油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)研究進(jìn)展

邱光友，王雪

(中國石油西南管道德宏輸油氣分公司，云南 德宏 678400)

管道完整性評價是管道完整性管理的核心內(nèi)容之一，管道完整性評價目前主要有三種方式： 內(nèi)檢測評價法、直接評價法、壓力試驗法。QSY 1180.4—2009《管道完整性管理規(guī)范第4部分： 管道完整性評價導(dǎo)則》中規(guī)定： 內(nèi)檢測評價技術(shù)應(yīng)作為首選的檢測評價手段。

管道在線內(nèi)檢測技術(shù)是將無損檢測技術(shù)和清管設(shè)備結(jié)合在一起，將原來只用于清蠟掃線的非智能清管器改為集信息采集、處理、存儲等功能于一體的智能型管道缺陷檢測器，通過發(fā)球筒施加一定的壓力，使清管器在管道內(nèi)運(yùn)動，進(jìn)而達(dá)到檢測管道缺陷的目的。該技術(shù)可以在不停產(chǎn)、不卸壓、不卸料的前提下實施，可以有針對性地檢測出管道在制造(軋制)、運(yùn)輸、焊接、運(yùn)行等過程中存在的缺陷： 如焊接過程中出現(xiàn)的夾雜、氣孔、未焊透、層間未熔合、過度打磨等缺陷；運(yùn)行過程中出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕、氫鼓泡、氫致開裂、應(yīng)力疲勞等缺陷。內(nèi)檢測技術(shù)的應(yīng)用為管道事故的預(yù)防和合理維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，對保證管道安全運(yùn)行具有重要作用。目前油氣管道內(nèi)檢測應(yīng)用較為廣泛的有漏磁檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)和幾何檢測技術(shù)等[1-2]。

1 內(nèi)檢測技術(shù)

1.1 漏磁檢測技術(shù)

漏磁檢測技術(shù)屬于間接測量，基本原理是通過對管壁施加一個強(qiáng)磁場檢測金屬表面磁場的泄漏強(qiáng)度的大小。正常情況下，若管道表面光滑且沒有其他殘余雜質(zhì)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，磁通全部通過管體，不會產(chǎn)生磁場泄漏；反之，若存在缺陷，有小部分磁通會離開管體的上、下表面，通過空氣繞過缺陷，造成缺陷處的磁通阻力加大，導(dǎo)致缺陷附近的磁場發(fā)生變形，該部分漏磁信號經(jīng)過濾波器、放大器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器處理后被記錄到存儲器中，內(nèi)檢測完成后再利用專業(yè)的軟件處理和分析數(shù)據(jù)。為了保證漏磁檢測器在管道內(nèi)順利通行，一般把整個裝置分成幾節(jié)，每節(jié)之間采用撓性軟管連接，以便通過彎頭及變徑處，檢測器整體可耐壓10～15 MPa。

利用漏磁檢測技術(shù)可以檢測管道的各種缺陷，如管道裂紋、管壁腐蝕造成的減薄等。漏磁檢測法具有技術(shù)簡單、操作方便、費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，對于不同的流體介質(zhì)(油、氣或氣液混輸)都能檢測，無需耦合劑；缺點(diǎn)是檢測精確度低，對管線材質(zhì)較為敏感，只能檢測管道表面和近表面，不能有效檢測厚管壁管道(一般只適用于12 mm以下的管道)。同時，由于干擾管壁磁化的因素較多，檢測數(shù)據(jù)的信息量較大，因此對硬件要求較高；管道中存在的污垢、殘渣等雜質(zhì)，對漏磁檢測器的檢測結(jié)果影響較大。目前漏磁檢測器有一般分辨率漏磁檢測器(軸向)、高清分辨率漏磁檢測器(軸向)、橫向漏磁檢測器(環(huán)向)3種。

1)一般分辨率漏磁檢測器。該類檢測器的電子探頭和通道數(shù)量較少，一般少于80個通道，檢測精度很大程度上受傳感器尺寸的束縛，檢測精度不高，只對孔眼、裂紋等微小的金相金屬腐蝕檢測精度較高，對于軸線排列金屬缺陷的檢測經(jīng)常出現(xiàn)誤報。

