一種用于長輸油氣埋地管道外檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

諸海博，張 軍，宋華東，袁 峰，王松亭，常 偉，張文強(qiáng)，何 方

(國機(jī)傳感科技有限公司，遼寧沈陽 110043)

0 引言

長輸油氣管道是工業(yè)輸送石油、天然氣、水和其他重要資源的載體之一，是國家能源的“大動脈”，有著重要的戰(zhàn)略意義[1-2]。截止目前，全球現(xiàn)役油氣管道約3 800條。

通常情況下，管道在鋪設(shè)時(shí)外壁均帶有防腐層，回填后施加陰極保護(hù)系統(tǒng)。由于管道長期處于埋地狀態(tài)，其自身防腐層易被土壤環(huán)境所影響，導(dǎo)致防腐層破損、剝離等現(xiàn)象[3]，這就會造成管道自身的腐蝕。由此可知，管道防腐層的破損對埋地管道的安全運(yùn)營有著重大的安全隱患，所以檢測并評價(jià)埋地管道防腐層狀態(tài)具有重要意義[4]。

目前檢測埋地管道防腐層有2種技術(shù)，一種是交流電壓梯度技術(shù)，另一種是直流電壓梯度技術(shù)[5]。這些技術(shù)均有各自的特點(diǎn)，但由于其單一的檢測方式獲得的管道數(shù)據(jù)不全面[6]。所以現(xiàn)尋求一種新的檢測技術(shù)將各種檢測數(shù)據(jù)融合、對齊，增加數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，更好地評價(jià)管道的安全程度。

本文介紹了一種埋地管道綜合外檢測系統(tǒng)HB-XLI，該系統(tǒng)由探管儀、GPS定位、檢測探仗、多功能綜合采集器、聲吶系統(tǒng)、手持平板構(gòu)成。通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，并將數(shù)據(jù)與現(xiàn)有檢測方式的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1 綜合外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合外檢測系統(tǒng)HB-XLI包括探管儀、檢測探仗、多功能綜合采集器、手持平板、GPS定位、聲吶系統(tǒng)等。綜合外檢測系統(tǒng)HB-XLI如圖1所示。

圖1 綜合外檢測系統(tǒng)框圖

1.1 探管儀

探管儀如圖2所示，探管儀(包括接收機(jī)與發(fā)射機(jī))工作原理：對目標(biāo)管道施加一個(gè)定頻的交流信號，激勵(lì)信號自發(fā)射點(diǎn)開始沿著管道傳播(管中電流信號強(qiáng)度將隨著管道距離的增加而衰減)，電流流經(jīng)管道時(shí)，在管道周圍產(chǎn)生磁場，利用接收機(jī)在管道上方可檢測到激勵(lì)信號的強(qiáng)度。本文研制的探管儀包括128 Hz、640 Hz、1 280 Hz 3個(gè)主動信號和50 Hz、100 Hz2個(gè)被動信號，可更好地檢測管道路徑。

圖2 探管儀

1.2 檢測探仗

檢測探仗如圖3所示。檢測探仗主要用來檢測埋地管道在防腐層破損時(shí)泄漏出的交流電壓梯度(ACVG)與直流電壓梯度(DCVG)。目前，該檢測探仗采用輕便的碳纖維材料制作，采用飽和硫酸銅溶液作為探針，該探仗可同時(shí)采集埋地管道ACVG與DCVG/CIPS的信號[7]，并根據(jù)后續(xù)的信號處理來區(qū)分2種信號的特性。

圖3 檢測探仗

1.3 多功能綜合采集器

多功能綜合采集器如圖4所示。多功能綜合采集器主要功能是在同一時(shí)間、同一檢測點(diǎn)收集各設(shè)備的檢測信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。其包括藍(lán)牙通信、RS422串口通信、WiFi通信、A/D采集等通信模塊，同時(shí)也包括控制核心系統(tǒng)、存儲單元、電池管理模塊等。多功能綜合采集器系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4 多功能綜合采集器

圖5 多功能綜合采集器系統(tǒng)框圖

1.4 其他設(shè)備

聲吶設(shè)備如圖6所示。聲吶設(shè)備主要用于管道跨河時(shí)，探測水面到河床的深度，輔助探管儀對河床下的管道進(jìn)行檢測。

圖6 聲吶設(shè)備

GPS設(shè)備如圖7所示。GPS設(shè)備將采用亞cm級定位系統(tǒng)，其主要用來對檢測點(diǎn)進(jìn)行精確的定位，為未來的開挖驗(yàn)證提供有力的保障，同時(shí)可根據(jù)檢測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)繪制，繪制出管道走向[8]。

圖7 GPS設(shè)備

手持平板如圖8所示。手持平板采用軍用等級，并配有WiFi模塊，可用來與多功能綜合采集器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。其作用是在檢測過程中，多通道綜合采集器接收各設(shè)備的完整信息實(shí)時(shí)傳送給手持平板中，使操作人員更好地獲取管道信息。

