超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在天然氣凈化廠管道檢測中的應(yīng)用

武麒麟

（中國石化達州天然氣凈化有限公司，四川達州 636156）

中國石化達州天然氣凈化有限公司（以下簡稱普光天然氣凈化廠）有管道10.18萬條，其中管廊管道51條、總長10.213 km，埋地管道286條、總長度266.753 km。壓力管道都隨著裝置檢修定期進行法定檢測，但部分管廊公用管道、埋地管道未進行過大規(guī)模的檢測，管道完整性掌握不明，尤其埋地管道在運行過程中易出現(xiàn)腐蝕缺陷，這些管道一旦發(fā)生泄漏，將對生產(chǎn)造成影響，甚至導(dǎo)致全廠性的運行故障。

歷次檢測僅采用超聲、漏磁、射線等傳統(tǒng)檢測方式進行逐點檢測，工作量較大，抽檢的覆蓋率不足0.1%，且對于不易檢測的區(qū)域（如埋地、有保溫層或高空架設(shè)的管道），采用常規(guī)檢測方式需配合施工，成本較高。

為加強管道腐蝕防護管理，保證管道系統(tǒng)長周期安全可靠運行，該廠組織開展了超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的先導(dǎo)性應(yīng)用，對裝置的化學排污、埋地循環(huán)水等管道進行了檢測，高效地完成了管道完整性檢測，準確地篩查出了管道的缺陷狀況，驗證了該技術(shù)的適用性。

1 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)是利用低頻扭曲波或縱波對管路、管道進行長距離檢測，包括地下埋管不開挖狀態(tài)下的長距離檢測。采用機械或氣壓的方式使超聲導(dǎo)波檢測傳感器（俗稱探頭環(huán)）與管道表面充分接觸，探頭環(huán)上的探頭陣列發(fā)出一束超聲能量脈沖，此脈沖被管道分界線所引導(dǎo)并充斥整個圓周方向和整個管壁厚度向遠處傳播，由于缺陷會導(dǎo)致管壁的徑向橫截面積（阻抗）發(fā)生改變，導(dǎo)波傳輸過程中會在缺陷處返回一定比例的返回信號（反射波），這些反射信號被同一探頭環(huán)接收采集，因此可由同一探頭陣列檢出返回信號，發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小[1]。管壁厚度的任何變化，無論內(nèi)壁或外壁，都會產(chǎn)生反射信號，被探頭陣列接收到，反射信號的幅度與管壁橫截面積的總變化有關(guān)，因此可以檢出管道外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷）。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)實際檢測到的是管道橫截面積的變化量，而不是絕對壁厚。所有信號的產(chǎn)生和采集都通過導(dǎo)波檢測主機系統(tǒng)并通過USB與計算機連接，主機的控制、信號的處理和報告的輸出都是通過系統(tǒng)內(nèi)置軟件完成。根據(jù)缺陷和管道外形特征產(chǎn)生的附加波型轉(zhuǎn)換信號，可將金屬缺損與管道外形特征（如焊縫、法蘭等）識別出來。

1.2 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)優(yōu)勢

超聲導(dǎo)波與傳統(tǒng)超聲波檢測的最大區(qū)別為：超聲導(dǎo)波可在一個測試點對一條長距離的管道進行100%的覆蓋檢測，而傳統(tǒng)超聲波是在一個測試點位置進行逐點掃查檢測。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的優(yōu)勢具體表現(xiàn)如下：