2)高清分辨率漏磁檢測器。其電子探頭和通道比一般分辨率檢測器多，一般不小于200個通道，可以檢測面積狀、體積狀的腐蝕缺陷，但是點(diǎn)蝕或幾何形狀復(fù)雜的缺陷區(qū)域，檢測精度會大幅降低。同時，對于軸向排列金屬缺陷的檢測也經(jīng)常出現(xiàn)誤報，如果檢測速度過高，會降低檢測的精度。

3)橫向漏磁檢測器。對軸向排列金屬缺陷的檢測較前兩種更為敏感、精確，但對于環(huán)向排列金屬缺陷的檢測不如前兩種敏感、精確；對于大多數(shù)點(diǎn)狀、面狀、體積狀的腐蝕缺陷，檢測精度要低于高清分辨率漏磁檢測器。

田野等[3]利用漏磁檢測和Ansys有限元分析軟件對管徑121.9 cm、壁厚1.84 cm的長輸管道環(huán)焊縫進(jìn)行了缺陷驗證，通過建模的方式對漏磁檢測出的缺陷長度、寬度、深度進(jìn)行了量化，得到缺陷長度和寬度尺寸與軸向漏磁檢測的峰谷間距成正比，缺陷深度尺寸與軸向漏磁檢測的峰谷值和長寬比成正比。

由于單一的信號分量無法滿足現(xiàn)場實際需求，近年來，三軸高清漏磁檢測技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)，GE-PII公司研制的Magne Scan SHR將3個方向的傳感器封裝在一起，可以分別對管道軸向(平行于管道中心線)、徑向(沿管道半徑方向)、周向(沿管道圓周)的漏磁信號進(jìn)行檢測。該技術(shù)在中石油東北管網(wǎng)應(yīng)用后，對螺旋焊縫缺陷的檢出率大于90%，定位精度不超過±15%，經(jīng)開挖驗證后，符合率達(dá)到100%。

1.2 超聲波檢測技術(shù)

1.2.1 超聲波檢測技術(shù)測量原理及特點(diǎn)

超聲波檢測技術(shù)屬于直接測量，基本原理是利用超聲波可以在金屬表面?zhèn)鞑ゲl(fā)生反射的特點(diǎn)，由內(nèi)檢測器的探頭發(fā)出超聲波信號，信號經(jīng)管道內(nèi)、外表面反射后，再次被探頭捕捉到，將內(nèi)、外表面2組超聲波傳播時間差乘以聲速，可得到管道的實際壁厚，該方法較適合檢查管體裂紋。超聲波檢測能可靠地檢測到母材及縱向焊接區(qū)，甚至可檢測出某些凹陷長度3 cm的裂紋缺陷，可靠性較強(qiáng)；缺點(diǎn)是超聲波需要液體耦合劑，必須依靠液體作為傳導(dǎo)介質(zhì)。超聲波檢測技術(shù)不適用于輸氣管道的內(nèi)檢測；同時，超聲波容易被蠟質(zhì)和瀝青質(zhì)吸收能量造成衰減，對于結(jié)蠟嚴(yán)重的管道同樣不適用。目前超聲波檢測器有直波檢測器和橫波檢測器兩種：

1)超聲直波檢測器。需用液體耦合劑保證其工作性能，對于山地、丘陵等地形復(fù)雜的區(qū)域，或者彎頭、變徑處容易出現(xiàn)信號缺失的地方，無法對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確檢測；同樣，該檢測器也不適用于檢測結(jié)蠟嚴(yán)重的原油或成品油管道。

2)超聲橫波檢測器。需用液體耦合劑或輪耦合系統(tǒng)保證其工作性能，檢測器中探頭和通道的數(shù)量決定了對缺陷尺寸的檢測精度；同樣，當(dāng)管道內(nèi)部存有雜質(zhì)時，該檢測器的檢測精度也會受到影響，甚至出現(xiàn)誤判。

沙勝義等[4]利用超聲波內(nèi)檢測技術(shù)對某輸油管道環(huán)焊縫的缺陷進(jìn)行檢測，并通過多次室內(nèi)牽引試驗和現(xiàn)場開挖驗證，證明超聲波檢測技術(shù)可以較好地檢測出平面型缺陷；同時，可以排除體積型缺陷的影響因素，可與漏磁內(nèi)檢測技術(shù)互補(bǔ)，更好地檢測多種缺陷類型。

