埋地金屬管道泄漏點(diǎn)金屬磁記憶定位技術(shù)

陳興才，楊 勇，劉 超，柳言國(guó)，劉晶姝

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東東營(yíng)257000)

埋地金屬管道隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)、周圍環(huán)境及人為因素的破壞，極易發(fā)生泄漏事故。雖然現(xiàn)在已有質(zhì)量平衡法、負(fù)壓波法、超聲波法等多種管道泄漏監(jiān)、檢測(cè)技術(shù)［1-3］，但這些技術(shù)泄漏點(diǎn)定位精度不能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。而基于超聲、漏磁技術(shù)的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)雖然泄漏點(diǎn)定位精度較高，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)時(shí)要求條件苛刻且檢測(cè)成本較高，影響管道的正常運(yùn)行。因此，有必要研究一種非接觸式的、不影響管道運(yùn)行的高精度埋地金屬管道泄漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)。

通過(guò)對(duì)以往埋地金屬管道泄漏點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，管道泄漏不僅造成管體的破壞而且會(huì)破壞外防腐層。防腐層檢測(cè)技術(shù)目前已經(jīng)很成熟，管體破壞造成的缺陷檢測(cè)可利用金屬磁記憶技術(shù)。而金屬磁記憶技術(shù)是一種新型的、可檢測(cè)金屬材料應(yīng)力集中區(qū)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［4-5］。

目前國(guó)內(nèi)普遍采用的金屬磁記憶設(shè)備僅用于缺陷檢測(cè)，尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于埋地金屬管道泄漏點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析方法。針對(duì)管道泄漏中的金屬磁記憶數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，而后利用Hilbert變換提取出泄漏點(diǎn)的特征。通過(guò)檢測(cè)分析結(jié)果與開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果的比較可知，管道泄漏點(diǎn)定位精度可達(dá)±1.0 m。并且，該方法檢測(cè)管道泄漏點(diǎn)不必開(kāi)挖即可檢測(cè)，不影響管道的正常運(yùn)行。

1 金屬磁記憶及數(shù)據(jù)處理技術(shù)

由于金屬磁記憶技術(shù)在檢測(cè)時(shí)會(huì)受到環(huán)境噪聲的干擾，因此檢測(cè)所得磁場(chǎng)數(shù)據(jù)利用小波變換進(jìn)行降噪處理［6］。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，sym小波較db小波對(duì)試件及管道磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪更合適。通過(guò)數(shù)字試驗(yàn)，選用sym11小波為母小波進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)降噪處理，為減小計(jì)算工作量，分解層數(shù)選擇4層。

為檢測(cè)兩檢測(cè)點(diǎn)之間磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的突變，將Hilbert變換用于降噪后檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析［7］。一個(gè)時(shí)域信號(hào)x(t)的Hilbert變換可以表示為:

式中t表示時(shí)間，x(t)表示原始信號(hào)，ˉx(t)為原始信號(hào)經(jīng)Hilbert變換所得結(jié)果，τ為時(shí)間積分項(xiàng)。變換后得到x(t)的解析信號(hào)為:

其中，W(t)為原始信號(hào)及其Hilbert變換結(jié)果合成后的解析信號(hào)。

對(duì)于檢測(cè)信號(hào)而言，其振幅 A(t)可以表示為:

振幅A(t)反映了信號(hào)的整體變化趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鑒于泄漏點(diǎn)同時(shí)造成外防腐層、管體缺陷，因此進(jìn)行埋地金屬管道泄漏點(diǎn)定位時(shí)同時(shí)需要外防腐層、磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)。一般而言，同時(shí)具有防腐層破損點(diǎn)、管體磁信號(hào)異常兩因素的部位為泄漏點(diǎn)位置?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)中，外防腐層檢測(cè)采用成熟、可靠的交流電壓梯度技術(shù)，利用該技術(shù)對(duì)外防腐層破損點(diǎn)的定位精度可達(dá)±0.2 m。

