旦產(chǎn)生腐蝕穿孔類缺陷，就會造成災(zāi)難性的后果。目前，在用管道通常采用超聲測厚等方法檢測管道腐蝕狀況，此方法檢測效率低下，需拆除保溫層，對管道不可達部位(例如底層甲板下方的帶套管的入海輸油管道)無法檢測，且容易產(chǎn)生漏檢、誤判，檢測可靠性低。隨著海洋鉆井平臺設(shè)施油氣泄漏事故頻發(fā)，迫切需要能對管道進行快速有效檢測并能對其整體狀況進行正確評估的檢測技術(shù)。

MsS低頻導(dǎo)波技術(shù)能滿足這種要求，其工作基本原理是基于電磁材料的磁致伸縮效應(yīng)(焦耳效應(yīng))產(chǎn)生導(dǎo)波，基于鐵磁材料的逆向磁致伸縮效應(yīng)(維拉爾效應(yīng))接收回波，可實現(xiàn)對較長管道的遠距離快速檢測，并判定管道整體狀況;該檢測方法僅需局部拆除保溫層(布探頭處)，對管道不可達部位(入海管道)能有效檢測，并能在高溫下實現(xiàn)對管道的長期在線監(jiān)測［1-2］。文獻［3-5］闡述了MsS導(dǎo)波采用軸對稱扭轉(zhuǎn)波模態(tài)T(0，1)作為導(dǎo)波的激勵模態(tài)，其相速度、群速度不隨頻率和管道參數(shù)變化而變化;其扭轉(zhuǎn)波只能在固體中傳播，管道內(nèi)傳輸?shù)囊后w對其傳播特性沒有影響。目前，用于MsS扭轉(zhuǎn)波模式管道檢測的標(biāo)準(zhǔn)檢測頻率有:32、64、128 kHz。一般來說，隨導(dǎo)波頻率的增加，檢測能力也將隨之變化。其規(guī)律如下:檢測頻率越高，則檢測范圍越短，對小缺陷敏感度越高，空間分辨率越高，盲區(qū)越短。檢測頻率的選擇是基于具備上述檢測能力綜合考慮的［6-7］。

1 試驗樣管驗證

根據(jù)海洋鉆井平臺需檢測的輸油管道特征［8-10］，本試驗選擇規(guī)格、材質(zhì)與之相近的試驗樣管，并在樣管上加工3組人工缺陷，驗證MsS低頻導(dǎo)波的實際檢測效果。

1.1 樣管制作

試驗樣管規(guī)格φ219 mm×6 mm，材料為20#鋼;樣管上制作了3個人工缺陷，樣管規(guī)格和缺陷位置見圖1。其中，D1為φ5 mm、深3 mm的盲孔(約占樣管截面積的0.7%);D2為周向切槽:21 mm ×3 mm ×2.5 mm，約占樣管截面積的3%;D3為φ5 mm，深4 mm的盲孔(約占橫截面積的1.0%)。人工缺陷和焊疤示意圖見圖2。

圖1 樣管示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipe sample

圖2 人工缺陷示意圖Fig.2 Sketch map of artificial defect

1.2 檢測情況分析

選擇適合位置安裝探頭，并把探頭固定在管道上，分別用64、128 kHz頻率各采集一組數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如圖3所示。圖中，因為探頭在激發(fā)聲波時，會從2個方向傳播聲波，當(dāng)1個方向一定距離處有1個回波時，因為軟件計算的問題，會在正、反2個方向上同時顯示回波，正方向大寫，反方向小寫)、Y－不完善的方向控制產(chǎn)生的多重反射信號(正方向大寫，反方向小寫)、EP－管道的終端反射波。

D1為缺陷1的反射波，缺陷1約占樣管橫截面積的0.7%;D2為缺陷2的反射波，缺陷2約占樣管橫截面積的3%;D3為缺陷3的反射波，缺陷3約占樣管橫截面積的1%;D4(此缺陷不是人為設(shè)計的，而是在驗證上述3個缺陷時意外檢測出的)為管道上焊疤反射波。D1－D4缺陷距探頭距離與對應(yīng)人工缺陷在管道上的實際位置接近，最大軸向定位誤差為20 mm。具體見表1。

圖3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果Fig.3 Results of data analysis

表1 缺陷的描述Table 1 Defect description

通過試驗驗證，MsS超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)對樣管上4個人工缺陷的檢出率達到100%，同時也檢測出焊疤。

2 海洋平臺輸油管道在線檢測

2.1 輸油管道概述

MsS導(dǎo)波所檢管道為海洋平臺底層甲板下方的帶套管的入海輸油管道，需檢測管線全長約60 m，管線表面為油漆涂層防腐，外面有保溫層，目視檢查保溫層外觀完好。圖4為管線單線示意圖，管線共有5處彎頭，2處法蘭，10處焊縫，9處管道固定點，為卡箍固定和縱向支撐焊接2種形式。在管道下部一定位置有套管，規(guī)格為φ273 mm，作用為保溫、防止內(nèi)管進入海水后被海水腐蝕。套管端部與內(nèi)管是焊接連接，形成一個垂直管道的環(huán)狀密封面，避免雨水進入。根據(jù)管道的特征結(jié)構(gòu)，分兩段進行檢測。第一段為2處法蘭之間的管道，長約14 m，探頭(測點編號為WZ12－1A－1)布在離法蘭2(F2－Flange)0.89 m處;第二段為法蘭1(F1－Flange)至海平面以下約10 m處，長約46 m，探頭(測點編號為WZ12－1A－4)布在離第4個管卡(C4－Clamp)0.77 m處。

