我國長輸管道內(nèi)外檢測技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

王鵬聰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019 年初，中國油氣長輸管道累計(jì)建設(shè)的里程數(shù)達(dá)到13.6 萬km。隨著油氣長輸管道在我國的快速建設(shè)，在役管道的安全運(yùn)行問題日益受到關(guān)注[1]。在長時間服役之后，因腐蝕、疲勞、機(jī)械損傷以及地質(zhì)災(zāi)害等，管道會出現(xiàn)各種缺陷，尤其是在管道的焊接部位，出現(xiàn)缺陷的可能性更高[2]。嚴(yán)重的缺陷會導(dǎo)致管道泄漏和開裂，甚至造成火災(zāi)、爆炸、中毒等事故[3-4]。對油氣長輸管道進(jìn)行檢測，能夠及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患，更好地保障管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行，大大降低油氣長輸管道事故的發(fā)生率。

目前國內(nèi)外對油氣長輸管道內(nèi)外檢測的方法較多，但功能不一，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。全面了解油氣管道內(nèi)外檢測技術(shù)在實(shí)際工程中的適用情況，對我國在役油氣管道的安全可靠運(yùn)行極其重要。對油氣管道進(jìn)行內(nèi)外檢測獲得的數(shù)據(jù)，對后期管道的完整性評價、制定管道開挖和修復(fù)計(jì)劃、指導(dǎo)管道的再檢測以及管理維護(hù)工作，都具有重要意義。

1 管道檢測技術(shù)概述

油氣長輸管道檢測分為管道內(nèi)、外兩種檢測技術(shù)。完整性評價是基于管道內(nèi)外檢測的數(shù)據(jù)，對管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度和剩余壽命的定量評價。評價結(jié)果可以為后期管道的維修和更換，以及再檢測周期的制定提供數(shù)據(jù)支撐，避免不必要和無計(jì)劃的管道維修工作，保障管道始終處于安全可靠的運(yùn)行狀態(tài)。

管道內(nèi)檢測技術(shù)是借助油氣管道內(nèi)的流體壓差，將配備各種無損檢測技術(shù)的智能檢測器置于管道內(nèi)運(yùn)行，完成管體缺陷的檢測，同時采集并存儲相關(guān)的管道檢測信息。美國Tuboscope 公司于20 世紀(jì)60 年代，首次采用低分辨率的漏磁內(nèi)檢測技術(shù)對管道進(jìn)行缺陷檢測。經(jīng)過數(shù)十年的改進(jìn)，如今的漏磁檢測技術(shù)分辨率越來越高[5]。我國在20 世紀(jì)90年代初引進(jìn)了國外先進(jìn)的漏磁檢測設(shè)備，經(jīng)過20 多年的實(shí)踐創(chuàng)新，逐漸縮小了與國際先進(jìn)水平的差距。目前，國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的油氣長輸管道內(nèi)檢測技術(shù)有漏磁檢測技術(shù)（MFL）、超聲波檢測技術(shù)（UT）、射線檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)等。

管道外檢測技術(shù)是在不破壞管道附近土壤環(huán)境及其附屬設(shè)施的前提下，采用間接檢測的方式，檢測埋地管道外的防腐層破損點(diǎn)、防腐層完整性、管道沿線的陰極保護(hù)情況等。常用的管道外檢測技術(shù)有皮爾遜測試法（Pearson）、多頻管中電流法（PCM）、直流電位梯度法（DCVG）、標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)（P/S）、密間隔電位測試法（CIPS/CIS）等。

對目前應(yīng)用較為成熟的油氣長輸管道內(nèi)、外檢測技術(shù)的適用性進(jìn)行研究，可明確我國管道檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為檢測技術(shù)的進(jìn)一步提高指明發(fā)展方向，并為工程定量檢測的實(shí)際應(yīng)用情況提供參考依據(jù)。

2 管道內(nèi)檢測技術(shù)

2.1 漏磁檢測技術(shù)（MFL）

漏磁檢測技術(shù)是最早研究并應(yīng)用于管道內(nèi)檢測的一種技術(shù)。其原理是檢測器在管道內(nèi)部運(yùn)行時，檢測器對管道施加一個強(qiáng)磁場并平行于管道的軸線方向。若管道完好沒有缺陷，則通過管道的磁場不會發(fā)生變化；一旦管道出現(xiàn)損傷缺陷，磁場會在該處發(fā)生扭曲和變形，該處變化的漏磁信號經(jīng)濾波器、放大器等信號處理器后，由計(jì)算機(jī)軟件分析變化信號，并與參考樣板對比，確定管道的缺陷信息參數(shù)。