1）從一個檢測點即可對很長一段距離進行掃查，效率高，一天可檢測幾千米。

2）環(huán)氧樹脂涂料、巖棉絕熱涂料、油漆等對導(dǎo)波信號影響較小，檢測無需處理。

3）對于具有保溫層、包覆層或埋地管道，只需在安裝探頭處清除30 cm寬的區(qū)域，就可對一段距離的管道進行檢測，輔助成本較低。

4）可實現(xiàn)在線檢測，檢測覆蓋率高達100%。

5）可進行水下檢測。

1.3 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)局限性

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有一定的局限性，具體表現(xiàn)如下：

1）瀝青對導(dǎo)波信號影響較大，對有瀝青防腐層管道不適用。

2）主要用于缺陷的篩查，而不是具體特征檢查。

3）能發(fā)現(xiàn)管道是否存在問題，僅能評估管道橫截面積變化量的相對值，但定性和定量較為困難。

4）檢測距離取決于管道異形的具體情況。

1.4 超聲導(dǎo)波檢測設(shè)備的組成

超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)由探頭環(huán)、設(shè)備主機、便攜式檢測控制電腦及連接電纜四部分組成。探頭環(huán)被認作是常規(guī)的超聲傳感器，以脈沖回波的方式運行，與某一尺寸的管道是一一對應(yīng)的。超聲導(dǎo)波檢測設(shè)備接收所有檢測信號，操作電源由其內(nèi)部的可充電電池提供，并通過USB接口與控制電腦相連。設(shè)備的調(diào)試、信號的處理和測試報告均由配套軟件系統(tǒng)完成。

低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)是一種可以代表管道長距離檢測技術(shù)發(fā)展水平的檢測系統(tǒng)，常用于快速檢測管道內(nèi)部和外部腐蝕及其他缺陷。檢測系統(tǒng)可以快速檢測難以介入的長距離管道的腐蝕或缺陷。

1.5 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)用范圍

結(jié)合超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，常用于下列情形：穿路套管、穿越墻體、海上管道、野外管道、埋地管道、油氣田站場管道、直管段100%的檢測、架空工程管道、有防腐層或保溫層管道、低溫工程管道、球形支架、護坡管道等。

2 應(yīng)用過程及技術(shù)分析

2.1 應(yīng)用方案

此次超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)主要應(yīng)用于對問題管道和埋地管道的檢測：

1）利用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)檢測裝置存在問題的壓力管道，將檢測數(shù)據(jù)與檢修期間檢測數(shù)據(jù)進行比較，以驗證超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在天然氣凈化廠的準確性與適用性。

2）利用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對埋地管道檢測的優(yōu)勢，選取部分埋地的循環(huán)水管道、化學排污管道的露管處進行管體超聲導(dǎo)波應(yīng)用。

2.2 應(yīng)用設(shè)備

應(yīng)用設(shè)備控制電腦搭載有新型導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對管道的腐蝕或沖蝕缺陷進行檢測，儀器在測試點向管道兩端發(fā)射低頻超聲導(dǎo)波，該導(dǎo)波以金屬管道為導(dǎo)體進行傳播，缺陷或管道上的特征結(jié)構(gòu)（如焊縫、法蘭）會使信號發(fā)生反射，回波經(jīng)由儀器接收、分析后可評價管道的腐蝕情況[2]。可以根據(jù)現(xiàn)場需要快速、高質(zhì)量地采集導(dǎo)波數(shù)據(jù)。主機有設(shè)備自檢、探頭環(huán)和操作員自動識別等功能，并帶有內(nèi)置GPS。超聲導(dǎo)波現(xiàn)場檢測照片見圖1。

圖1 超聲導(dǎo)波現(xiàn)場檢測

該設(shè)備具有以下特點：

1）在管壁檢測范圍內(nèi)可進行一次性、100%覆蓋的檢測，可在不停工情況下進行在線檢測，實時得到檢測結(jié)果。

2）僅檢測直管段，探頭環(huán)一側(cè)的傳輸距離可達到50 m。

3）縱向定位精度為± 6 cm，環(huán)向定位精度為22°，檢測精度為缺陷損失橫截面積的2%（要求對管壁內(nèi)、外側(cè)缺陷具有相同的靈敏度），對任何位置缺陷都具有相同的靈敏度（1%～2%）。

