站場管道檢測方法及應用案例

＊王大朋 趙世佳 程永航 都亮

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

引言

油氣站場管道由于工藝和場地等原因敷設情況復雜，架空管道和埋地管道互相交替敷設于站場內(nèi)導致管道出入土端較多，且管徑大小不一，管道外防腐層大多只能在現(xiàn)場安裝完成后進行，而受到現(xiàn)場實際工況所限，防腐層質(zhì)量不能得到保證?？諝?土壤界面容易導致管道腐蝕，從而使管道運行存在較大的安全隱患。復雜的敷設環(huán)境使管道的安全管理、檢驗檢測和維護改造都帶來巨大的困難，尤其是水泥地面下和穿墻、穿路的埋地管道與其它地下金屬管網(wǎng)交叉或并行，開挖檢測困難，埋地距離較短，不能夠滿足常規(guī)的無損檢測條件。同時，后期的施工改造、地面基礎沉降和水位變化等影響，都會加劇防腐層的失效破壞，進而導致管道本體的腐蝕或損傷，引發(fā)事故。大范圍開挖檢測成本高、工期長、效率低，不能滿足生產(chǎn)和管理需求。超聲導波技術(shù)可以檢測架空管段和入土端的埋地管體腐蝕情況，埋地管道外防腐層狀況檢測系統(tǒng)（PCM）可以對埋地管段的外防腐層進行不開挖檢測，兩種方法基本覆蓋了不同敷設方式的站場管道檢測。本文以英國PI公司Teletest Focus系統(tǒng)和英國雷迪公司PCM檢測系統(tǒng)為例討論了兩種檢測方法相結(jié)合對站場管道腐蝕檢測的可行性及操作要求。

1.超聲導波系統(tǒng)

導波檢測系統(tǒng)是通過電腦控制，通過氣壓加壓方式使環(huán)狀傳感器與管道管體表面接觸良好，通過傳感器對管道施加低頻激勵信號，信號頻率范圍通常在20-100kHz，在傳感器和管體表面之間的均勻空間產(chǎn)生導波，導波信號均勻的沿管道軸向方向探頭兩側(cè)傳播，理想狀態(tài)下單側(cè)傳輸距離可達60m。聲波頻率和管道截面厚度的不同導致聲波信號出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象，通過傳感器接收反射回來的能量波并輸入到電腦進行處理，根據(jù)反射波的大小和位置來判斷管道的缺陷和不連續(xù)結(jié)構(gòu)特征[1-2]。

傳感器卡具適合用于檢測2-24英寸所有管道外徑的管道（ANSI/ASME標準公稱直徑），此外，傳感器卡具可以連接起來用于檢測更大外徑的管道，導波系統(tǒng)主要部件見下圖1。

導波在管壁中傳播時，由于波的傳播方式不同，存在縱波L、彎曲波F和扭轉(zhuǎn)波T（剪切波）三種模式[3]。不同的管道結(jié)構(gòu)特征，如彎頭、三通、法蘭、支撐、焊縫、緊固件等和不同的缺陷特征，如腐蝕、裂紋、機械損傷等，對導波模態(tài)有不同的靈敏度。在信號采集過程中，采用多種模式的波進行檢測可以提高缺陷檢出率，減少對偽缺陷的誤判[3]。

根據(jù)管道檢測數(shù)據(jù)信號分析結(jié)果的距離-波幅曲線圖，依據(jù)缺陷發(fā)射信號當量幅值，判定缺陷的大?。悍ㄌm或管道端部為近全反射，可以被作為設置絕對參考靈敏度，該參考一般為0dB反射，即為0dB曲線；管道環(huán)焊縫提供20%（-14dB）管道端部的當量反射率，同時從焊縫到焊縫有少量的變異，定義為-14dB曲線；管道壁厚截面損失的9%與管道端部反射率的5%（-26dB）相當，判為異常線；異常接近但沒有超過-26dB曲線，一般被判定為小缺陷，超過-26dB曲線為中等曲線，大于-26dB線直到-14dB線為嚴重缺陷，可靠的檢測范圍相當于9%的管道橫截面面積（CSA）；-32dB曲線為有效的測試范圍的決定因素，該因素使得可重復的異常有一個6dB的或更好的信噪比[4]。