漏磁檢測技術(shù)對金屬損失類的缺陷較為敏感，適用范圍廣，方便快捷，操作簡單，幾乎不受管道輸送介質(zhì)的限制，是目前研究和應(yīng)用相對較多的檢測技術(shù)。但是對于小尺寸針孔腐蝕等損傷范圍較小的缺陷，漏磁檢測技術(shù)無法進(jìn)行精確的檢測，容易漏檢。隨著內(nèi)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)了超高清漏磁檢測技術(shù)，但是提升檢測器的檢測精度和識別率等檢測指標(biāo)，仍是該技術(shù)的研究方向。

2.2 超聲波檢測技術(shù)（UT）

超聲波檢測技術(shù)的工作原理是聲波的反射現(xiàn)象。在檢測過程中，檢測器的探頭向管體發(fā)射超聲波信號，檢測信號經(jīng)過管道內(nèi)外壁后依次被反射回來。分析兩次反射波的時間差，能夠獲得檢測管段的壁厚。此外，該技術(shù)還適合于檢測管道的本體裂紋，當(dāng)管道內(nèi)部出現(xiàn)裂紋時，超聲波的反射變化效果較明顯，從而測定出管道內(nèi)裂紋的位置和大致尺寸。

UT 技術(shù)對裂紋缺陷的敏感度高，能夠檢測出微小裂紋包括疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕開裂等裂紋缺陷。由于超聲波檢測時需要液體耦合劑，依靠液體作為傳導(dǎo)，所以此技術(shù)在輸油管道的應(yīng)用較好。近年來，隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，相控陣檢測技術(shù)（PAUT）和衍射時差法超聲檢測技術(shù)（TOFD）相繼出現(xiàn)，并在西氣東輸油氣管道檢測中逐漸被采用，能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)超聲檢測的不足。

2.3 射線檢測技術(shù)

射線檢測作為常規(guī)的無損檢測技術(shù)之一，其檢測原理是當(dāng)射線（X 射線、γ 射線等）穿透管道時，穿透過程中射線強(qiáng)度會逐漸衰減。若管道中存在缺陷（如金屬損失、裂紋等缺陷），則被檢測出的射線強(qiáng)度高于完整性良好的管段，再根據(jù)射線強(qiáng)度分析管道是否含有缺陷，并通過分析計(jì)算，可以獲得缺陷的參數(shù)信息。

射線檢測技術(shù)對焊接部位的焊縫未熔合、氣孔、夾渣等缺陷的檢測效果較好，但檢測速度慢，成本高，且對人體有輻射傷害。實(shí)際應(yīng)用中，射線檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)兩者可以互補(bǔ)。

2.4 渦流檢測技術(shù)

渦流檢測技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理，將正弦交變電流電磁線圈靠近管道金屬表面，管壁中會產(chǎn)生渦流，渦流在遇到管道裂紋或者金屬損失等缺陷時會發(fā)生變化。用儀器測量線圈阻抗的變化，利用相關(guān)軟件進(jìn)行分析，可得到被測管道的缺陷狀況。渦流檢測技術(shù)的原理仍然是通過電磁場的變化來發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)缺陷。

基于渦流檢測理論，由傳統(tǒng)的單頻率渦流檢測技術(shù)，到多頻率渦流檢測技術(shù)以及遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)，檢測效率和檢測精度逐漸提高。渦流檢測具有趨膚效應(yīng)，能夠靈敏地檢測出管道內(nèi)表面附近的缺陷，但是僅依靠渦流檢測，通常難以確定缺陷的參數(shù)。目前遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)克服了趨膚效應(yīng)，渦流能夠穿透管壁，對管道外壁進(jìn)行檢測。采用率較高的遠(yuǎn)場渦流檢測器是Russell 公司的See Snake，能夠檢測油氣管道，但檢測成本較高。

3 管道外檢測技術(shù)

3.1 皮爾遜檢測法（Pearson）

皮爾遜檢測技術(shù)由英國的John Pearson 發(fā)明，在國內(nèi)又稱為人體電容法。在進(jìn)行油氣管道外防腐層檢測時，用發(fā)射機(jī)向管道輸入一個交流信號（1000Hz），該信號沿管道傳播，若管道防腐層沒有損傷或者剝離，管體中的電信號沿著管線緩慢減少；若管道防腐層存在老化、破損或者剝離，電流就會通過此處流入管道附近的土壤中，此時在管道防腐層漏點(diǎn)和土壤間就會產(chǎn)生電位差。使用檢測儀器檢測到管道上方電位差最大的位置，即可確定管道防腐層的異常位置，并可通過交流電信號的衰減大小，初步判斷破損點(diǎn)的大小。