4）可檢測缺陷類型包括腐蝕缺陷、焊縫缺陷、裂紋缺陷、管材本身缺陷、支撐處腐蝕及其他缺陷，回波可提供管道的特征和腐蝕程度。

5）操作電源為低電壓電池，每次充電可使用8 h以上，現(xiàn)場檢測時不需要外接電源。

6）探頭環(huán)、操作員等信息自動識別，提供特征結(jié)構(gòu)的位置和相對尺寸的信息。

2.3 應(yīng)用步驟

該設(shè)備的使用步驟如下：

1）啟動主機和軟件，對系統(tǒng)自檢。

2）去除探頭環(huán)安裝位置處的油垢、浮灰，保持表面相對平整，不需要打磨防腐油漆。

3）將探頭環(huán)安裝在直管段上，安裝時必須使探頭環(huán)中心線與被測管道軸心保持垂直狀態(tài)；定位旋鈕必須完全對準限位坑，并擰緊；旋鈕擰緊后所有的探頭環(huán)固定螺栓都應(yīng)該處于松弛狀態(tài)；向充氣式探頭環(huán)打氣，讓探頭與管壁自然機械耦合。

4）用連接電纜將探頭環(huán)和主機連接。

5）將待檢測管道的詳細信息記錄在導(dǎo)波檢測軟件中，如管道號、管道名稱、防腐層情況、管徑、壁厚及外觀目測描述等。

6）在電腦軟件界面上操作，發(fā)射超聲波，并收集信號。

7）將收集到的管道信息進行處理，同時標注彎頭、旁通、法蘭等信息。

8）保存信息，自動生成檢測報告，檢測完成。

2.4 檢測情況及分析

2.4.1 胺液回收罐回收總管

對胺液回收罐回收總管進行檢測，該管線為DN150埋地管線，輸送高酸高腐蝕性的介質(zhì)?？刂葡到y(tǒng)通過軟件的頻率掃查、超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析得出：

1）檢測范圍：-3.86 m～+0.53 m，合計總距離為4.39 m。正方向因0.53 m處的法蘭而信號截止，負方向通過1個彎頭、2個缺陷點。

2）檢測負方向1.97 m入墻處發(fā)現(xiàn)異常，橫截面積改變量為11%，判斷為缺陷。

3）檢測負方向2.98 m埋地有彎頭，此處信號強度消減32%。

4）檢測負方向3.86 m（彎頭后0.88 m）埋地部分發(fā)現(xiàn)異常，橫截面積改變6%，判斷為缺陷。

檢測控制系統(tǒng)采集的信號圖譜見圖2，管線入墻處腐蝕形貌見圖3，分析結(jié)果見表1。

表1 胺液回收罐回收管道檢測控制系統(tǒng)分析結(jié)果

圖2 胺液回收罐回收管道檢測信號圖譜

圖3 管線入墻處腐蝕形貌

2.4.2 三甘醇收集罐回收總管

對三甘醇收集罐回收總管進行檢測，該管線為DN100埋地管線?？刂葡到y(tǒng)通過軟件的頻率掃查、超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析得出：

1）檢測范圍：-2.81 ～+0.56 m，合計總距離為3.37 m。正方向因0.56 m處的法蘭而信號截止，負方向通過1個彎頭、1個缺陷。

2）檢測負方向1.07 m入墻處發(fā)現(xiàn)異常，橫截面積改變6%，判斷為缺陷。

3）檢測負方向2.81 m埋地有彎頭，此處信號強度消減77%。

檢測控制系統(tǒng)采集的信號圖譜見圖4，分析結(jié)果見表2。

圖4 三甘醇收集罐回收總管檢測信號圖譜

表2 三甘醇收集罐回收總管檢測控制系統(tǒng)分析結(jié)果

2.4.3 凝結(jié)水罐凝結(jié)水回收管線

對凝結(jié)水罐凝結(jié)水回收管線進行檢測，該管線屬高空有保溫層的管線， 為DN200管道?？刂葡到y(tǒng)通過軟件的頻率掃查、超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析得出：

1）檢測范圍：-1.1 m～+7.78 m，合計總距離為8.88 m。負方向通過0.15、1.1 m兩處彎頭，最終止于第二個彎頭；正方向通過1個支撐、2個彎頭、1個法蘭，最后在7.78 m處的法蘭而信號截止。

