管道內(nèi)檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀研究

王豪巍 陳秋華 劉寶峰 吳昊

摘 要：管道作為當今時代運輸油氣最經(jīng)濟最安全的運輸方式，在石油天然氣工業(yè)中已被廣泛應用。但是隨著管道服役時間的增長，管道很容易受到道腐蝕、磨損、三防破壞等一系列因素的影響。對于管道健康狀況定期考察，是保障油氣安全運輸?shù)墓ぷ髦攸c?？梢酝ㄟ^對管道定期通內(nèi)檢測器，對管道健康狀況有準確的把握。本文對內(nèi)檢測技術進行總結，旨在為現(xiàn)場提供內(nèi)檢測技術選擇依據(jù)。

關鍵詞：安全運輸;管道缺陷;內(nèi)檢測技術

中圖分類號：TE973.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0057-05

1 管道內(nèi)檢測現(xiàn)狀

管道運輸作為一種安全性好，成本低廉的運輸方式，已在油氣運輸工程中廣泛應用。管道，將油氣田、儲油設備、油氣處理終端連接成一個有機的整體。但是，在實際運輸、操作過程中，由于管道材料質(zhì)量、施工質(zhì)量、管道運營過程中的不確定因素等，會導致管道運輸油氣過程中，管道產(chǎn)生形變、腐蝕、裂紋等一系列缺陷[1]。管道健康狀況逐漸惡化，嚴重威脅油氣輸送過程的安全生產(chǎn)。

國內(nèi)油氣田提出相應標準，長輸管道每3-5年進行一次內(nèi)檢測已成為常規(guī)保障油氣安全輸送的做法[2]。通過內(nèi)檢測器對管道檢測，可以確定管道變形、褶皺、裂紋點，對管道整體腐蝕狀況、健康狀況有整體把握。通過內(nèi)檢測結果，可對管道局部進行更換，避免不必要、無計劃、不合理的管道維修和更換，節(jié)約經(jīng)濟成本和人工成本，保障管道安全高效運行。海底管道事故對海洋生態(tài)環(huán)境威脅很大，同時，海洋管道事故處理難度大。海洋管道事故相對于陸地管道，維修成本、經(jīng)濟損失、環(huán)境破壞嚴重。而海底服役管線在運用過程中，不確定因素眾多，安全隱患也比陸地管線更多。對海底管道的內(nèi)檢測也是安全生產(chǎn)的重點。

油氣管道失效形式眾多，可分為時效性風險因素、穩(wěn)定風險因素、隨機風險因素。不同類型因素中包含各種失效形式，如圖1所示。大部分管道類失效形式可以通過內(nèi)檢測手段判斷定位。設備缺陷或者操作失誤導致的管道失效，需要對管道運行過程中的附屬設備進行定期檢查，對崗位員工定期進行安全教育、考核。管道內(nèi)檢測作為一種可以確定、排除管道多種失效形式的技術，在管道運行檢測中，已被廣泛應用[3]。

2 內(nèi)檢測技術發(fā)展情況

管道內(nèi)檢測技術分為兩部分：內(nèi)檢測器定位技術、內(nèi)檢測缺陷技術。通過定位技術確定內(nèi)檢測器運動位置[4-5]。通過內(nèi)檢測器反饋的信號，結合定位技術給出的內(nèi)檢測器位置與時間的關系，確定內(nèi)檢測器不同時間運動到不同位置時管道的健康狀況。通過數(shù)據(jù)分析得到管道存在的缺陷情況，便于管道維修和運營風險控制。

2.1 內(nèi)檢測器跟蹤定位技術

2.1.1 里程輪定位技術

里程輪一般位于內(nèi)檢測器末端，是一種在運動過程中計算內(nèi)檢測器運動位置的測量方式，如圖2所示。在內(nèi)檢測器運動過程中，里程輪隨之轉動。通過里程輪轉動的總周數(shù)，確定內(nèi)檢測器距離投放處的距離。里程輪測量精度受加工精度、管道內(nèi)壁狀況（石蠟、污油等引起打滑）、里程輪表面花紋、運動過程中里程輪的磨損情況、轉動的靈活性、檢測器的運行速度、輸送介質(zhì)（摩擦與潤滑效果）等因素的影響。在定位過程中容易受到管道健康狀況影響大。

從定位原理來看，里程輪定位技術建立在累計里程輪轉動頻率上，在運動過程中，具有誤差積累效應。隨著內(nèi)檢測器檢測管道距離的增加，定位準確度不斷降低，最高精度只能達到0.2%。這在長距離管道內(nèi)檢測過程中，難以達到精確定位的要求。