皮爾遜檢測技術(shù)的操作簡單，方便快捷，檢測準(zhǔn)確率高，適合于油氣長輸管道及城市管網(wǎng)的檢測。但是此方法容易受到外界電流的干擾，抗干擾能力差，不能判斷防腐層剝離的程度，且缺陷檢測取決于操作員的熟練技能。

3.2 多頻管中電流法（PCM）

多頻管中電流法又稱電流衰減法，目前的使用率較高。進(jìn)行管道外檢測時，使用發(fā)射機(jī)向管道輸入某一頻率的電流信號，其電流強(qiáng)度從發(fā)射機(jī)開始隨距離的增大而減小。若管道外的防腐層完好，隨著管道的延伸，電流的衰減比較穩(wěn)定；若管道外的防腐層存在損傷，或與其它金屬設(shè)施有接觸時，電流會通過防腐層漏點(diǎn)流向土壤中，并且此處電流信號的衰減程度會迅速加大?，F(xiàn)場檢測人員通過專用的接收機(jī)以及A 字架進(jìn)行輔助檢測，從而精確判定管道防腐層的異常位置。

通過分析檢測過程中電流信號的衰減變化情況，能夠判斷出管道防腐層防護(hù)質(zhì)量的優(yōu)劣，進(jìn)而對防腐層的防護(hù)等級進(jìn)行判定。檢測儀器的功率較大，能夠快速探測整條管線的防腐層狀況，但易受到外界雜散電流和磁場環(huán)境的干擾，會導(dǎo)致檢測結(jié)果的不確定性。

3.3 直流電位梯度法（DCVG）

直流電位梯度法適用于管道防腐層破損點(diǎn)的檢測，檢出率高。檢測油氣管道防腐層破損點(diǎn)的陰極保護(hù)電流（CP）與土壤環(huán)境構(gòu)成電位梯度的變化，在破損點(diǎn)，電位梯度的變化最大，此處管道附近的電場密度也最大；電位梯度的變化即土壤的IR 降，依據(jù)IR 降的百分比（IR%），可計(jì)算防腐層破損的大小和嚴(yán)重程度。

該方法在檢測過程中不受外界雜散電流的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，可以同時對并行管道進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確度較高，能夠確定防腐層的破損大小，判斷管體腐蝕的活性。但若管道附近管地的電位不清楚，則不能確定防腐層的破損情況，且土壤的電阻率會對檢測結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)（P/S）

P/S 檢測技術(shù)主要是針對陰極保護(hù)有效性的檢測方法。通常在長輸管道沿線，每隔一定的距離，均有陰極保護(hù)測試樁。使用硫酸銅參比電極和萬用表可測量管道和大地間的電位，研究管道沿線電位的變化分布狀況，可檢測判定管段的陰極保護(hù)有效性。通常采用直接測量通電電位和進(jìn)行管道通/斷電電位兩種電位測量方式。采用通/斷電電位，可以確定土壤的IR 降，采用通電電位測量，則操作簡單方便，且根據(jù)管道沿線通電電位的變化情況，能夠評定管道陰極保護(hù)的有效性和防腐層情況。雖然這兩種方式都可以評價管道陰極的保護(hù)效果，但是直接測量通電的電位變化，更適合應(yīng)用于管道的日常監(jiān)測和管理工作。

P/S 檢測技術(shù)能夠有效評估防腐層的質(zhì)量和管道陰極保護(hù)的有效性，且檢測速度快；但不能準(zhǔn)確定位管道防腐層的缺陷位置，以及破損點(diǎn)的尺寸參數(shù)，只能進(jìn)行大概評價和用于日常監(jiān)測工作。

3.5 密間隔電位測試法（CIPS/CIS）

密間隔電位測試法與標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)（P/S）的原理相似，經(jīng)常用于管道陰極保護(hù)的有效性檢測。原理是沿著管道上方地面，以較小的固定間距，測量管道和大地間的電位變化，通過檢測管地通斷電位的變化，分析判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性。

這種方法可以間接測量防腐層的破損點(diǎn)位置，評估防腐層的完整性，但方法對操作者經(jīng)驗(yàn)的依賴性強(qiáng)，檢測速度慢，容易受到外部因素的干擾，易對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

3.6 其他地面管道非開挖檢測技術(shù)

近年來，隨著油氣長輸管道非開挖地面檢測技術(shù)的發(fā)展，瞬變電磁技術(shù)（TEM）、超聲導(dǎo)波技術(shù)、磁應(yīng)力檢測技術(shù)（MTM）、NoPig[6]等檢測技術(shù)，在特定管道的檢測方面，也擁有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