圖4 輸油管道單線圖Fig.4 Single-line diagram of the pipeline

2.2 現(xiàn)場在線檢測

采用美國西南研究院的MsSR3030型導(dǎo)波檢測儀進行檢測，介質(zhì)流向為導(dǎo)波傳播正方向，檢測程序如下:

1)選擇適合位置安裝探頭，并清理管道外表面附著物(圖5);

2)根據(jù)管徑周長剪切相應(yīng)長度的鐵鈷條帶，條帶接口空開3～5 mm的間距，磁化鐵鈷條帶;

3)使用環(huán)氧膠將薄的鐵鈷條帶沿管道環(huán)向粘貼在管道表面，并沿同一方向磁化鐵鈷條;

4)將帶狀線圈探頭壓在鐵鈷條帶上，分別連接32、64、128 kHz頻率的線圈適配器;

5)連接數(shù)據(jù)線和電纜線，打開儀器，進行數(shù)據(jù)的采集和保存。

2.3 檢測數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

圖5 MsS長距離導(dǎo)波現(xiàn)場檢測Fig.5 Site of MsS long distance guided wave detection

1)圖6為測點WZ12－1A－1數(shù)據(jù)分析結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場的噪聲水平，設(shè)置2%的門檻值?？梢园l(fā)現(xiàn)有3處缺陷回波(D1、D2、D3，紅色字體標(biāo)注)，從回波高度判定，截面損失率小于4%，為輕度腐蝕。超聲測厚對上述3處缺陷部位復(fù)檢，實測壁厚為9～10 mm，管道公稱壁厚為12.7 mm。

WZ12－1A－1檢測點見圖4管道單線圖，介質(zhì)流向為導(dǎo)波傳播正方向，探頭安裝在離法蘭處0.89 m位置為截至終端正方向，負方向穿過3個大的彎頭。導(dǎo)波圖譜中顯示噪聲水平偏高，原因為導(dǎo)波負向穿過3個彎頭。

圖6 數(shù)據(jù)分析結(jié)果(WZ12－1A－1)Fig.6 Results of data analysis(WZ12－1A －1)

2)圖7為測點WZ12－1A－4數(shù)據(jù)分析結(jié)果。發(fā)現(xiàn)4處缺陷回波(D1、D2、D3，D4紅色字體標(biāo)注)，從回波高度判定，截面損失率小于3%，為輕度腐蝕。D2、D3，D4點經(jīng)超聲檢測復(fù)核，實測壁厚為10～11 mm，減薄2 mm。D1點位于套管內(nèi)，且在海平面以下約10 m處，無法采用常規(guī)方法復(fù)核，應(yīng)為監(jiān)測重點部位。

WZ12－1A－4檢測點見圖4管道單線圖，正向穿過2個彎頭后20 m的位置為法蘭截止終端，負向1.5 m處為內(nèi)管與套管連接處。

圖7 數(shù)據(jù)分析結(jié)果(WZ12－1A－4)Fig.7 Results of data analysis(WZ12－1A －4)

圖7中，由于套管原因，造成內(nèi)管中導(dǎo)波負向波幅較低。這是因為套管與內(nèi)管是焊接連接，且連接處是垂直管道的環(huán)形平面，一定程度上阻斷了導(dǎo)波在套管中的傳播，所以導(dǎo)波主要在內(nèi)管中傳播;但由于套管存在，使得內(nèi)管中傳播的導(dǎo)波波幅有所下降。

3 結(jié)論

通過對試驗樣管人工缺陷的檢測驗證和輸油管道在線檢測的2個具體應(yīng)用案例，可以得出:

1)試驗樣管的缺陷是人為設(shè)計的，檢測條件較為理想，檢測結(jié)果與實際缺陷情況吻合。

2)管道的表面狀況(包括是否有焊接在管道上的套管)對檢測結(jié)果有比較明顯的影響。

3)MsS超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)對架空理想管道一次檢測有效長度可達100 m，但由于海上平臺空間限制，管道布置復(fù)雜，彎頭、三通、法蘭等管件較多，管道表面狀況不好，聲波衰減嚴(yán)重，所以實際檢測時，檢測長度不宜過長，一般檢測范圍不超過50 m，且檢測區(qū)域內(nèi)不宜有2個以上彎頭、大小頭，最好以三通及法蘭為檢測端點。

4)基于磁致伸縮效應(yīng)的MsS低頻導(dǎo)波技術(shù)是解決海洋平臺工藝管道在線檢測技術(shù)難題的一種有效手段，它可快速提供管道的整體狀況，提高了檢測效率，特別是對于不可達的底層甲板下方帶套管的入海管道的檢測，具有其他檢測方法不可替代的作用，為今后同類型管道的在線檢測提供參考。

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