低頻導(dǎo)波在場(chǎng)站管道檢測(cè)中的應(yīng)用研究

宋日生，喻建勝，何 莎，王文韜，彭星煜

（1.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引 言

定期檢驗(yàn)作為保障壓力管道和其他特種設(shè)備的重要手段，已得到普遍認(rèn)可和重視。而場(chǎng)站內(nèi)部管道作為管道輸送系統(tǒng)的重要組成部分，因敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，缺乏有效檢測(cè)手段，一直處于檢測(cè)盲區(qū)。由于服役期延長(zhǎng)、介質(zhì)腐蝕以及老化，場(chǎng)站內(nèi)管道安全問(wèn)題日益突出。低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)距離長(zhǎng)、可對(duì)被檢管線實(shí)施100%的全面檢測(cè)等區(qū)別于其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)，特別適合于服役環(huán)境不可接觸且不能實(shí)施內(nèi)檢測(cè)的管道檢測(cè)[1]。本文利用WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)中國(guó)石油西南油氣田公司的某場(chǎng)站φ159架空輸氣管道和φ159埋地輸氣管道分別進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)缺陷信號(hào)特征、檢測(cè)靈敏度、缺陷定位準(zhǔn)確度、檢測(cè)距離和檢測(cè)缺陷類型等性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 技術(shù)原理

低頻導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)是一種新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，采用低頻導(dǎo)波原理[2]，通過(guò)使用均勻間隔排列的環(huán)狀超聲波探頭，環(huán)繞套夾于管道上，由超聲導(dǎo)波主機(jī)激發(fā)不同模式的低頻超聲信號(hào)（包括縱波、橫波、扭轉(zhuǎn)波等），沿管道環(huán)向的超聲波探頭均勻地間隔排列，使得聲波以管道軸芯對(duì)稱傳播。在遇到管道壁厚發(fā)生變化的位置，無(wú)論壁厚增加或減少，一定比例能量被反射回探頭，直到能量消耗完畢。通過(guò)測(cè)試分析反射回來(lái)的聲波，實(shí)現(xiàn)管壁缺陷的檢測(cè)，判斷管道的腐蝕程度和位置，同時(shí)能夠顯示環(huán)焊縫、支架、彎頭等其他管道特征。

由于探頭均勻間隔排列，使得軸向超聲波以管道軸芯對(duì)稱傳播，環(huán)向超聲波沿著管道傳播，整個(gè)管壁被超聲波運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管體的100%檢測(cè)。低頻超聲導(dǎo)波的頻率范圍為20~100kHz，由于導(dǎo)波的頻率低，因此衰減慢，傳播距離長(zhǎng)，檢測(cè)效率更高[3]。目前世界上美國(guó)西南研究院、英國(guó)焊接研究所和英國(guó)GUL公司3家機(jī)構(gòu)均研制出了導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備，美國(guó)西南研究院研制的設(shè)備基于磁致伸縮導(dǎo)波原理，而英國(guó)焊接研究所、英國(guó)GUL公司研制的設(shè)備基于低頻超聲導(dǎo)波原理。

圖1 英國(guó)GUL公司的Wavemaker G3超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)

低頻導(dǎo)波由主機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和超聲波探頭組成，如圖1所示。超聲導(dǎo)波主機(jī)可發(fā)射和接收所有檢測(cè)信號(hào)，操作電源由內(nèi)部充電電池提供，并通過(guò)USB接口導(dǎo)線與手提電腦相連。設(shè)備的調(diào)試、信號(hào)的處理和測(cè)試報(bào)告均由WavePro G3軟件系統(tǒng)完成。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)結(jié)果

為驗(yàn)證低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷信號(hào)特征、檢測(cè)靈敏度、缺陷定位準(zhǔn)確度、檢測(cè)距離和檢測(cè)缺陷類型等性能指標(biāo)，利用WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)中國(guó)石油西南油氣田公司的某場(chǎng)站φ159架空輸氣管道（如圖2所示）和φ159埋地輸氣管道（如圖3所示）分別進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，導(dǎo)波檢測(cè)波形圖譜見(jiàn)圖4，檢出的管道結(jié)構(gòu)特征和腐蝕部位見(jiàn)表1和表2。

由該場(chǎng)站φ159架空輸氣管道和φ159埋地輸氣管道檢測(cè)結(jié)果知：

圖2 φ159架空輸氣管道檢測(cè)試驗(yàn)

圖3 φ159埋地輸氣管道檢測(cè)試驗(yàn)

