長(zhǎng)慶油田小口徑管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人研究與應(yīng)用

張志浩 孫銀娟 楊濤 王潛忠 孫芳萍 羅慧娟

西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司

因?yàn)楣艿罁p壞造成的石油、天然氣泄漏或爆炸事故具有危害性大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和不易治理等特點(diǎn)，所以對(duì)管道進(jìn)行定向檢測(cè)和維護(hù)是十分重要的[1-4]，我國(guó)的渦流檢測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用始于20世紀(jì) 60 年代[5]。管道運(yùn)行過(guò)程中為了確保正常工作，避免發(fā)生事故和不必要的資源浪費(fèi)，需要對(duì)管道實(shí)現(xiàn)損壞排查和維護(hù)。如果對(duì)所有管道進(jìn)行普遍排查和維護(hù)，不僅浪費(fèi)資源而且效率不高，所以研發(fā)必要的管道檢測(cè)機(jī)器對(duì)管道實(shí)現(xiàn)定向的在線(xiàn)監(jiān)控十分重要。在世界范圍內(nèi)，管道的內(nèi)檢測(cè)以無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(Non-destructive Testing,NDT)為主[6-7]，但大部分內(nèi)檢測(cè)技術(shù)適用于DN200 mm或DN500 mm以上管線(xiàn)。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，管道的檢測(cè)逐漸形成以射線(xiàn)、超聲波、磁粉、滲透、渦流為主的五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)體系[8-10]。本研究在綜合分析以上技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了適用于長(zhǎng)慶油田CO2驅(qū)等區(qū)域DN100及以下集輸管道的電磁渦流和超聲波2種內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人研制

管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人的研制過(guò)程包括檢測(cè)系統(tǒng)探頭、腐蝕情況檢測(cè)系統(tǒng)、壁厚檢測(cè)系統(tǒng)、采集處理系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、儲(chǔ)存分析系統(tǒng)、里程記錄單元、上位機(jī)成像系統(tǒng)以及整體檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等內(nèi)容，以下主要介紹腐蝕檢測(cè)和壁厚檢測(cè)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容。

1.1 腐蝕情況檢測(cè)系統(tǒng)的研制

1.1.1 電磁渦流腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)DN100電磁渦流內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)的腐蝕缺陷曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1)。當(dāng)某條管道整體腐蝕比較嚴(yán)重時(shí)，體現(xiàn)在腐蝕缺陷曲線(xiàn)圖中則是從一端的焊縫開(kāi)始，曲線(xiàn)出現(xiàn)連續(xù)低凹段直至下一焊縫處，如圖1(a)所示，其縱坐標(biāo)差值即為腐蝕減薄的部分，兩個(gè)焊縫之間的長(zhǎng)度(即橫坐標(biāo)差值)為腐蝕管段的長(zhǎng)度。如果出現(xiàn)裂縫或者孔洞，會(huì)在曲線(xiàn)中間出現(xiàn)一個(gè)向下的跳躍尖峰，如圖1(b)所示，尖峰的峰值就是裂縫或者孔洞的深度，尖峰的寬度就是裂縫或者孔洞的大小。從曲線(xiàn)中向下波動(dòng)的峰的寬度可以判斷管線(xiàn)缺陷形貌，一般較寬的峰為孔洞類(lèi)缺陷，窄而細(xì)的峰為裂縫類(lèi)缺陷。

1.1.2 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)管道內(nèi)腐蝕出現(xiàn)時(shí)壁厚整體減薄的情況時(shí)，測(cè)

試方法參照均勻壁厚檢測(cè)方法。當(dāng)管道內(nèi)出現(xiàn)坑點(diǎn)腐蝕時(shí)，分以下兩種情況判斷管道壁厚減薄情況[11-13]。

(1) 當(dāng)探頭檢測(cè)到內(nèi)壁很淺的小點(diǎn)坑時(shí)(深度

(2) 當(dāng)探頭檢測(cè)到小于探頭聲束面積的內(nèi)壁很深腐蝕點(diǎn)坑(深度>T0/4)時(shí)，即裂紋時(shí)，因點(diǎn)坑處的表面波A′已在B1后(見(jiàn)圖2(b))，需要通過(guò)相位及一些特殊相關(guān)算法，識(shí)別A′、B2的回波，然后計(jì)算管壁厚度，得出管壁裂紋的深度。

1.2 壁厚檢測(cè)系統(tǒng)的研制

1.2.1 電磁渦流檢測(cè)

