國(guó)外天然氣管道檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及啟示

盧泓方 吳曉南 Tom Iseley John Matthews 彭善碧

1 我國(guó)天然氣管道檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)我國(guó)天然氣管道服役年齡的粗略統(tǒng)計(jì)，服役年齡不足10年的天然氣管道占71%，服役年齡為10～20年的天然氣管道占11%，服役年齡超過(guò)20年的天然氣管道占17%（主要是川渝天然氣管網(wǎng)）[1]。由此可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)10～20年，我國(guó)天然氣管道將進(jìn)入高度老齡化階段，管道事故也會(huì)隨著時(shí)間的推移頻繁發(fā)生。根據(jù)美國(guó)EPA（United States Environmental Protection Agency）編制的《Condition Assessment Technologies for Water Transmission and Distribution Systems》[2]報(bào)告，隨著事故頻率的增加，管道失效風(fēng)險(xiǎn)增大，管道更新得越晚，更新所消耗的總費(fèi)用越少，若管道失效，則更換費(fèi)用會(huì)更高。所以，在某一點(diǎn)處，管道所消耗的總費(fèi)用最少（圖1）。因此，在進(jìn)行管道修復(fù)或更換之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)管道進(jìn)行合理的狀態(tài)評(píng)價(jià)，確定何時(shí)修復(fù)或更換管道最為經(jīng)濟(jì)、成本最低。

圖1 天然氣管道事故頻率、更新費(fèi)用和失效風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系圖

獲得精確的檢測(cè)數(shù)據(jù)在管道狀態(tài)評(píng)價(jià)中占有至關(guān)重要的地位。通常采用圖2所示的流程去選擇檢測(cè)工具。

管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)起步較晚，至今只有30年左右的歷史，20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)開(kāi)始對(duì)管道檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了一定成果，但并沒(méi)有應(yīng)用于工業(yè)中。從1994年中國(guó)石油天然氣管道局從美國(guó)引進(jìn)漏磁檢測(cè)設(shè)備開(kāi)始，我國(guó)才真正著手于漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用[3-4]。我國(guó)天然氣管道檢測(cè)技術(shù)主要集中于漏磁檢測(cè)，發(fā)展至今已非常成熟，并且軸向漏磁檢測(cè)技術(shù)水平與世界水平已基本持平。國(guó)外管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的研究起步較早，發(fā)展至今已形成技術(shù)多元化、多功能的格局，涉及的基礎(chǔ)檢測(cè)理論包括：遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、超聲導(dǎo)波、脈沖渦流、射線、電磁和熱成像等。因此，對(duì)國(guó)外已成熟應(yīng)用的天然氣管道檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹，以期為我國(guó)未來(lái)天然氣管道智能檢測(cè)提供參考。

2 國(guó)外的天然氣管道檢測(cè)技術(shù)

天然氣管道檢測(cè)技術(shù)按照檢測(cè)目的進(jìn)行分類，主要包括：可視化檢測(cè)、管道金屬損失檢測(cè)和泄漏檢測(cè)。

2.1 可視化檢測(cè)

2.1.1 管道閉路電視檢測(cè)（Closed-Circuit Television，CCTV）

CCTV檢測(cè)技術(shù)首次出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，并在20世紀(jì)80年代趨于成熟。在美國(guó)，CCTV檢測(cè)系統(tǒng)在很早以前就已應(yīng)用于輸水管道的檢測(cè)中。它能夠連續(xù)拍攝并記錄管道內(nèi)部的實(shí)際情況，專業(yè)人員可根據(jù)攝像內(nèi)容對(duì)管道內(nèi)壁的缺陷、腐蝕等情況進(jìn)行記錄和評(píng)估[2]。

圖2 管道檢測(cè)工具的選取流程圖

CCTV檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)為：①操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)成本較低；②適用于小口徑和大口徑管道；③能夠生成管道內(nèi)壁的全景圖像，檢測(cè)速度快，拍攝圖像清晰；④無(wú)需大范圍開(kāi)挖路面。

CCTV檢測(cè)技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在：檢測(cè)結(jié)果需要專業(yè)人員進(jìn)行判讀和解釋，且檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度會(huì)基于判讀人員的專業(yè)技能高低而有所不同[2]。