（1）管線的環(huán)向焊縫和法蘭等結(jié)構(gòu)特征信號(hào)多為對(duì)稱信號(hào)，在導(dǎo)波圖譜中由黑色線顯示，管線腐蝕或缺陷等信號(hào)為非對(duì)稱信號(hào)，在導(dǎo)波圖譜中由紅色線顯示。Wave Marker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)具備準(zhǔn)確識(shí)別判斷管線的缺陷特征信號(hào)與結(jié)構(gòu)特征信號(hào)的功能[4]。

圖4 管道信號(hào)分析圖

表1 φ159架空輸氣管道檢測(cè)特征信號(hào)列表

表2 φ159埋地輸氣管道檢測(cè)特征信號(hào)列表

（2）研究表明WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)在理想狀態(tài)下，檢測(cè)的靈敏度門檻值為橫截面積（CSC或ECL）的9%，最高可達(dá)3%，能夠區(qū)分管道腐蝕和管道特征[5]（焊縫、支撐、彎頭等），本次檢測(cè)試驗(yàn)的最高靈敏度為4%CSC。

（3）缺陷定位包括縱向和環(huán)向定位。WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的縱向定位與檢測(cè)距離有關(guān)，50 m以下時(shí)的縱向定位準(zhǔn)確度為±20 mm左右，上百米時(shí)的縱向定位準(zhǔn)確度為±50mm。環(huán)向定位準(zhǔn)確度相對(duì)來(lái)說(shuō)不高，目前的設(shè)備通?？梢园讶毕葜芟蛭恢枚ㄎ辉?個(gè)相限，最高可以定位在8~16相限。由于定位需要把導(dǎo)波聚焦在某個(gè)相限以定位缺陷，8個(gè)相限就需要進(jìn)行8次聚焦，所以缺陷環(huán)向準(zhǔn)確定位需要更長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間[6]。

（4）從檢測(cè)試驗(yàn)來(lái)看，檢測(cè)長(zhǎng)度與管道的衰減特性、幾何形狀、內(nèi)外部條件、表面狀態(tài)等有關(guān)[7]。在架空、無(wú)防腐層的管道上具有比較理想的一次檢測(cè)距離，可以達(dá)到100m以上，如果沒(méi)有彎頭應(yīng)該還會(huì)檢測(cè)更長(zhǎng)。但在有防腐層、彎頭、支管等復(fù)雜條件下的檢測(cè)距離還不夠理想，單邊檢測(cè)距離一般在5~20m之間。

（5）由低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)的原理可知，它主要用來(lái)檢測(cè)有壁厚發(fā)生變化的缺陷（如腐蝕等），也可顯示出焊縫、彎頭、支撐等管道特征。對(duì)于檢測(cè)到的其他“異常”缺陷[8]，要準(zhǔn)確判斷缺陷的類型就需要找到缺陷的位置并用其他檢測(cè)手段進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

2.2 檢測(cè)缺陷驗(yàn)證

（1）對(duì)該場(chǎng)站φ159架空輸氣管道檢出的1處腐蝕區(qū)段利用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)定低頻導(dǎo)波探頭負(fù)向0.81 m（-F2）環(huán)帶以及-F2±50 mm環(huán)帶的管道壁厚，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，從表中可見(jiàn)在-F2腐蝕區(qū)段內(nèi)，軸向4點(diǎn)鐘方向壁厚的最大差值為0.88mm，管道環(huán)向2~5點(diǎn)鐘方向壁厚最大差值為0.55mm。

（2）對(duì)該場(chǎng)站φ159埋地輸氣管道檢出的其中1處腐蝕區(qū)段進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，剝?nèi)ス艿婪栏瘜雍?，利用超聲波測(cè)厚儀測(cè)定低頻導(dǎo)波探頭正向2.46 m（+F7）環(huán)帶以及+F7±50mm環(huán)帶的管道壁厚，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，從表中可見(jiàn)在+F7腐蝕區(qū)段內(nèi)，軸向1點(diǎn)鐘方向壁厚的最大差值為1.07mm，管道環(huán)向9~2點(diǎn)鐘方向壁厚最大差值為1.02mm。

由以上2個(gè)腐蝕區(qū)段驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，WaveMarker G3超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道壁厚變化的異常微小缺陷的準(zhǔn)確定位。

表3 φ159架空輸氣管道-F2處缺陷位置測(cè)厚結(jié)果

表4 φ159埋地輸氣管道+F7處缺陷位置測(cè)厚結(jié)果

3 WaveMarker G3超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

從檢測(cè)試驗(yàn)可以看出，低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，其優(yōu)點(diǎn)主要包括：