2.1.2 加速度計定位技術

加速度計的基本原理是牛頓運動定律，物體運動距離是加速度的二次積分。在內(nèi)檢測器上固定加速度計[6]，并通過電子設備記錄檢測過程中檢測器在前進方向的加速度。通過在已知檢測器初速度（一般為零）條件下，確定任意時刻檢測器距離發(fā)射點的距離，實現(xiàn)管道定位。由于實際管道敷設過程中，存在傾斜因素，加速度計在管道內(nèi)運動過程中受重力分量的影響，在計算時需要考慮重力加速分量。如圖3所示。

2.1.3 壓力波定位技術

此方法通過檢測管道兩端壓力的變化，判斷管道檢測器的位置[7-8]。檢測過程中需要在內(nèi)檢測設備兩端安裝壓力波檢測設備。內(nèi)檢測器工作時，管道兩端的壓力波發(fā)生器會產(chǎn)生兩個一致的波形，沿管道方向傳播。管道起末兩端的壓力傳感器收集壓力，計算出內(nèi)檢測器在管道中的位置信息。

實現(xiàn)壓力波定位的操作較為簡單，但是存在較大誤差，無法準確定位。壓力波法一般用于粗定或?qū)崟r跟蹤內(nèi)檢測器設備。

2.1.4 電磁波定位技術

為保證在內(nèi)檢測器運動過程中實時監(jiān)測其位置，電磁波定位法[9]通常利用低頻電磁波，可以穿透金屬和大地，實時反饋內(nèi)檢測器位置。按照電磁波定位要求，在管道沿線按一定距離依次放置多個磁接收機（或根據(jù)實際情況利用同一個接收機在不同位置接收磁信號）。當裝載次發(fā)射器的內(nèi)檢測器達到接收機的信號接收范圍時，接收機通過對此信號進行調(diào)理、判別、報警、顯示，通知地面工作人員，實時跟蹤管道內(nèi)檢測器的運動狀態(tài)及運行位置。如圖4所示。

2.1.5 人工追蹤內(nèi)檢測器位置

此方法一般需要搭配其他檢測手段，對內(nèi)檢測器運動位置進行監(jiān)控。此方法準確性相對較高，可以對內(nèi)檢測器實時運動位置、運動狀態(tài)、卡堵、管道故障點等特征具有較為準確的把握。監(jiān)控人員通常需要搭配動力配置達到要求的越野汽車及信號接收裝置。此過程至少需要兩名檢測人員。一名人員駕駛，實時跟蹤定位內(nèi)檢測器位置，保證其時刻處于可檢測范圍。另一名人員實時監(jiān)控內(nèi)檢測器反饋信號，確定內(nèi)檢測器安全運行。此方法檢測準確度較高，成本較低，但是對于地形地貌具有較高要求，在行駛困難區(qū)域，如河流較多，易塌方山地等，人工追蹤檢測方法，不再適用。

2.2 管道內(nèi)檢測器探傷技術

2.2.1 幾何變形檢測技術（GP）

內(nèi)檢測器一般會搭配測徑器以便于檢測、定位和測量管壁幾何形狀異常。常用的測徑器采用一定排列的機械抓手或者有機械抓手的輻射架。

在內(nèi)檢測器運動過程中，機械抓手壓著管道內(nèi)壁，并會因為橫斷面出現(xiàn)的變形而產(chǎn)生一定偏移。這些偏移通常是由凹陷、偏圈、褶皺或附著于管道壁面上的碎屑引起的。捕捉到的偏移信號轉化為電子信號存儲到內(nèi)檢測器運載的存儲設備上。內(nèi)檢測結束后，將數(shù)據(jù)提出，并使用合適的軟件加以分析，進而確定異常數(shù)據(jù)，結合內(nèi)檢測器運動軌跡，確定管道異常點。目前，市場是測徑器的測量方位從100～1500mm不等，其靈敏度通常為管段直徑的0.2～1.0%，精度大約為0.1%～2.0%。如圖5所示。

2.2.2 漏磁檢測技術（MFL PIG）

漏磁檢測通常[10-12]可以檢測出管道內(nèi)、外腐蝕產(chǎn)生的體積型，對檢測環(huán)境要求較低，可兼用于輸油和輸氣管道，見解判斷管道涂層完整性。使用漏磁技術對管道內(nèi)部缺陷進行檢測時，需要使用永磁體將管道管道飽和磁化，與被檢測關閉形成磁回路。當管壁沒有缺陷時，磁力線囿于管壁內(nèi)。當管壁存在缺陷時，磁力線會穿過管壁產(chǎn)生漏磁。