電磁渦流檢測(cè)技術(shù)發(fā)展至今已從傳統(tǒng)電磁渦流檢測(cè)技術(shù)發(fā)展為多頻渦流檢測(cè)技術(shù)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)和脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)等[14-16]；渦流檢測(cè)信號(hào)的處理技術(shù)結(jié)合著信號(hào)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，由單頻信號(hào)變化分析向阻抗平面分析技術(shù)、差分信號(hào)處理技術(shù)和陣列信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展。本研究的電磁渦流內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人總共有1個(gè)主探測(cè)傳感器和2個(gè)輔助探測(cè)傳感器，如圖3所示。它主要采用內(nèi)插式自感式線(xiàn)圈，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈在一個(gè)繞組上制作，減少了其他模式探頭的偽峰的產(chǎn)生，制作簡(jiǎn)單，模型建立相對(duì)容易，比較適應(yīng)長(zhǎng)慶油田小管道多彎頭的檢測(cè)。主探測(cè)傳感器主要根據(jù)接收到的感生電動(dòng)勢(shì)去判斷管壁的壁厚、腐蝕情況。主探測(cè)傳感器一共采集5條壁厚腐蝕曲線(xiàn)，然后根據(jù)曲線(xiàn)的形狀、特性去判斷曲線(xiàn)類(lèi)型、深度等信息，它的精度可以達(dá)到0.3 mm。輔助探測(cè)傳感器采用2個(gè)相互垂直的探頭，并且都跟主探測(cè)傳感器垂直，每個(gè)輔助探測(cè)傳感器采集3條壁厚腐蝕曲線(xiàn)，分別從不同的角度驗(yàn)證主探測(cè)傳感器測(cè)量的結(jié)果。

1.2.2 超聲波檢測(cè)

如圖4所示，由于均勻腐蝕面積大大超過(guò)探頭的聲束面積，超聲波探頭在腐蝕區(qū)域內(nèi)只接收到腐蝕區(qū)表面波信號(hào)A和底波信號(hào)B?？筛鶕?jù)接收的回波信號(hào)正確地計(jì)算出管道的壁厚值。輸油管道腐蝕部位可能發(fā)生在管壁外表面，也可能在管壁內(nèi)表面。超聲波腐蝕檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)時(shí)，探頭都垂直于管道內(nèi)壁沿軸向方向以速度v前進(jìn)。 在前進(jìn)過(guò)程中不斷發(fā)射超聲波脈沖測(cè)量油程L和厚度T。當(dāng)超聲探頭到達(dá)內(nèi)表面均勻腐蝕部位時(shí)，管壁厚度減少，探頭與內(nèi)管壁間距離增大；當(dāng)探頭前進(jìn)到管壁的外表面缺陷時(shí),管壁厚度減少，但探頭與內(nèi)管壁間距離沒(méi)有變化?？衫肔和T的變化判斷缺陷到底是內(nèi)缺陷還是外缺陷。

1.3 檢測(cè)機(jī)器人功能特點(diǎn)

1.3.1 電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測(cè)機(jī)器人

電磁渦流檢測(cè)機(jī)器人由勻量動(dòng)力水推動(dòng)沿管道行進(jìn)，渦流傳感器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)在管壁形成對(duì)應(yīng)磁力線(xiàn)，當(dāng)管壁存在缺陷時(shí)，磁力線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)畸變，同時(shí)傳感器將畸變信號(hào)記錄下來(lái)。檢測(cè)完成后，從機(jī)器人下載數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行判讀，形成相應(yīng)波形曲線(xiàn)。將管道腐蝕、壁厚減薄甚至盜油孔等隱患進(jìn)行檢測(cè)、定位，為后續(xù)管道的安全使用提供一個(gè)清晰而科學(xué)的判據(jù)。

圖5為電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測(cè)機(jī)器人的樣機(jī)，具體包括傳感器單元、數(shù)據(jù)分析單元、電池單元、里程記錄，該檢測(cè)機(jī)器人，可用于Φ89 mm、Φ114 mm、Φ133 mm管徑的腐蝕檢測(cè)，可以通過(guò)4D彎頭。