對異常位置的驗證，可采用管道漏磁設備PipeScan或高頻導波對缺陷位置準確定位，并用測厚儀準確測量管道的剩余壁厚。依據(jù)《壓力管道定期檢驗規(guī)則-工業(yè)管道》（TSG D7005-2018）和《油氣長輸管道定期檢驗規(guī)程》中管道局部減薄的評定標準對局部缺陷進行安全等級評定。

2.PCM檢測系統(tǒng)

PCM是Pipeline Current Mapper的簡稱，即多頻管中電流法，主要測量管道電流衰減梯度[4]。它主要由一個便攜式發(fā)射機、手提式接收機、A字架和蓄電池等組成，主要部件見下圖2。

圖2 系統(tǒng)部件圖

對埋地管道施加特定頻率或多個頻率的激勵電流信號，激勵信號沿管道向兩側(cè)傳輸，由于管道和地面之間存在分布電容及防腐層電阻，所施加的電流信號強度沿管道隨著距離的增長呈緩慢衰減趨勢[5-6]。利用接收機跟蹤探測管道傳輸?shù)碾娏餍盘枺瑴y繪出管道各處的埋深和電流強度，當防腐層質(zhì)量較差或存在缺陷時，電流信號由防腐層破損點泄露入土壤，電流會加速衰減，在管道破損點和土壤之間形成電位差，越接近破損點的位置電位差越大，利用“A字架”在地面上檢測這種異常電位，即可對防腐層的破損點進行精確定位。這種通過探測管道特定頻率電流的變化可實現(xiàn)對埋地管道外防腐層狀況不開挖檢測。

英國雷迪公司生產(chǎn)的管道電流測繪系統(tǒng)（PCM+）能夠?qū)Φ叵鹿芫€的平面位置、埋深、走向、防腐層破損點位置等進行檢測，評估埋地管道外防腐層狀況。該檢測系統(tǒng)發(fā)射機有三種工作模式，選擇4Hz、8Hz、128Hz工作頻率可有效測繪出管道系統(tǒng)的干線和支線。

3.現(xiàn)場實際應用

某石化企業(yè)輸油站場分布廣泛，各個站場管道投用時間不同，管道管理規(guī)范和管理水平存在較大差異，管道存在一定的安全風險。為判斷管道的安全狀況，確保站場管道的安全運行，采用導波和PCM檢測系統(tǒng)相結(jié)合的方法對站場管道進行檢測，找出可能存在的缺陷，制定相應的維護計劃。

(1)檢驗前準備

導波檢測位置管道表面須達到一定要求。管道采用瀝青、環(huán)氧粉末、環(huán)氧煤瀝青、環(huán)氧粉末、三層PE、硬質(zhì)絕緣泡沫等外覆蓋層厚度較大、且具有粘結(jié)性的材料防腐或保溫時，應將探頭位置的管道一周外覆蓋層完全去除，管道露出金屬光澤，表面粗糙度Ra值應不低于6.3μm，壓電陶瓷探頭軸向長度應大于400mm以上。在放置探頭前，應當利用測厚儀對管道一周管道的壁厚進行測量，根據(jù)實際測量的實際壁厚確定激勵頻率，壁厚測量位置如圖3所示；如果管道一周的壁厚差別較大，應適當考慮更換導波探頭的位置。

圖3 壁厚測試位置

采用PCM進行外防腐層檢測埋地段管道前需查閱竣工圖紙或向管理人員了解埋地管線的位置走向、埋深，將各管道之間的均壓線以及其它管道之間的金屬連接物斷開，以免在檢測過程中對管道施加的電流信號產(chǎn)生干擾或流失，影響檢測結(jié)果。

(2)檢測數(shù)據(jù)采集

①導波檢測數(shù)據(jù)采集

根據(jù)不同的管徑選擇不同尺寸探頭模塊，導波探頭架設應遠離焊縫、彎頭、三通、支撐等結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置1m以上，并根據(jù)探頭的位置確定檢測的基準位置，并標記好正負方向。

土壤和外防腐層對導波信號傳輸有一定的衰減作用，為保證出入土端的地下管道檢測距離的有效性，探頭位置應盡量選擇靠近出入土端。正確的連接電源線和探頭線等連線并輸入必要的管道基本參數(shù)，選擇激勵模態(tài)和激勵頻率，進行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場檢測導波探頭架設位置見下圖4。