這種檢測方式較為敏感，對于管道裂縫、腐蝕、焊縫較為敏感，可以較早地檢測到管道的體積性缺失。

如圖6中接收信號所示，焊縫處相對于管壁處不平整，漏磁檢測器與管壁貼合變差，磁力線從管壁中的通量減少，更多磁力線通過感應線圈，從而導致感應線圈兩端電壓信號發(fā)生畸變。

2.2.3 超聲檢測技術（UT PIG）

超聲檢測技術[13-14]類似于傳統(tǒng)意義上的超聲波檢測技術。傳感器通過液體耦合與管壁接觸，從而測出管道缺陷。超聲波檢測對裂紋等平穩(wěn)型缺陷較為敏感，無法檢測管道外部腐蝕、外壁面金屬缺失，是一種較為精確的檢測技術，也是目前發(fā)現(xiàn)裂紋最好的檢測方法。

但是檢測器晶體易碎，傳感器遠在運行過程中容易損壞。由于在運動過程中傳感器晶體要求通過液體與管道連續(xù)耦合，因此，對管道清潔情況，管道清潔劑有很高要求。目前此技術僅限于液體輸送管道。如圖7所示。

2.2.4 渦流檢測技術（EC PIG）

渦流檢測[15]的特點是，可以檢測各種導電材料的缺陷，與測試關閉可以通過直接物理接觸或者隔離一定厚度非導電涂層進行檢測。但是，渦流檢測發(fā)射范圍較窄，覆蓋面積有限，只能檢測材料的近表面。而遠場渦流檢測技術是采用可以穿透管壁的低頻渦流。主要缺點是對軸向裂紋敏感性較差，通過引起檢測線圈上的電壓變化，分析電壓波形曲線得到管壁缺陷情況。

渦流檢測探頭與漏磁檢測工具相結合，可區(qū)分管道內(nèi)、外缺陷。渦流檢測的另一個作用是識別焊縫。此技術也可作為輔助定位的重要手段。在一些特定精度的凹痕檢測中，渦流檢測信號也作為補償信號描述凹痕輪廓，其結果可以進一步分析由于凹陷引起的應力應變。如圖8所示。

2.2.5 電磁超聲檢測技術（EMAT PIG）

超聲波能是一種在彈性導電介質(zhì)中得到激勵，在使用此技術過程中不需要傳統(tǒng)機械接觸或者液體耦合。電磁超聲檢測技術利用電磁物理學原理[16-17]，以新的傳感器代替超聲波檢測技術中的傳統(tǒng)壓電傳感器。當電磁波傳感器載管壁上發(fā)出超聲波能時，波的傳播采取已關閉的內(nèi)、外表面作為“波導器”的方式進行，當管壁是均勻的，電磁波沿管壁傳播只會受到衰減作用。當管壁上有異常點出現(xiàn)時，在異常截面處，超聲波發(fā)生阻抗的突變導致電磁波發(fā)生反射、折射和漫反射，接收到的波形會發(fā)生明顯改變。

電磁波傳到不惜要液體耦合劑來保證其工作性能，該技術提供了輸氣管道超聲波檢測的可行性，是替代漏磁檢測的有效方法。如圖9所示。

3 管道內(nèi)檢測的流程

內(nèi)檢測過程一般分為八個步驟：管線調(diào)查，試通球，檢測前清洗/驗證，管道集合檢測，管道漏磁檢測，測試數(shù)據(jù)分析，管道檢測報告，管道完整性管理。

3.1 管線調(diào)查

管線調(diào)查需要參考《管道內(nèi)檢測調(diào)查表》，對表中要求參數(shù)進行調(diào)查完善。然后根據(jù)實際情況安裝收發(fā)球筒以及管道清洗附屬設備。安裝設備時需要在裝置正后方留出3m空間，方便安裝或者取出檢測設備。通過管線調(diào)查，對管道局部彎頭進行整改，使之具備2D通球的施工條件。對管道附屬設備，如閘閥等進行改造，使之具備通過檢測器的能力。

3.2 試通球

試通球是為了保證智能內(nèi)檢測器可以成功實施，在智能檢測設備投放前，進行的清管作業(yè)。對于長期未清掃過的管道，清管程序需要更加嚴謹。前期投放密度較小，硬度較低的泡沫清管器，隨后根據(jù)清管情況，逐步增大泡沫清管器的密度。通過多次更換泡沫清管器，初步了解管道最小直徑和清潔程度，為下步清管器類型和清管程序的選擇提供基礎信息。在清管器運動過程中可以通過調(diào)整背壓大小調(diào)整清管器運動速度。通球次數(shù)一般為4～5次，對管道狀況有初步了解，對內(nèi)檢測器型號選擇有提供支撐。如圖10所示。