金屬磁記憶檢測(cè)則采用俄羅斯動(dòng)力診斷公司TSC系列儀器，該儀器配有動(dòng)力診斷公司開(kāi)發(fā)的新型11-12W型掃描檢測(cè)傳感器，可在非開(kāi)挖狀態(tài)下檢測(cè)地磁場(chǎng)激勵(lì)的埋地金屬管道磁場(chǎng)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)采用該傳感器檢測(cè)地面磁場(chǎng)信號(hào)。11-12W掃描裝置由4個(gè)三分量磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器構(gòu)成，分別編號(hào)為1～4號(hào)傳感器，每個(gè)傳感器可采集3道磁場(chǎng)信號(hào)。檢測(cè)時(shí)所得磁場(chǎng)信號(hào)定義沿管道軸向?yàn)閤分量(即H1，H4，H7，H10)，垂直地面向下定義為y分量(即H2，H5，H8，H11)，其余分量即 H3，H6，H9，H12 定義為z分量(見(jiàn)圖1)。

圖1 埋地金屬管道磁記憶檢測(cè)示意Fig.1 Sketches of magnetic memory detection for buried pipeline

在中國(guó)石油化工股份有限公司管道儲(chǔ)運(yùn)分公司某輸油管道上進(jìn)行了泄漏點(diǎn)定位檢測(cè)試驗(yàn)。該管道發(fā)生泄漏時(shí)，利用負(fù)壓波技術(shù)監(jiān)測(cè)到泄漏信號(hào)，但是負(fù)壓波信號(hào)定位泄漏點(diǎn)誤差為±500 m，無(wú)法準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)位置。為準(zhǔn)確定位泄漏點(diǎn)，首先利用交流電壓梯度技術(shù)檢測(cè)該段管道外防腐層，共檢出防腐層破損點(diǎn)2處，編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)。其中，1號(hào)破損點(diǎn)位置管道埋深為0.74 m，交流電壓梯度檢測(cè)所得電壓梯度為47dB;2號(hào)破損點(diǎn)處管道埋深為0.35 m，交流電壓梯度值為61dB。在2號(hào)防腐層破損點(diǎn)兩側(cè)實(shí)施金屬磁記憶檢測(cè)，共檢測(cè)管道約10 m，所得磁記憶信號(hào)見(jiàn)圖2。由圖2可知，磁記憶信號(hào)y、z分量在7 500～9 000 mm具有劇烈變化，因此判斷該段管道存在應(yīng)力集中區(qū)。

圖2 檢測(cè)所得磁場(chǎng)信號(hào)Fig.2 Magnetic signals of buried pipeline detection

對(duì)其中4道磁場(chǎng)信號(hào)z分量利用sym11小波進(jìn)行降噪處理，并對(duì)降噪后信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，所得結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，四道磁場(chǎng)信號(hào)包絡(luò)曲線均在4 500～6 000 mm存在峰值。由于磁記憶傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)具有“提離效應(yīng)”，因此小范圍內(nèi)的管體腐蝕、盜油閥門在距傳感器0.35 m處產(chǎn)生的磁場(chǎng)異常要遠(yuǎn)大于缺陷尺寸。并且，結(jié)合外防腐層檢測(cè)結(jié)果可知，防腐層破損點(diǎn)該范圍恰在該段范圍內(nèi)，因此判定破損點(diǎn)位置應(yīng)為泄漏或者盜油點(diǎn)位置?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)，在該處管道上存在一打孔點(diǎn)，開(kāi)挖及打孔點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖3 磁場(chǎng)z分量Hilbert變換包絡(luò)圖Fig.3 Envelope of Hp(z)after denoising and Hilbert transform

3 結(jié)論

(1)埋地金屬管道泄漏及盜油點(diǎn)同時(shí)會(huì)造成外防腐層、管體破壞，管體破壞會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，利用金屬磁記憶技術(shù)可有效檢測(cè)應(yīng)力集中區(qū)，因此綜合外防腐層破損點(diǎn)及金屬磁記憶檢測(cè)結(jié)果可有效識(shí)別出管道的泄漏、盜油點(diǎn);

圖4 管道打孔開(kāi)挖驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 On-site validation of buried pipeline drilling

(2)利用Daubechies小波進(jìn)行金屬磁記憶檢測(cè)數(shù)據(jù)降噪，并利用Hilbert變換可以有效提取泄漏導(dǎo)致管體破壞區(qū)域的特征量，準(zhǔn)確定位埋地輸油氣管道泄漏點(diǎn)位置;

(3)某條輸油管道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，利用金屬磁記憶技術(shù)可以準(zhǔn)確定位埋地輸油氣管道泄漏點(diǎn)位置，定位誤差小于±1.0 m。

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