TEM 技術(shù)無需清管即可獲得管道的平均壁厚及金屬損失量等信息，但無法檢出點(diǎn)缺陷和缺陷面積，主要應(yīng)用于埋深較淺的油田集輸管道。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)能夠定位整個管道的缺陷及各焊縫的位置信息，但是無法準(zhǔn)確獲得缺陷的尺寸參數(shù)，主要應(yīng)用于站場管道，在金屬套管穿越管段也有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。MTM 檢測技術(shù)基于金屬磁記憶效應(yīng)，可以檢測管道的金屬損失和應(yīng)力集中缺陷，但是容易受到外界電磁場的干擾。

總之，上述幾種檢測技術(shù)均能適用于在役管道的非開挖外檢測，不影響管道的安全運(yùn)行，而且操作簡單，適合局部管段的快速檢測。但是對于長輸管道，整體的檢測效率不高，檢測精度低，只能判別缺陷相對嚴(yán)重的管段，檢測技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。

4 管道檢測技術(shù)應(yīng)用中存在的問題和發(fā)展趨勢

4.1 內(nèi)檢測技術(shù)存在的問題

目前我國油氣長輸管道的內(nèi)檢測技術(shù)雖然有了快速提高，但仍存在一些技術(shù)問題：①各種內(nèi)檢測器對于缺陷類型的描述、判斷均存在不足；②我國油氣長輸管道主要是跨越戈壁沙漠或特殊的地質(zhì)環(huán)境，溫度和壓力的變化會影響檢測器的檢測精度，不可避免地導(dǎo)致檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差，甚至損傷檢測器；③對于檢測結(jié)果的分析不一致，更多的要依賴檢測人員的經(jīng)驗(yàn)性判斷；④目前的檢測診斷和分析只是在二維角度，還沒有三維層面的檢測分析，不能直觀地觀察缺陷的類型。

4.2 外檢測技術(shù)存在的問題

對管道實(shí)行外檢測，能夠檢測防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，評價其有效性，為實(shí)現(xiàn)周期性外檢測提供數(shù)據(jù)支撐。目前管道外檢測技術(shù)的種類很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。管道外檢測技術(shù)也存在一些問題：①單一檢測技術(shù)具有局限性，建議在實(shí)際檢測中，將各外檢測方法配合使用，以獲得可靠的外檢測結(jié)果；②含套管或者不具備外檢測條件的實(shí)際穿越管段，由于檢測人員無法接近，不能直接進(jìn)行外檢測和開挖檢查；③存在雜散電流干擾的管段，對各種基于電磁檢測技術(shù)的檢測設(shè)備的干擾性較強(qiáng)，會影響檢測精度；④存在防腐層破損或者剝離的管段，由于陰極保護(hù)電流的保護(hù)效果良好，部分外檢測技術(shù)無法實(shí)施?？傊谔厥馇闆r下，上述問題都是管道外檢測技術(shù)亟待解決的重點(diǎn)問題。

4.3 管道內(nèi)外檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

1）為了保障油氣長輸管道的安全運(yùn)行，需要定期開展內(nèi)檢測和外腐蝕檢測，因此需要研發(fā)內(nèi)外組合式檢測設(shè)備，以及能適應(yīng)多種環(huán)境條件的多功能檢測設(shè)備；

2）開發(fā)能夠用三維圖像直觀顯示管道缺陷狀況的檢測設(shè)備，以便更直觀地分析缺陷的尺寸參數(shù)；

3）提高內(nèi)檢測器的探頭和傳感器的檢測質(zhì)量，研發(fā)高精度的智能檢測器；

4）開展裂紋型和針孔腐蝕缺陷的檢測器和檢測技術(shù)的研究；

5）對內(nèi)外檢測技術(shù)的檢測步驟和檢測結(jié)果的分析方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，編制行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成統(tǒng)一和公認(rèn)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

隨著我國對石油天然氣消費(fèi)需求的增加，國家加大了對油氣長輸管道的安全監(jiān)管力度。盡早發(fā)現(xiàn)并修復(fù)管體和管道防腐層缺陷，保障管道的完整性和安全運(yùn)行極其重要。管道內(nèi)外檢測是管道完整性評價的基礎(chǔ)和前提，是保障管道安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。管道的外檢測技術(shù)主要檢測管道沿線雜散電流的干擾情況、外防腐層的完整性和陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性；內(nèi)檢測技術(shù)是對管體的金屬損失、氣孔、夾渣等應(yīng)力腐蝕缺陷以及環(huán)焊縫的異常情況進(jìn)行檢測，都具有針對性。油氣管道檢測公司應(yīng)根據(jù)待檢測管道的實(shí)際情況，采取多種內(nèi)、外檢測技術(shù)聯(lián)合檢測，從而獲得更加精確、全面、完善的檢測數(shù)據(jù)，為后期管道的周期性檢測和維護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。