CCTV檢測(cè)系統(tǒng)的基本設(shè)備主要包括攝影機(jī)、燈光、電線及錄影設(shè)備、攝影監(jiān)視器、電源控制設(shè)備、承載攝影機(jī)的支架、牽引器及長(zhǎng)度計(jì)算器。爬行器可搭載不同規(guī)格和型號(hào)的攝像頭，通過(guò)電線與主控系統(tǒng)連接后響應(yīng)操作命令。操作人員可在地面以上對(duì)CCTV檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出指令，控制爬行器的前行和后退以及攝像頭的方位。圖3所示為美國(guó)ULC Robotics公司開(kāi)發(fā)的可用于天然氣管道的CCTV在線檢測(cè)設(shè)備，它僅需開(kāi)挖較小的路面即可將該設(shè)備放入天然氣管道實(shí)施在線不停輸檢測(cè)。圖3-a設(shè)備爬行器較小，適用于管徑較?。?05～406 mm）的管道，圖3-b適用于管徑較大（457～1 219 mm）的管道，它們的最大工作壓力均為0.68 MPa。因此該套系統(tǒng)僅適用于城鎮(zhèn)燃?xì)庀到y(tǒng)的中低壓管道。

圖3 ULC Robotics公司的CCTV檢測(cè)設(shè)備圖

圖4 CCTV檢測(cè)管道內(nèi)圖像

如圖4-a所示，CCTV檢測(cè)圖像可顯示管道內(nèi)壁的缺陷、泄漏或腐蝕狀況。除此之外，它還能應(yīng)用于事故原因排查，對(duì)于一些低壓燃?xì)夤艿溃诒┯昊蚝樗?，由于管道泄漏可能?huì)導(dǎo)致雨水灌入管道。2017年7月，美國(guó)Newburgh市發(fā)生了一起由暴雨引起的燃?xì)夤艿乐袛嗍鹿剩鹿逝挪槿藛T采用CCTV進(jìn)入管道實(shí)施檢測(cè)并找到了泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置（如圖4-b所示）。

2.1.2 管道內(nèi)窺鏡（Videoscope）

在美國(guó)，城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩艉艽笠徊糠值睦吓f管道（鋼管）已被塑料管（PE管）所替代，通常用戶端PE管的管徑僅有12.7 mm，塑料管上的配件通常采用熱熔焊的方法焊接，會(huì)在管道內(nèi)部產(chǎn)生較大的焊接接頭，從而減小管道的實(shí)際內(nèi)徑，此時(shí)，較大的檢測(cè)設(shè)備無(wú)法進(jìn)入管道。然而，對(duì)于城鎮(zhèn)用戶的燃?xì)夤艿溃毕莺湍p是主要的檢測(cè)對(duì)象，較高的清晰度是檢測(cè)結(jié)果的保障，因此，可采用管道內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢測(cè)[5]。

管道內(nèi)窺鏡的功能與CCTV類似，用于查看天然氣管道內(nèi)部缺陷和腐蝕狀況。圖5為Fiberscope.NET公司開(kāi)發(fā)的管道內(nèi)窺鏡產(chǎn)品實(shí)物圖，它由一端具有目鏡的剛性或柔性管和另一端的物鏡組成，通過(guò)中繼光學(xué)系統(tǒng)連接在一起，是一種非常先進(jìn)的管道鏡，其內(nèi)置了一個(gè)非常小的電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）芯片，嵌入在示波器的頂端。視頻鏡頭的直徑通常為10 mm或更小，長(zhǎng)度可達(dá)15.24 m。該裝置包括插入探頭部分、鉸接尖端、照明束、高強(qiáng)度外部光源、電纜接口以及外部媒體記錄裝置，視頻圖像通過(guò)內(nèi)部布線回傳到顯示器[2]。

圖5 管道內(nèi)窺鏡技術(shù)配套設(shè)備圖

管道內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①可以查看其他檢測(cè)設(shè)備無(wú)法訪問(wèn)的區(qū)域，可以進(jìn)入較小管徑的管道；②可以提供高質(zhì)量的圖像，具有高速拍攝能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的高質(zhì)量控制。