1.2.2 超聲波檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

伴隨著壓電復(fù)合材料、電子信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的快速發(fā)展，逐步解決了超聲波干擾回波修正、晶片增益修正、入射點(diǎn)漂移、能量分布不均等問題。近年來衍生出了超聲衍射時差(TOFD)、超聲相控陣以及電磁超聲檢測等技術(shù)，其中TOFD和超聲相控陣檢測技術(shù)的發(fā)展相對還不夠成熟，檢測設(shè)備昂貴，檢測手段和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不齊全，只有中國特檢院及相關(guān)重點(diǎn)實驗室配備，且都擔(dān)負(fù)著國內(nèi)重點(diǎn)項目的研究工作，只停留在室內(nèi)試驗階段。

電磁超聲檢測技術(shù)與常規(guī)的壓電超聲技術(shù)相比，在測試過程中無需添加耦合劑，且無需對管道進(jìn)行表面處理，在線圈中通過20～2×107Hz的超聲波頻率交流電，由于電磁效應(yīng)，被測管體中會產(chǎn)生渦流電流，從而引起管體的局部震動，管體局部幾何形狀發(fā)生微小變形，形成伸縮效應(yīng)，同時運(yùn)動電荷受洛倫茲力的影響，幾種耦合效應(yīng)并存條件下，管道缺陷表面激發(fā)回超聲波，回波信號被探頭檢測到，并以小波變換的過濾方式從信號中剝離出有用信息。電磁超聲需要在高壓下(一般要300～500 V)進(jìn)行，同時能量轉(zhuǎn)換率也較低。德國的AG公司基于電磁超聲原理研制的LineExplorer 3TM-tool，除了可以發(fā)射和接收傳統(tǒng)的超聲波信號外，還可以產(chǎn)生電磁超聲信號，可對不同管徑的液體和氣體管道進(jìn)行綜合檢測，提高了缺陷類型和尺寸的檢測精度。

1.3 渦流檢測技術(shù)

渦流檢測技術(shù)也屬于間接檢測，主要是將正弦交變電流線圈靠近被測管道，通過產(chǎn)生的交變磁場在管壁中產(chǎn)生渦流，如果存在金屬損失或裂紋等缺陷，渦流的大小、相位角和流場形式都會發(fā)生改變，從而耦合阻抗發(fā)生改變，通過專業(yè)軟件分析后得到被測管道的缺陷情況。

遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)是渦流檢測技術(shù)的重要分支，最早由荷蘭殼牌公司用于外徑17.8～20.3 cm、壁厚0.95～1.27 cm的直井套管缺陷檢測，隨后迅速在石油、石化、鋼鐵、冶金等行業(yè)推廣應(yīng)用?；驹恚?在檢測器中放置2個相距2～3倍管徑的激勵線圈和檢測線圈，其中激勵線圈通入低頻率交流電信號，檢測線圈在遠(yuǎn)場區(qū)接收到2次穿過管壁的能量流信號，可以較高的靈敏度檢測管道內(nèi)、外表面的缺陷以及壁厚減薄等信息，不足之處是渦流對于鐵磁性強(qiáng)的金屬構(gòu)件(主要是厚壁管材)穿透力很弱，只能用來檢測材料內(nèi)壁表面及近表面的缺陷和壁厚減薄情況。當(dāng)流體介質(zhì)在材料表面形成了Fe2O3和Fe3O4等強(qiáng)磁性垢層或磁性氧化物，就會形成大量的假數(shù)據(jù)，并且該技術(shù)對裂紋型缺陷的檢測精度較差。

目前，市場占有率較大的遠(yuǎn)場渦流內(nèi)檢測器為Russell公司的See Snake，通過分析不同內(nèi)檢測速度對應(yīng)的波形曲線，得到對應(yīng)位置的缺陷類型。

張偉等[5]將遠(yuǎn)場渦流技術(shù)與Ansys有限元分析有機(jī)地結(jié)合，對管道彎頭處的缺陷進(jìn)行了量化，得到渦流測量的電壓相位值與彎頭深度缺陷成近似反比，可用于量化缺陷深度等信息。

1.4 幾何變形檢測技術(shù)