圖4 導波系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

儀器調(diào)節(jié)好后，開始采集數(shù)據(jù)，采集完成后對波形和數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)與處理，對異常波形信號進行驗證并做好標記，確認無誤后保存數(shù)據(jù)。

圖5所示為其中一條管道導波檢測結(jié)果，可以看出所檢范圍內(nèi)管道狀況良好，未發(fā)現(xiàn)異常反射信號。

圖5 導波系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果

另外一條管道檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)1處異常信號，距離探頭基準位置-6.83m，通過現(xiàn)場驗證確定為管道正下方存在外部腐蝕，檢測結(jié)果見下圖6。

圖6 導波系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果及管道外部腐蝕部位

由此證明低頻導波檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與實際情況相吻合，該檢測方式可靠。

②外防腐層檢測數(shù)據(jù)采集

由管道檢測人員用手提式接收機對管道的走向和位置進行探測，并記錄詳細的水平位置和埋深等信息，見下圖7。

圖7 PCM檢測數(shù)據(jù)采集

管線探測要重點查清地下管線的分支情況和防腐層破損點情況，尤其是站場內(nèi)的出入土端、水位變化區(qū)域、變坡點、占壓、施工建設、高壓線等高壓電區(qū)域和站場圍墻外的進站出站油氣管線的出入土端為重點檢測部位。必要時采用高精度GPS測量管道坐標及高程并進行詳細記錄作為日后施工、改造、檢修的開挖參照信息。探測完畢將得到的數(shù)據(jù)與設計竣工圖紙進行對比，確保結(jié)果有效性。

對于檢測中發(fā)現(xiàn)的異常信號需綜合管道位置環(huán)境、埋深等信息進行綜合評定，必要時進行開挖驗證，開挖檢查防腐層是否有破損，管體是否存在腐蝕情況，并對焊縫進行超聲波探傷，如果管體存在腐蝕情況需進行雜散電流檢測、土壤電阻率測試和土壤理化分析等必要檢測手段來進一步確認腐蝕原因。

(3)檢測實施過程注意事項

采用超聲導波對管道進行檢測時，導波探頭應放置在管道直管段上，并遠離管道焊縫和特殊結(jié)構(gòu)（彎頭、三通、大小頭、膨脹節(jié)等）1m以上。對出入土端的埋地部分管道檢測時，導波探頭放置在距離出入土端1m以上的直管段上，根據(jù)有效檢測長度的檢測結(jié)果判斷該檢測管段的腐蝕狀況。要重點觀察空氣-土壤界面處和地下的彎頭處的異常信號。

采用PCM檢測埋地管線時，除了考慮均壓線及其它管道交叉和并行對電流信號的影響外，還用考慮信號施加位置對檢測結(jié)果的影響。一般站場內(nèi)埋地管道距離較短，有些只是穿過一小段路面或廠區(qū)，由于PCM信號存在檢測盲區(qū)，這時需要將信號施加在距離該條管道埋地處50m外的架空位置，這樣避免了檢測盲區(qū)。如果傳播到埋地管段的電流信號很小而影響檢測，需要在該條管道的另一端50m外架空位置架設信號。同時在檢測電流信號時需驗證接收機屏幕上的電流指向的箭頭方向是否指向PCM發(fā)射機的傳來方向，確保檢測過程的電流信號為PCM發(fā)射機發(fā)射的電信號。

4.結(jié)語

油氣站場管道作為油氣傳輸重要的設備，存在結(jié)構(gòu)復雜，敷設方式多樣，地下管道多處交叉并行等特點，給管理帶來了困難。為了更好的科學管理，保障安全平穩(wěn)生產(chǎn)運營，需進行有效的檢驗檢測。本文介紹了低頻導波檢測和外防腐層狀況檢測兩種方法相結(jié)合的方式，對站場內(nèi)鋼制壓力管道進行檢驗檢測。通過實際應用發(fā)現(xiàn)這種方式可以進行在線不停輸檢測，能夠準確、有效的檢出管道存在的本體腐蝕或外防腐層破損缺陷，省去了大量破土開挖檢測的成本，具有較高的經(jīng)濟效益。這種檢測方式不僅適用于站場內(nèi)鋼制壓力管道檢測，而且可以應用于罐區(qū)、生產(chǎn)裝置等架空+埋地敷設方式的鋼制壓力管道檢測，實現(xiàn)管道的無遺漏、全覆蓋檢測。