（1）填補(bǔ)了以往檢測(cè)的盲區(qū)，對(duì)于以往無(wú)法實(shí)施檢測(cè)或檢測(cè)成本昂貴的地段，超聲導(dǎo)波提供了一種新的有效檢測(cè)的手段，例如套管、穿跨越、埋地或高架管道，以及不能進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)的、帶有保溫防腐層的管網(wǎng)腐蝕檢測(cè)等；

（2）可以對(duì)管壁進(jìn)行一次性100%的檢測(cè)，且檢測(cè)距離長(zhǎng)，理想條件下可達(dá)數(shù)十米或更長(zhǎng)；

（3）縱向定位準(zhǔn)確度高，利于快速查找和定位缺陷，且對(duì)內(nèi)、外壁缺陷具有相同的靈敏度；

（4）檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單，只清理管壁上安放探頭環(huán)的位置就可完成檢測(cè)，而不用把管道全部挖開(kāi)和清除大面積防腐層，管壁表面也無(wú)須耦合劑。

其缺點(diǎn)主要有：

（1）一次檢測(cè)的距離受管道壁厚變化、管段上的分支、焊接彎頭、支撐、法蘭、外涂層、水泥套管、土壤狀況、管內(nèi)結(jié)垢、管內(nèi)介質(zhì)等多種因素的影響，在這些條件下的檢測(cè)距離不夠理想，一般單邊檢測(cè)距離在5~20m之間；

（2）無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行直接定量，需采用其他手段做進(jìn)一步檢測(cè)，但能給出缺陷的相對(duì)嚴(yán)重程度；

（3）對(duì)于那些缺陷很深、軸向還有一定長(zhǎng)度、但環(huán)向很窄的缺陷，目前的導(dǎo)波技術(shù)有可能檢測(cè)不到；

（4）無(wú)法區(qū)分缺陷是在管道內(nèi)壁還是外壁；

（5）缺陷都被報(bào)告為“異常”，要準(zhǔn)確判斷缺陷的類型就需要用其他檢測(cè)手段進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)；

（6）彎頭、三通、支撐、焊縫等管道特征都影響到超聲波信號(hào)，并有可能影響到檢出靈敏度和分辨力。

因此，導(dǎo)波檢測(cè)主要是提供一種快速的掃描方法[9]，用于快速檢測(cè)和定位腐蝕及其他缺陷，并判定缺陷的嚴(yán)重程度，以便采用其他檢測(cè)方法，例如B或C掃描，直接對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行更準(zhǔn)確的檢測(cè)。對(duì)于無(wú)法進(jìn)一步檢測(cè)的地方，導(dǎo)波檢測(cè)則可以作為一種監(jiān)控工具，監(jiān)測(cè)缺陷的發(fā)展?fàn)顩r。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)油氣儲(chǔ)運(yùn)工業(yè)的不斷發(fā)展和油氣海上開(kāi)采領(lǐng)域的不斷拓展，埋地管道、穿跨越管道以及海洋平臺(tái)上的架空和水下管道的服役安全問(wèn)題日益凸出。Wave Marker G3低頻導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢(shì)，將為各大油氣田的場(chǎng)站管道、集輸管道以及長(zhǎng)輸管道的缺陷檢測(cè)提供技術(shù)支持。但是，目前低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬起步階段，應(yīng)用不多，從導(dǎo)波激勵(lì)方式、檢測(cè)設(shè)備以及信號(hào)分析技術(shù)都需要繼續(xù)重點(diǎn)研究。

[1]王玉江.超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)在油田管道檢測(cè)中的應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2010，27（4）：57-61.

[2]張伯瑩.壓力管道低頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[3]方珍.低頻導(dǎo)波與遠(yuǎn)場(chǎng)渦流組合檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2010，47（4）：61-63.

[4]蔡國(guó)寧，章炳華，嚴(yán)錫明.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道腐蝕的波形特征與識(shí)別[J].無(wú)損檢測(cè)，2007，29（7）：372-375.

[5]付堅(jiān).基于超聲導(dǎo)波和二代小波的管道缺陷檢測(cè)[J].化學(xué)工程與裝備，2011（6）：23-25.

[6]鄭璟瑜.管道超聲導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化及缺陷檢測(cè)與定位[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2004.

[7]他得安，劉振清.傳播距離對(duì)管中導(dǎo)波傳播特性的影響[J].無(wú)損檢測(cè)，2003，25（11）：553-556.

[8]趙彩萍.管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)分析及缺陷診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[9]董為榮，帥建.管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2006（6）：21-23.