幾何變形檢測技術(shù)多用于大型穿跨或跨越管道的檢測，該類管道通常位于河流、湖泊、鐵路、公路、村莊、農(nóng)田等高后果區(qū)內(nèi)，造成幾何變形的原因一般是施工損傷、第三方損壞或者由于占壓造成的不均勻沉降[6-7]。該類檢測器基于電磁感應(yīng)原理，檢測器外側(cè)有一定數(shù)量排列規(guī)則的機(jī)械抓手或架子，檢測器在管道內(nèi)部行進(jìn)的過程中，機(jī)械抓手與管壁產(chǎn)生摩擦，這時內(nèi)壁的凹坑、橢圓度、內(nèi)徑等一系列數(shù)據(jù)的變化被記錄到存儲設(shè)備中，經(jīng)過專業(yè)軟件數(shù)據(jù)處理后，可確定管道缺陷。目前市場上通用的幾何變形檢測器可用于D10～D150的管徑[8]，在置信度為90%時，靈敏度為管徑的0.5%～1.0%，精度為0.1%～1.0%，尤其適用于環(huán)焊縫處的褶皺和凹陷變形。

歐陽熙等[9]設(shè)計了一種新型的幾何變形檢測器，該檢測器采用鈦合金作為機(jī)械載體材料，最大程度地減輕了設(shè)備質(zhì)量，采用高分子聚氨酯作為密封皮碗與檢測皮碗的材料，具有良好的彈性、可壓縮性及抗老化性；充分吸收了油管線和氣管線常用的皮碗結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)，對密封支撐皮碗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計，把油管道常用的蝶形皮碗第一道腰線角度開大，同時在腰線部位以上仿制成氣管線常用的半球形皮碗，加大了與管壁的摩擦力，可同時適用于氣液管線。在中緬管道上實施后，成功采集了大量的管道變形信息，尤其是穿跨或跨越管段，為管道更換提供了有利的技術(shù)支撐。

1.5 復(fù)合檢測技術(shù)

目前，管道可檢測的缺陷類型主要包括： 金屬損失(腐蝕壁厚減薄、劃傷)，裂紋(疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋)，變形(幾何變形、橢圓度、凹陷)。由于每種內(nèi)檢測器對單一缺陷類型的檢測都具有自身的優(yōu)勢，因此可以將不同的無損檢測技術(shù)進(jìn)行耦合，通過綜合應(yīng)用，可提高檢測技術(shù)的性能。

1.6 陰極保護(hù)檢測技術(shù)

目前，陰極保護(hù)檢測主要采用多頻管中電流法，但該方法對穿跨越管線定位精度較差，同時對水下陰極保護(hù)的檢測具有一定局限性。美國Baker Hughes公司研制了一種陰極保護(hù)內(nèi)檢測器，該檢測器可以通過陰極保護(hù)電流流回電源中形成的壓降，清晰地記錄管中陰極保護(hù)電流的大小和流向，了解管道不同位置的電流分布情況，判斷出外腐蝕管道的位置，有效地解決了公路、河流、沼澤、盆地等穿跨越區(qū)域的檢測。

1.7 無法清管的內(nèi)檢測技術(shù)

對于沒有收/發(fā)球裝置、管道內(nèi)部積液、固體雜質(zhì)過多、變徑處過多等情況下無法進(jìn)行清管的作業(yè)油氣管道，內(nèi)檢測通常需要在清管器清管、測徑器測徑后再進(jìn)行。Pure公司開發(fā)的靈敏球(Smart-ball)技術(shù)可以對無法清管的管道實施內(nèi)檢測，該裝置是在聚氨酯塑料外套中插裝鋁制芯，包括多個傳感器和聲波采集裝置，可以檢測最小0.1 L/min的泄漏尺寸，但由于功耗的限制，需要連接電纜，因此適合集輸管道的內(nèi)檢測，但不適合長輸管道的內(nèi)檢測。

2 內(nèi)檢測的性能和適用范圍

漏磁內(nèi)檢測對腐蝕缺陷的識別度較高，但對厚壁管道的檢測能力不足，且需要永久的磁場飽和度，這些因素降低了對缺陷輪廓的識別和裂紋缺陷的檢測能力。

超聲波內(nèi)檢測具有較高的靈敏度，更適合檢測裂紋型缺陷，但在檢測過程中需要耦合劑，并且對管輸流量具有一定限制；電磁超聲內(nèi)檢測具有超聲波內(nèi)檢測的全部優(yōu)點(diǎn)，但換能器效率較低，傳感器耗能過高，今后可對裝置能耗進(jìn)行優(yōu)化以滿足檢測需求。

渦流檢測主要適用于內(nèi)表面裂紋的檢測，并可以對裂紋缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位，遠(yuǎn)程渦流技術(shù)可與其他的流場分析軟件相結(jié)合，對特定部位的缺陷進(jìn)行量化分析，是今后發(fā)展的一個趨勢。