3.3 管道清洗

管道清洗的目的是清洗管道、設備和工藝，以循序漸進的發(fā)方法從輸油、輸氣管道中去除污物、氧化鐵堆積物[18]。對于減緩內(nèi)腐蝕、提高保證輸送量、保障啊管道安全運營具有重要作用。同時，液位內(nèi)檢測做好準備，進一步提升內(nèi)檢測精度。如圖11所示。

3.4 管道幾何檢測

管道集合檢測是測量管道因施工及運行使用過程中產(chǎn)生的幾何變形。對管道閥門、三通、彎頭等關鍵部件進行測量標識，并對上述關鍵及管道形變給予量化尺寸。

通過管道幾何檢測，檢測人員進行數(shù)據(jù)分析初步得到稽核監(jiān)測報告。進而確認凹陷、橢圓變形、彎頭和內(nèi)徑變形尺寸、探測并測量管道內(nèi)徑變形、彎曲和褶皺、檢測出管道內(nèi)部殘留污物。

幾何檢測采用的檢測工具還能準確測量彎頭角度和彎頭半徑。幾何檢測器車載陀螺儀采用三軸向方位計算彎頭角度。幾何檢測的精度一般需要精確到參考點距離的1%，保證檢測后的維修工作順利進行。

3.5 管道漏磁檢測

漏磁檢測系統(tǒng)的探測能力（適用于所有類型的管道，如無縫管道、焊縫管道、螺旋焊縫管道等），目前能夠探測到管道內(nèi)的缺陷類型如下：（1）腐蝕相關，在環(huán)焊縫附近，凹陷相關、管外壁劃痕等相關的金屬損失;（2）修補夾板下面的金屬損失;（3）制造缺陷相關的金屬損失;（4）焊縫、直焊縫、螺旋焊縫焊接點;（5）包括環(huán)焊縫內(nèi)環(huán)形裂紋在內(nèi)的環(huán)焊縫異常;（6）凹陷;（7）制造型缺陷;（8）施工損壞;（9）標稱管壁厚度不符;（10）管道設備和配件的健康狀況;（11）管道附近可能影響保護涂層或陰極保護系統(tǒng)的鐵金屬物體;（12）包括偏心度在內(nèi)的可能影響管道涂層或陰極保護系統(tǒng)的偏心套管在內(nèi)的套管;（13）參考標記磁鐵;（14）破壞管道外表面的涂層。

漏磁檢測過程中，首先需要對缺陷檢裝置進行標定。然后將缺陷檢測裝置放與內(nèi)檢測器中，接收端準備好檢測裝置信號接收工作。對檢測裝置通電，開始計時。前期工作結束后，打開清管流程，推動內(nèi)檢測器在一定速度下運動，進行檢測作業(yè)。內(nèi)檢測器在運動過程中，需要對檢測器兩端壓力變化、檢測信號、檢測時間等進行實時跟蹤，并按照時間順序記錄所有事件，做好應急準備[19]。內(nèi)檢測器達到中斷后，關閉清管流程，取出檢測裝置，斷電，對檢測設備進行清洗。最后對檢測裝置損傷狀況進行觀察，讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)進行分析。最終形成質(zhì)量報告和內(nèi)檢測最終報告。

3.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析通常在內(nèi)檢測過程得到一個粗略的分析結果，并在整體檢測流程結束后進行進一步分析，使用特定分析技術判斷管道缺陷點。

3.7 檢測報告

檢測報告一般分為三種：

（1）初步檢測報告：在數(shù)據(jù)分析中心接收到檢測數(shù)據(jù)，20個工作日后，提交初步評估報告。

（2）最終檢測報告：在數(shù)據(jù)分析中心接收到檢測數(shù)據(jù)，40個工作日后，提交最終檢測報告。

（3）管道總結報告：包含管道缺陷狀況，管道健康狀況的總結報告。

4 技術發(fā)展方向

目前，內(nèi)檢測技術種類眾多，準確的檢測技術和定位技術，抗干擾性強的技術成為研究熱點和難點。單一的檢測手段可能會面臨定位精度差，或者檢測易受影響等問題。多種檢測技術耦合實現(xiàn)對管道不同類型的缺陷進行準確檢測并定位分類，是目前內(nèi)檢測過程通常使用的策略。陸地管道，已經(jīng)可以使用內(nèi)檢測技術，結合合適的定位技術，實現(xiàn)對管道缺陷的把握。但是海底管道[20]，定位技術精度差，在內(nèi)檢測過程，缺陷定位方面可能會產(chǎn)生較大誤差。在后續(xù)研究中，重點應在于適用性廣的定位技術和合理的多檢測技術耦合策略。

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