2）此段管線信噪比正常，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，管道整體情況良好。

3）通過檢測，測算出負方向的第一個彎頭為1D彎頭。

檢測控制系統(tǒng)采集的信號圖譜見圖5，分析結(jié)果見表3。

圖5 凝結(jié)水回收管線檢測信號圖譜

表3 凝結(jié)水回收管線檢測控制系統(tǒng)分析結(jié)果

2.4.4 水冷卻器循環(huán)水給水管線

對水冷卻器循環(huán)水給水管線進行檢測，該管線為DN150埋地管線?？刂葡到y(tǒng)通過軟件的頻率掃查、超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析得出：

1）檢測范圍：-1.24 m～+3.66 m，合計總距離為4.9 m。正方向3.66 m處有1個三通，與實際相符；負方向通過2個彎頭。

2）此段管線信噪比正常，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，管道整體情況良好。

檢測控制系統(tǒng)采集的信號圖譜見圖6，分析結(jié)果見表4。

圖6 循環(huán)水給水管線檢測信號分析

表4 循環(huán)水給水管線檢測控制系統(tǒng)分析結(jié)果

2.4.5 水冷卻器循環(huán)水回水管線

對水冷卻器循環(huán)水回水管線進行檢測，該管線屬埋地管線， 為DN150管道?？刂葡到y(tǒng)通過軟件的頻率掃查、超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)圖譜分析得出：

1）檢測范圍：-3.85 m～+1.52 m，合計總距離為5.39 m。正方向通過2個彎頭，負方向3.85 m處有1個三通，與實際相符。

2）此段管線信噪比正常，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，管道整體情況良好。

檢測控制系統(tǒng)采集的信號圖譜見圖7，分析結(jié)果見表5。

圖7 循環(huán)水回水管線檢測信號圖譜

表5 循環(huán)水回水管線檢測控制系統(tǒng)分析結(jié)果

3 結(jié)論及建議

通過現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對天然氣凈化廠的管道檢測有一定適用性，技術(shù)可行，同時也存在一定的局限性，具體如下：

1）可在不停工、不打磨、無需耦合劑的便捷施工方式下篩查檢測一定長度管段的缺陷情況。

2）超聲導(dǎo)波檢測的輻射篩查距離與被測管段的實際安裝情況有關(guān)，至少可以檢測管段單方向上的12條焊縫、1個法蘭、2個彎頭或1個三通（達到任一條件即止）。

3）檢測范圍內(nèi)的管段可以一次性、100%覆蓋整個管道，實現(xiàn)全面檢測。

4）具體的檢測精度視檢查設(shè)備的水平而定，此次應(yīng)用設(shè)備的縱向定位精度為±6 cm，環(huán)向定位精度為22°，橫截面積缺陷相對值為2%。

5）超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)無法準確判定缺陷的類型，因其原理是判定管道橫截面積的變化量，而不是具體特征檢查，其缺陷特征的判斷是通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊的經(jīng)驗判定，故不能準確定論。

6）超聲導(dǎo)波檢測僅對引起管道橫截面積變化的缺陷敏感，對不能引起橫截面積變化的缺陷則無法檢測出；能檢測出氣孔、弧坑、腐蝕引起的材料損失，不能檢測出夾渣焊接質(zhì)量缺陷。

7）綜合對比無損檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)可作為管道整體評估強有力的技術(shù)手段，尤其對于難以實施檢測的管道或配合檢測的施工費用昂貴的場合，其技術(shù)優(yōu)勢尤為明顯，如埋地、跨越、水下、套管、有保溫層或防腐層的場合。

8）對于天然氣凈化廠的管道，該技術(shù)可用于長距離管線、地下循環(huán)水、廠區(qū)邊際水管網(wǎng)的檢測；單套裝置內(nèi)部可根據(jù)必要性、互補性、經(jīng)濟性和可行性選擇部分管道（如埋地化學排污管線、污水至圖幅管線等）開展檢測，不推薦用于地面壓力管線的檢測。

9）對于已檢測出的胺液回收罐回收總管等腐蝕缺陷問題，建議進行開挖驗證，同時有必要開展相同部位或類似工況管線的擴檢，以確保管道系統(tǒng)的完整性，保障裝置安全可靠運行。