復(fù)合內(nèi)檢測技術(shù)結(jié)合了多種內(nèi)檢測原理和技術(shù)，可根據(jù)不同缺陷類型的特點(diǎn)進(jìn)行定制開發(fā)，但該方法由于成本較高，目前只停留于室內(nèi)試驗階段。

靈敏球是一種新型的無損檢測技術(shù)，主要適用于一些無法清管作業(yè)的老舊管道，靈敏球可以結(jié)合其他成熟的無損檢測技術(shù)，實現(xiàn)功能擴(kuò)展，可用于今后的各項工程中。

文獻(xiàn)[10]針對4種不同檢測技術(shù)的檢測最小尺寸、軸向采樣間距、定位精度、最小速度、最大速度、適用工況以及檢測成本等進(jìn)行了總結(jié)，具體見表1所列。

表1 檢測技術(shù)的性能和適用范圍

3 內(nèi)檢測技術(shù)存在的問題和選用原則

3.1 內(nèi)檢測技術(shù)存在的問題

綜上所述，內(nèi)檢測技術(shù)存在如下問題：

1)所有的內(nèi)檢測器對于缺陷類型的判斷、定位和描述尚有不足，且相同的檢測技術(shù)在不同的時間檢測，檢測結(jié)果出入較大。

2)很多油氣管道在沙漠、戈壁、高寒等特殊環(huán)境條件下服役，高溫、高壓及環(huán)境條件的變化對內(nèi)檢測器的運(yùn)行有較大影響，甚至?xí)p壞內(nèi)檢測器。

3)對檢測結(jié)果的分析方法不一致，對分析人員的經(jīng)驗依賴性較大。

4)缺少對缺陷進(jìn)行三維視角的分析和診斷方法。

3.2 內(nèi)檢測器的選用原則

在內(nèi)檢測器的選擇上，要綜合考慮內(nèi)檢測器的各項指標(biāo)，包括： 檢測靈敏度、可檢出的缺陷類型、檢測精度、里程定位精度等，為了更好地選擇內(nèi)檢測器，應(yīng)該注意以下原則：

1)檢測靈敏度。所選的內(nèi)檢測器能檢測的最小缺陷尺寸應(yīng)能滿足相應(yīng)被檢測缺陷的尺寸。

2)缺陷類別。應(yīng)能盡可能多地識別不同的缺陷類型。

3)定位。定位應(yīng)準(zhǔn)確，方便下一步開挖驗證和修復(fù)。

4)缺陷尺寸。對于缺陷的長度、寬度和深度應(yīng)檢測準(zhǔn)確，便于采取不同的修復(fù)處理技術(shù)。

4 結(jié)束語

目前中國油氣管道內(nèi)檢測主要針對環(huán)焊縫、幾何變形以及壁厚減薄等方面的缺陷進(jìn)行檢測，而對腐蝕(應(yīng)力腐蝕、氫致開裂等)、裂紋(疲勞裂紋、周向裂紋等)、應(yīng)力集中等方面的檢測還存在很多不足，且國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)無統(tǒng)一的參數(shù)和性能指標(biāo)，檢測結(jié)果依賴于操作人員的經(jīng)驗，今后內(nèi)檢測的發(fā)展趨勢應(yīng)包括以下幾方面的內(nèi)容：

1)應(yīng)針對內(nèi)檢測器的缺陷類型、檢測閾值、尺寸精度和定位精度等進(jìn)行開發(fā)和完善，同時應(yīng)建立專門的場地對檢測器進(jìn)行牽拉試驗，以便測定不同牽拉速度下檢測器信號的衰減情況，對缺陷進(jìn)行定量和定性的研究。

2)將多種檢測技術(shù)有效融合，開發(fā)出適合不同環(huán)境和工況下的內(nèi)檢測設(shè)備。

3)對檢測內(nèi)容、檢測步驟和分析方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，編制行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，形成統(tǒng)一認(rèn)可的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

4)提高內(nèi)檢測器中探頭和傳感器的質(zhì)量，并對能耗進(jìn)行優(yōu)化，形成低功耗、高質(zhì)量的內(nèi)檢測技術(shù)。

5)著重開發(fā)功能多樣化、規(guī)格統(tǒng)一化、裝備撬裝化、設(shè)備智能化、數(shù)據(jù)歸一化的內(nèi)檢測器。