管道內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)的局限性在于：①檢測(cè)結(jié)果需要人工讀取和解釋，對(duì)人員專業(yè)程度要求較高；②僅能檢測(cè)距離較短且管徑較小的管道。

2.2 管壁金屬損失檢測(cè)

2.2.1 脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)（Pulsed Eddy Current System）

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)用于確定絕緣鋼管和非絕緣鋼管的壁厚并判斷管道外的腐蝕狀況，其工作原理如圖6所示，發(fā)射線圈產(chǎn)生矩形渦流，每個(gè)循環(huán)由一個(gè)正脈沖和負(fù)脈沖組成，通過(guò)量化接收器線圈捕捉到的磁反應(yīng)場(chǎng)測(cè)量距管壁一定距離的渦流強(qiáng)度，渦流強(qiáng)度與壁厚有關(guān)，它通過(guò)比較某些信號(hào)特征與類似校準(zhǔn)信號(hào)的瞬態(tài)時(shí)間來(lái)計(jì)算金屬的平均厚度。磁場(chǎng)和被檢查部件之間接觸產(chǎn)生的覆蓋區(qū)即表明壁厚的計(jì)算區(qū)域。根據(jù)壁厚、絕緣層厚度和傳感器尺寸，覆蓋區(qū)域直徑范圍通常為25～150 mm[2,6-7]。

圖6 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)原理圖[6]

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①結(jié)構(gòu)緊湊，可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作的車輛輕松部署；②無(wú)需去除絕緣涂層即可進(jìn)行測(cè)量，并且可用于海底輸氣管道。

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的局限性在于[2]：①得到的數(shù)據(jù)需要專業(yè)人員進(jìn)行解釋；②測(cè)量結(jié)果易受到外部因素的影響，如溫度等；③儀器的占地面積不可避免地會(huì)遮擋局部鋼管損失面積，且必須選擇合適的傳感探頭（探頭直徑為30～200 mm）。

2.2.2 蛇形探測(cè)工具（See Snake Tool）

See Snake Tool是一種基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)的檢測(cè)工具，它用于天然氣管道內(nèi)部和外部腐蝕坑檢測(cè)，并可測(cè)量管道剩余壁厚和管道的應(yīng)力。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)是一種能夠穿透金屬管壁的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)原理如圖7所示，檢測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)線圈，激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈之間的距離是管徑（D）的2～3倍。激勵(lì)線圈發(fā)出的磁場(chǎng)線向外擴(kuò)散穿過(guò)管壁，并在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)向管壁擴(kuò)散，檢測(cè)線圈拾取渦流信號(hào)，從而有效檢測(cè)管道內(nèi)和外壁缺陷[2]。

圖7 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)原理圖[2]

圖8 為Russel NDE Systems公司開(kāi)發(fā)的See Snake Tool實(shí)物圖，它適用于管徑為50～400 mm、500～700 mm且最大壁厚為25.4 mm的管道。該檢測(cè)工具可以自由移動(dòng)或拴在電線上移動(dòng)，可自由移動(dòng)的See Snake Tool單次檢測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)4.5 km，而拴在電線上的單次檢測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)910 m，該檢測(cè)工具的檢測(cè)速度為1～2 km/h[8-9]。

圖8 See Snake Tool實(shí)物圖

See Snake Tool的優(yōu)勢(shì)在于[2]：①能夠穿過(guò)多個(gè)90°焊接彎頭；②可以在地面控制其檢測(cè)進(jìn)程；③可完成在線檢測(cè)，半自動(dòng)分析數(shù)據(jù)。

See Snake Tool的局限性在于它不適用于大口徑的天然氣管道。因此，該技術(shù)較適用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿馈?/p>