圖8 手持平板

2 綜合外檢測設(shè)備試驗(yàn)與數(shù)據(jù)對比

本文研發(fā)的綜合外檢測設(shè)備整機(jī)如圖9所示。為了更好地驗(yàn)證設(shè)備整機(jī)的整體性能，對該設(shè)備進(jìn)行對比試驗(yàn)與分析，將獲取的數(shù)據(jù)與目前市場上主流外檢測設(shè)備(PCMx)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖9 綜合外檢測整機(jī)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

針對外檢測綜合采集系統(tǒng)HB-XLI的測試包括實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與野外環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境主要檢測ACVG、DCVG、CIPS等電信號，檢測信號與PCMx或福祿克F289電壓表進(jìn)行比較。室外環(huán)境主要測試探管儀的埋深，檢測信息與PCMx進(jìn)行比較，并測試各設(shè)備之間的通信情況。

室外試驗(yàn)是采用通電導(dǎo)線代替通電管道，選擇合適的地點(diǎn)進(jìn)行坑土作業(yè)，并埋入一段導(dǎo)線，采取發(fā)射機(jī)直接連接導(dǎo)線終端，并采用PCMx的發(fā)射機(jī)通0.1 A的混頻交流電進(jìn)行測試(所有檢測均以PCMx為準(zhǔn))。

本次實(shí)驗(yàn)室測試主要測量ACVG、DCVG、CIPS的電信號等，采用鹽水模擬土壤環(huán)境，剝落線皮的導(dǎo)線模擬防腐層破損的管道，交流發(fā)射機(jī)發(fā)射0.1 A混頻交流信號，直流電壓源發(fā)射25 V/1.6 A信號。

2.2 探管儀數(shù)據(jù)分析

探管儀主要用來探測管道埋深。通過在試驗(yàn)環(huán)境中使用探管儀與PCMx設(shè)備測試的對比結(jié)果如表1所示。

表1 埋深對比 m

2.3 ACVG數(shù)據(jù)分析

ACVG代表交流電壓梯度，其在實(shí)際測量中可精確定位防腐層破損位置，并對防腐層的破損程度有一定的指導(dǎo)作用[9]。本次試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，其環(huán)境如圖10、圖11所示，測試結(jié)果對比如表2所示。

圖10 測試現(xiàn)場

圖11 ACVG數(shù)據(jù)對比

表2 ACVG數(shù)據(jù)對比 dB

2.4 DCVG/CIPS數(shù)據(jù)分析

DCVG代表直流電壓梯度，其在實(shí)際測量中可精確定位防腐層破損位置，并對防腐層的破損程度有一定的指導(dǎo)作用。

CIPS主要測量管道的陰極保護(hù)電位，通過測得的直流電信號判斷出目標(biāo)管道的陰極保護(hù)電位是否達(dá)標(biāo)[10]。

本次試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，其環(huán)境如圖10所示，測試結(jié)果如圖12所示，其測試結(jié)果對比見表3、表4。

圖12 DCVG/CIPS數(shù)據(jù)對比

表3 CIPS數(shù)據(jù)對比 V

表4 DCVG數(shù)據(jù)對比 V

2.5 室外整機(jī)設(shè)備通信測試

通信測試主要測試綜合外檢測設(shè)備的有線通信與無線通信狀態(tài)(5 m范圍內(nèi))，其檢測結(jié)果見表5。

表5 設(shè)備通信情況

2.6 軟件開發(fā)及應(yīng)用

管道綜合外檢測上位機(jī)軟件是一款基于windows平臺的工業(yè)數(shù)據(jù)測量軟件，它充分利用windows平臺穩(wěn)定、開放、高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)勢，以簡單、易于使用為目標(biāo)，創(chuàng)新性地將服務(wù)器、客戶端模式搭建在無線通訊的TCP/IP架構(gòu)協(xié)議上，不僅具有高速穩(wěn)定的通訊速度，還具備無線通訊的快捷與方便。軟件采用充分優(yōu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有數(shù)據(jù)管理、分享、備份功能。

本軟件是針對HB-XLI管道綜合外檢測系統(tǒng)研發(fā)的集測量、控制，數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析為一體的綜合性軟件；與管道外檢測采集器、聲吶系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、探管儀等組成專業(yè)的管道數(shù)據(jù)采集的檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)界面如圖13～圖16所示。

圖13 數(shù)據(jù)顯示界面

圖14 數(shù)據(jù)曲線顯示界面

圖15 文件存儲界面

圖16 參數(shù)設(shè)置界面

3 結(jié)束語

本文研發(fā)的長輸油氣埋地管道綜合外檢測檢測器設(shè)備HB-XLI，包括探管儀、檢測探仗、多功能綜合采集器、手持平板、GPS定位、聲吶系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與室外環(huán)境的試驗(yàn)，與市場主流設(shè)備的對比，驗(yàn)證了該設(shè)備的功能性，并得到以下結(jié)論：綜合外檢測設(shè)備檢測數(shù)據(jù)在模擬管道環(huán)境下與現(xiàn)有市場主流設(shè)備保持一致；由于現(xiàn)場條件限制，本次試驗(yàn)均為模擬管道環(huán)境試驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)較少，還需進(jìn)行大量的現(xiàn)場試驗(yàn)。