1.3.2 超聲波內(nèi)腐蝕檢測(cè)機(jī)器人

超聲波內(nèi)腐蝕檢測(cè)機(jī)器人(見(jiàn)圖6)，同樣依靠勻量動(dòng)力水推動(dòng)沿管道行進(jìn)。在行進(jìn)過(guò)程中，超聲波傳感器不斷發(fā)出超聲波信號(hào)，對(duì)輸油管道進(jìn)行全程檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)確定管壁缺陷數(shù)值，同時(shí)由內(nèi)置的三軸加速度計(jì)傳感器記錄探頭位移數(shù)據(jù)，并確定缺陷在管道上的位置。檢測(cè)完成后，從機(jī)器人下載數(shù)據(jù)，再通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行判讀，形成相應(yīng)波形曲線(xiàn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2018年9月，在長(zhǎng)慶油田選取了長(zhǎng)度為2.97 km，管徑為Φ114 mm，壁厚為4.5 mm的管線(xiàn)進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)用時(shí)6小時(shí)13分，檢測(cè)曲線(xiàn)如圖7所示。結(jié)果顯示，該段管線(xiàn)基本上無(wú)明顯腐蝕，其基本厚度都在4 mm以上，但輕微的坑點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象較為普遍，個(gè)別地方有0.5～1.0 mm的腐蝕坑點(diǎn)。每根管道相互之間的厚度有差別，基本為0.5 mm左右腐蝕，管線(xiàn)的整體壁厚為4.0～4.5 mm。此外，準(zhǔn)確檢測(cè)到了多處由于法蘭或推力制動(dòng)樁等造成的管線(xiàn)壁厚陡然增加信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人的靈敏度和準(zhǔn)確性。

缺陷分析發(fā)現(xiàn)，0～149 m處，焊縫比較明顯，每根管線(xiàn)清晰可見(jiàn)。其中：坐標(biāo)22.3 m處異常，長(zhǎng)度1 m左右，厚度比周?chē)? mm左右，類(lèi)似于法蘭連接，其他地方尚無(wú)明顯缺陷；坐標(biāo)327～608 m處，焊縫比較明顯，每根管線(xiàn)清晰可見(jiàn)；坐標(biāo)338～348 m處異常，長(zhǎng)度10 m左右，類(lèi)似于法蘭連接；坐標(biāo)567～580 m處異常，長(zhǎng)度13 m左右，類(lèi)似于法蘭連接；坐標(biāo)420～431 m處異常，長(zhǎng)度11 m左右，有大致1 mm的腐蝕。

對(duì)坐標(biāo)22.3 m異常處進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此處為管線(xiàn)推力制動(dòng)樁，導(dǎo)致管線(xiàn)壁厚增加，與分析結(jié)果一致。 坐標(biāo)420～431 m處，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖斷管、剖片后，可見(jiàn)管線(xiàn)內(nèi)壁腐蝕點(diǎn)明顯。經(jīng)超聲波測(cè)厚儀測(cè)量，最嚴(yán)重坑點(diǎn)處實(shí)際剩余厚度為3.2 mm，與檢測(cè)分析得出的數(shù)據(jù)基本一致。

運(yùn)用電磁渦流原理完成了2條共6.2 km舊管道的內(nèi)腐蝕檢測(cè)任務(wù)，完整獲取了管道電磁渦流的波形曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕狀況及缺陷信息；檢測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證比對(duì)，管道實(shí)際腐蝕狀況與曲線(xiàn)波形判斷吻合，驗(yàn)證了電磁渦流技術(shù)在管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)的可行性。

通過(guò)對(duì)上述2條管線(xiàn)進(jìn)行管道內(nèi)腐蝕缺陷檢測(cè)，基本可以判定被測(cè)管道的腐蝕缺陷情況較為嚴(yán)重，腐蝕缺陷的表現(xiàn)主要為全線(xiàn)大面積坑點(diǎn)腐蝕，其中有3處1級(jí)腐蝕，須立即維修更換，但未發(fā)現(xiàn)穿孔腐蝕；建議使用壽命為3年以上的管道，每年進(jìn)行一次內(nèi)腐蝕檢測(cè)，可預(yù)估管道使用壽命，消除原油泄露安全隱患；進(jìn)行在用管線(xiàn)不停輸狀態(tài)下的內(nèi)腐蝕檢測(cè)試驗(yàn)，推進(jìn)電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測(cè)在輸油管道安全檢查的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電磁渦流信號(hào)和超聲波信號(hào)的研究，研發(fā)了電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測(cè)機(jī)器人，并成功應(yīng)用于管道的腐蝕檢測(cè),同時(shí)完成了超聲波檢測(cè)的可行性方案和超聲波腐蝕檢測(cè)機(jī)器人樣機(jī)的裝配調(diào)試。本研究結(jié)合了渦流技術(shù)和長(zhǎng)慶油田管道現(xiàn)狀，在小型化的基礎(chǔ)上增加了柔性短節(jié)和封水皮碗，在利用水或者原油做動(dòng)力的情況下實(shí)現(xiàn)DN80和DN100管道、多彎頭管道的內(nèi)腐蝕檢測(cè)。檢測(cè)人員可直觀看出每條管道中的缺陷，能快速統(tǒng)計(jì)出管道的使用情況。如果能夠每年檢測(cè)一次，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比，就可以判斷出管線(xiàn)的腐蝕速率和剩余使用年限，對(duì)于管道的安全使用具有指導(dǎo)意義。