2.2.3 渦流陣列檢測(cè)技術(shù)（Conformable Eddy Current Array）

渦流陣列檢測(cè)技術(shù)能夠生成天然氣管道外腐蝕的等高線圖，用于測(cè)量腐蝕坑深度。它基于最傳統(tǒng)的渦流理論，線圈阻抗（相位和幅度）的變化反映了被測(cè)物體的性質(zhì)，對(duì)于天然氣管道的點(diǎn)蝕，可使用渦流探頭測(cè)量探頭與腐蝕凹坑底部的距離。渦流陣列檢測(cè)技術(shù)還能夠?qū)㈦x散測(cè)量轉(zhuǎn)換為二維掃描圖像，通常測(cè)量精度為±0.5 mm，單張覆蓋面積為157 mmh157 mm[2,10-11]。

渦流陣列檢測(cè)技術(shù)操作簡(jiǎn)便，僅需將渦流陣列板貼合在管道表面的腐蝕位置（圖9），將傳感器與計(jì)算機(jī)相連即可進(jìn)行測(cè)量，配套的計(jì)算機(jī)軟件可顯示腐蝕的等高線圖，如圖10所示。

圖9 陣列板安裝示意圖[10]

圖10 腐蝕坑檢測(cè)結(jié)果（樣本）圖

渦流陣列檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：①可較容易地適應(yīng)管道表面曲率并貼合在管道表面；②測(cè)量系統(tǒng)可輕松操作；③管道表面無(wú)需噴砂處理，但是管道表面越干凈，測(cè)量越方便；④掃描圖像無(wú)需使用其他設(shè)備。

如圖9所示，由于渦流陣列檢測(cè)技術(shù)需將陣列板貼合在管道外壁。因此，該技術(shù)在已建設(shè)埋地輸氣管道上的應(yīng)用較為局限（需開(kāi)挖管道，經(jīng)濟(jì)性較差），適用場(chǎng)合主要有：架空敷設(shè)輸氣管道、場(chǎng)站內(nèi)管道。除此之外，該技術(shù)對(duì)于較深的腐蝕坑深度測(cè)量具有局限性。

2.2.4 射線檢測(cè)技術(shù)（Radiographic Testing）

射線檢測(cè)技術(shù)用于測(cè)量管道壁厚，可顯示管壁的腐蝕、磨損和缺陷情況，也可用于檢測(cè)閥門狀況[2]。射線檢測(cè)使用放射源（X射線或γ射線）穿過(guò)材料，有缺陷部位和無(wú)缺陷部位對(duì)射線的吸收能力不同，從而判斷是否存在缺陷。該技術(shù)多在油氣處理廠的工藝管道中使用，也可在埋地管道安裝階段對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

圖11為VIDISCO公司用射線檢測(cè)管道焊縫和閥門的射線照片，可以看到材料結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，較暗的區(qū)域?qū)?yīng)較薄或密度較小的部位。

圖11 射線照片

射線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①能夠應(yīng)用于大多數(shù)管道材料；②能夠看到非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況。

其應(yīng)用局限性在于：①具有輻射安全問(wèn)題，需要專業(yè)操作人員進(jìn)行檢測(cè)；②對(duì)于埋地天然氣管道僅能用于安裝階段。

2.3 管道泄漏檢測(cè)

2.3.1 機(jī)載泄漏檢測(cè)技術(shù)（Airborne Leak Detection）

機(jī)載泄漏檢測(cè)技術(shù)是一種根據(jù)目標(biāo)氣體物理特性，采用機(jī)載儀器對(duì)目標(biāo)氣體的物理特性進(jìn)行捕捉并識(shí)別的新型檢測(cè)方法。天然氣的主要成分為甲烷，目前能夠用于天然氣管道的機(jī)載泄漏檢測(cè)技術(shù)主要分為3種：機(jī)載激光檢測(cè)、機(jī)載紅外檢測(cè)和機(jī)載嗅探器檢測(cè)[12-13]。

機(jī)載激光檢測(cè)基于光譜吸收的原理，氣體分子對(duì)光譜具有選擇性吸收的特性，通過(guò)分析激光的初始功率和回波功率來(lái)獲得氣體的濃度。帶有激光發(fā)射裝置的飛行器在空中沿天然氣管道飛行，將激光調(diào)諧到被檢測(cè)氣體的吸收波長(zhǎng)，一部分激光能量被氣體吸收，并用接收到的激光回波信號(hào)測(cè)量大氣中甲烷的濃度。具有代表性的技術(shù)公司主要有：ITT、Aviation Technology Services、Pergam Technical Services、LASEN。

機(jī)載紅外檢測(cè)基于氣體吸收紅外光譜的原理，帶有紅外光譜濾波器的攝像機(jī)在空中沿管道線路拍攝，在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，被檢測(cè)氣體吸收紅外線輻射并在視頻圖像中顯示出不同顏色[13]。具有代表性的技術(shù)公司主要有FLIR。

機(jī)載嗅探器檢測(cè)通常需要飛行器低空飛行穿過(guò)氣體團(tuán)，嗅探器提取空氣樣本進(jìn)行分析，從而確定空氣中天然氣的濃度。具有代表性的技術(shù)公司主要為 Apogee Scientific，Iac。

圖12為美國(guó)ITT公司開(kāi)發(fā)的機(jī)載天然氣發(fā)射激光 雷 達(dá) （Airborne Natural Gas Emission Lidar，ANGEL）檢測(cè)技術(shù)所配套的飛行器和傳感器，ANGEL檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)速度可達(dá)160 km/h，檢測(cè)精度較高，并能提供地理信息系統(tǒng)（Geographic Information system, GIS）數(shù)字影像。圖13為采用ANGEL技術(shù)對(duì)某輸氣管道的泄漏檢測(cè)結(jié)果，飛行器上配置的差異吸收光達(dá)的掃描寬度能夠完全覆蓋管道，并能提供甲烷的分布云圖及濃度。

機(jī)載泄漏檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有：①檢測(cè)速度快，能夠快速提供檢測(cè)報(bào)告；②檢測(cè)精度較高，并能準(zhǔn)確定位泄漏位置；③能夠快速發(fā)現(xiàn)泄漏位置，降低因天然氣泄漏對(duì)社會(huì)和環(huán)境造成的風(fēng)險(xiǎn)；④極大地減少人工成本。

圖12 ITT公司ANGEL技術(shù)配套飛行器和傳感器示意圖

圖13 采用ANGEL技術(shù)對(duì)某輸氣管道的泄漏檢測(cè)結(jié)果圖

該技術(shù)的局限性在于：①該技術(shù)需要由具有特殊資質(zhì)的航空公司配合完成；②檢測(cè)結(jié)果可能會(huì)受風(fēng)速的影響；③運(yùn)行成本較高。

2.3.2 智能球（Smart Ball）

圖14 智能球結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖[15]

智能球用于定位和估計(jì)天然氣管道泄漏的大小，它是一種基于聲學(xué)的檢測(cè)技術(shù)（圖14）。智能球包括一系列聲學(xué)傳感器、加速度計(jì)、磁力計(jì)、超聲波發(fā)射器、溫度傳感器等，隨著天然氣流向在管道內(nèi)滾動(dòng)[14]。最早該技術(shù)僅能用于輸水管道，2010年以后論證了智能球可用于油氣管道，在技術(shù)論證期間，Pure Technologies公司進(jìn)行了19次實(shí)驗(yàn)，定位漏點(diǎn)誤差的范圍為±2 m。智能球可用于管徑大于100 mm的管道，可通過(guò)天然氣場(chǎng)站內(nèi)的清管裝置放入管道。為了更好地使用智能球技術(shù)，Pure Technologies公司配套設(shè)計(jì)了SmartBall Analyst軟件，為了能夠?qū)⒅悄芮驊?yīng)用于長(zhǎng)輸天然氣管道，Pure Technologies公司主要針對(duì)電池容量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的電池續(xù)航能力能達(dá)到110 h，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)到16 GB（直徑為100 mm的智能球）和32 GB（直徑大于100 mm的智能球）[15]。

智能球技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①能夠用于任何材料的管道；②可以帶壓不停輸檢測(cè)；③泄漏檢測(cè)的敏感性較高，能識(shí)別泄漏量為0.11 L/min的天然氣。

智能球的局限性在于：①與泄漏相關(guān)的聲學(xué)活動(dòng)來(lái)自管壁上的壓力差，若壓差很小，智能球?qū)⒉粫?huì)檢測(cè)到泄漏；②所有泄漏檢測(cè)技術(shù)的靈敏度是幾個(gè)變量的函數(shù)，因而不能建立固定的閾值，在不同的工作壓力下，智能球的最小可探測(cè)泄漏量是不一樣的，因此，最小可識(shí)別泄漏量需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)；③其他的環(huán)境噪聲可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

2.3.3 探地雷達(dá)泄漏檢測(cè)（Ground-Penetrating Radar，GPR）

探地雷達(dá)技術(shù)通常用來(lái)探測(cè)地面以下的設(shè)施，在天然氣工業(yè)中用于探管，其工作原理如圖15所示，探地雷達(dá)天線將電磁脈沖波傳輸?shù)降孛嬉韵?，脈沖波碰到管道反射后由接收天線接收。

圖15 探地雷達(dá)技術(shù)原理圖[16]

除此之外，探地雷達(dá)還可用于天然氣管道泄漏檢測(cè)。當(dāng)輸氣管道泄漏時(shí)，覆蓋在管道上方土壤的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，管道的泄漏率發(fā)生變化，土壤孔隙率、飽和含水率等參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化（土壤會(huì)變得干燥）。而探地雷達(dá)對(duì)土壤的濕度變化非常敏感，它能夠檢測(cè)出非常細(xì)微的差別，土壤變干燥后，能夠觀察到以下4種接收信號(hào)發(fā)生變化[17]：①土壤電導(dǎo)率的降低會(huì)提高探地雷達(dá)信號(hào)的穿透深度；②土壤電導(dǎo)率的降低會(huì)增加管道信號(hào)的反射強(qiáng)度；③土壤含水率的降低會(huì)降低介電性能，將會(huì)縮短脈沖的反射時(shí)間；④管道泄漏后，管道上方的土體波速會(huì)發(fā)生變化。

探地雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①能夠適用于所有材料的管道；②檢測(cè)速度相對(duì)較快；③無(wú)需開(kāi)挖管道，無(wú)需接觸管道。

其應(yīng)用的局限性在于：①土壤的特性會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果；②檢測(cè)數(shù)據(jù)需要專業(yè)人員解釋。

3 國(guó)外的天然氣管道監(jiān)測(cè)技術(shù)

天然氣管道的智能監(jiān)測(cè)也是今后的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)施管道監(jiān)測(cè)可以根據(jù)管道的異常對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，并實(shí)時(shí)掌握管道的運(yùn)行狀況。

3.1 可彎曲超聲換能器（Flexible Ultrasonic Transducer，F(xiàn)UT）

FUT技術(shù)主要用于天然氣管道結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測(cè)和在線診斷。它由金屬箔、壓電陶瓷膜和頂部電極組成。頂部電極可以由銀或鉑膏制成，而金屬箔（如不銹鋼）可用作基底或底部電極。壓電薄膜的孔隙率和金屬薄片的厚度為該傳感器提供了足夠的靈活性，適用于彎曲和不規(guī)則的表面。通過(guò)將許多電極放置在所需的配置中，F(xiàn)UT可較容易形成陣列（圖16）[2,18-20]。

圖16 FUT陣列板圖[21]

FUT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：①可以在寬泛的溫度范圍（－80～500 ℃）內(nèi)工作；②可以自對(duì)準(zhǔn)到物體表面；③可進(jìn)行天然氣管道長(zhǎng)距離缺陷評(píng)估；④成本低廉，操作設(shè)備可小型化；⑤可使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作；⑥可電子掃描或成像。

FUT技術(shù)應(yīng)用的局限性體現(xiàn)在陣列板只能覆蓋較小面積的區(qū)域，對(duì)于一段較長(zhǎng)的管道需要很多陣列板才能完成。

3.2 光纖傳感器（腐蝕和彎曲變形監(jiān)測(cè)）

光纖傳感器可用于直接測(cè)量管道壁厚，還可用于監(jiān)測(cè)管道的腐蝕和彎曲變形。管壁厚度的變化將導(dǎo)致管道外表面應(yīng)變發(fā)生變化，壁厚可通過(guò)光纖傳感器監(jiān)測(cè)和記錄應(yīng)變變化而測(cè)出。計(jì)算管壁厚度需要3個(gè)光纖傳感器，1個(gè)用來(lái)測(cè)量由內(nèi)部壓力引起使管壁變薄的應(yīng)變，另外2個(gè)用來(lái)補(bǔ)償溫度和壓力的操作變化。該技術(shù)的靈敏度取決于壁厚、壓力和管道材料，根據(jù)Morison在2007年的報(bào)道，靈敏度可高達(dá)50.8 μm[22]。1個(gè)監(jiān)控單元可與多達(dá)8個(gè)光纖傳感器同時(shí)工作，監(jiān)控單元可以聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。客戶端可以通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以使用電池供電的便攜式儀器。除此之外，光纖傳感器還可用于測(cè)量由于地面運(yùn)動(dòng)引起的管道彎曲[2,23]。光纖傳感器實(shí)物安裝如圖17所示。

光纖傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：①能夠檢測(cè)一些較難檢測(cè)的位置；②擁有存儲(chǔ)管道壁厚的數(shù)據(jù)庫(kù)；③能夠基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)控。

光纖傳感器的局限性在于：①由于內(nèi)部腐蝕是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，將壁厚損失的信號(hào)與背景信號(hào)分開(kāi)過(guò)程較慢，可能需要30多天；②如圖17所示，需要在管道外部安裝光纖傳感器，可能需要開(kāi)挖。

光纖傳感器對(duì)于已建管道而言需要開(kāi)挖進(jìn)行安裝，因此建議在新管道的建設(shè)中直接安裝，以避免后續(xù)的開(kāi)挖操作。除此之外，光纖傳感器還可應(yīng)用于架空敷設(shè)管道和場(chǎng)站內(nèi)管道。

圖17 光纖傳感器安裝實(shí)物圖[24]

4 結(jié)論及啟示

1）國(guó)外天然氣管道檢測(cè)技術(shù)主要針對(duì)腐蝕坑、缺陷、剩余壁厚和泄漏，很多技術(shù)都是以管道機(jī)器人為載體，配合其他技術(shù)理論（如聲學(xué)、渦流理論等），并配合有多種傳感器行使技術(shù)功能，因此，管道檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備必將朝著綜合檢測(cè)（檢測(cè)多種數(shù)據(jù)）的方向發(fā)展。

2）國(guó)外天然氣管道的一些檢測(cè)技術(shù)僅可應(yīng)用于小口徑管道，能夠在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐械靡詰?yīng)用，但是對(duì)于大口徑管道具有一定局限性，這主要取決于設(shè)備的尺寸，所以，提高檢測(cè)設(shè)備的適應(yīng)性是必然趨勢(shì)。

3）國(guó)外天然氣管道檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①我國(guó)目前尚未形成檢測(cè)技術(shù)實(shí)施和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)體系；②很多檢測(cè)數(shù)據(jù)需要人為解釋，而我國(guó)暫時(shí)缺乏相關(guān)專業(yè)的培訓(xùn)。

4）檢測(cè)數(shù)據(jù)的解釋會(huì)耗費(fèi)大量的人力，在一些特殊情況下，若檢測(cè)報(bào)告不能快速生成，會(huì)為天然氣管道的運(yùn)行增加風(fēng)險(xiǎn)并造成巨大損失。因此，自動(dòng)解讀數(shù)據(jù)成為管道檢測(cè)的一個(gè)新興發(fā)展方向，屆時(shí)機(jī)器可自動(dòng)識(shí)別管道內(nèi)缺陷、腐蝕狀況等參數(shù)并提供可靠性較高的檢測(cè)報(bào)告。

5）為了將檢測(cè)技術(shù)更好地應(yīng)用于長(zhǎng)輸天然氣管道，提高檢測(cè)設(shè)備的續(xù)航能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和遠(yuǎn)傳能力是技術(shù)改進(jìn)的發(fā)展方向。

6）天然氣管道檢測(cè)技術(shù)可與完整性管理更加緊密地結(jié)合，配套完整性管理平臺(tái)的研發(fā)能夠促進(jìn)管道的智能化管理。

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