海底管道智能內(nèi)檢測(cè)器損傷原因分析

徐永振，邢 磊

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華北天然氣管道有限公司，天津 300453；2.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300450）

0 引言

智能內(nèi)檢測(cè)器是油氣管道內(nèi)檢測(cè)的主要工具，其示意圖如圖1所示。它通過(guò)管道系統(tǒng)“發(fā)球桶”進(jìn)入管道內(nèi)，在前后壓差驅(qū)動(dòng)下隨流體前進(jìn)，同時(shí)采集管壁數(shù)據(jù)。智能內(nèi)檢測(cè)是油氣管道完整性管理工作的重要環(huán)節(jié)[1]，可以檢測(cè)鋼管的腐蝕情況[2]，為管道維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。管道在進(jìn)行智能內(nèi)檢測(cè)前需要做以下準(zhǔn)備：機(jī)械清管，電子幾何變形檢測(cè)，清理管道內(nèi)壁沉積物，檢測(cè)有無(wú)縮徑變形和管內(nèi)異物障礙等。

因智能內(nèi)檢測(cè)器是在管道內(nèi)部運(yùn)行，存在管道卡堵的風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，對(duì)智能內(nèi)檢測(cè)器的研究除提高智能內(nèi)檢測(cè)器元器件檢測(cè)精度、缺陷定位精度外[4]，還著重研究提升智能內(nèi)檢測(cè)器的管內(nèi)通過(guò)能力。為此，智能內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)形式有多種嘗試，包括球形智能內(nèi)檢測(cè)器、有纜式智能內(nèi)檢測(cè)器、自帶驅(qū)動(dòng)式智能內(nèi)檢測(cè)器等。球形智能內(nèi)檢測(cè)器是聚氨酯材質(zhì)球體，其內(nèi)安裝有水聽(tīng)器。圓球外徑小于管道內(nèi)徑，易于在管道內(nèi)通過(guò)，卡堵風(fēng)險(xiǎn)較低。但因其體積小，所能安裝的傳感器數(shù)量有限，僅能檢測(cè)和判斷管道有無(wú)發(fā)生穿孔泄漏，無(wú)法檢測(cè)管壁腐蝕[5]。有纜式智能內(nèi)檢測(cè)器受纜繩長(zhǎng)度和纜繩與管壁摩擦力限制，檢測(cè)距離有限，僅適用于平臺(tái)間管道停產(chǎn)檢測(cè)[3]。自動(dòng)驅(qū)動(dòng)式智能內(nèi)檢測(cè)器一般為改裝小型發(fā)動(dòng)機(jī)作為牽引單元，發(fā)動(dòng)機(jī)工作需要空氣，只能用于新建管道檢測(cè)[6-7]。在役油氣輸送管道不停產(chǎn)內(nèi)檢測(cè)以圖1所示的檢測(cè)器為主。

圖1 智能內(nèi)檢測(cè)器示意圖Fig.1 Schematic of the smart pig

海底輸氣管道在進(jìn)行不停產(chǎn)檢測(cè)期間發(fā)生智能內(nèi)檢測(cè)器損傷，且檢測(cè)器運(yùn)行一度停滯，但最終通過(guò)救援措施回收。智能內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)損傷、停滯而能夠成功回收的案例極為少見(jiàn)。本研究為同類型內(nèi)檢測(cè)器損傷原因分析揭示一種思路，有助于指導(dǎo)同類型內(nèi)檢測(cè)降低卡堵風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究方法

在探討智能內(nèi)檢測(cè)器損傷原因之前，梳理檢測(cè)實(shí)施過(guò)程中3方面信息：管道系統(tǒng)本身的變化及痕跡；內(nèi)檢測(cè)器本身物理?yè)p傷痕跡；內(nèi)檢測(cè)器機(jī)芯殘存檢測(cè)數(shù)據(jù)。

從以上3方面信息得到以下線索：

1）機(jī)械清管至電子幾何變形檢測(cè)器均無(wú)故障，在回收電子幾何變形檢測(cè)器時(shí)，兩端隔離球閥（用于隔離發(fā)球桶和正常工藝流程的球閥）和SDV閥（Shutdown Valve，緊急情況下關(guān)閉管道系統(tǒng)的閥門）均進(jìn)行關(guān)閉操作；內(nèi)檢測(cè)器發(fā)射時(shí)該兩層閥門再度打開(kāi)，隔離球閥和SDV閥屬于管道系統(tǒng)的動(dòng)作元件，可能發(fā)生變化。

2）內(nèi)檢測(cè)器的損傷表明，第一密封盤受阻致使其向后拉伸變形，第二密封盤受到近于周向的外部擠壓，萬(wàn)向節(jié)受到軸向壓縮，使其聚氨酯材料產(chǎn)生塑性形變。

3）內(nèi)檢測(cè)器機(jī)芯殘存前1.7 km管道檢測(cè)數(shù)據(jù)。

本研究從以上線索入手，采用歸納損傷痕跡基本規(guī)律的方法[8-11]，分析痕跡出現(xiàn)的時(shí)間順序、受力方式及相互作用對(duì)象等因素，探討內(nèi)檢測(cè)器密封盤損傷的原因，還原其損傷過(guò)程。

2 管道系統(tǒng)可疑因素

機(jī)械清管共進(jìn)行2次，清管器加掛90%管道內(nèi)徑的鋁合金測(cè)徑板，以初步檢測(cè)管道是否存在明顯縮徑變形、管內(nèi)異物障礙等。清管器除正常磨損外，無(wú)異常損傷，鋁合金測(cè)徑板完好無(wú)損，表明管道無(wú)明顯縮徑變形，無(wú)管內(nèi)異物障礙。電子幾何變形檢測(cè)器運(yùn)行正常，回收后外觀完好，無(wú)損傷。通過(guò)對(duì)其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查，未發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)存在縮徑變形和管內(nèi)異物障礙。在智能內(nèi)檢測(cè)與機(jī)械清管和電子幾何變形檢測(cè)之間，管道系統(tǒng)彎頭、管體及焊縫等均不可能發(fā)生變化，只有隔離球閥和SDV閥在發(fā)球的過(guò)程中經(jīng)歷由關(guān)閉至打開(kāi)的過(guò)程，發(fā)生變化的可能性最大，將其列為管道系統(tǒng)可疑因素。

3 檢測(cè)器物理?yè)p傷痕跡研究

除以上間接分析外，通過(guò)對(duì)檢測(cè)器損傷痕跡分布位置、痕跡形式、痕跡交叉等進(jìn)行分析，研究造成內(nèi)檢測(cè)器損傷的物體形狀、損傷作用方式、痕跡出現(xiàn)先后順序等。

3.1 內(nèi)檢測(cè)器物理?yè)p傷痕跡及其空間關(guān)系

智能內(nèi)檢測(cè)器機(jī)體上存在著損傷痕跡和運(yùn)行期間正常擦痕，防撞架上的金屬損失、密封盤上不可恢復(fù)的壓痕及壓痕內(nèi)劃痕為損傷痕跡，其余為密封盤與管道接觸時(shí)產(chǎn)生的正常擦痕。

1）前密封盤損傷位置對(duì)應(yīng)管道6點(diǎn)鐘位置。

內(nèi)檢測(cè)器第一密封盤受到損傷，導(dǎo)致密封盤與防撞架法蘭結(jié)合面處長(zhǎng)度約100 mm的范圍產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，原圓形螺栓裝配孔變?yōu)殚L(zhǎng)橢圓孔（圖2）。通過(guò)與智能內(nèi)檢測(cè)器回收現(xiàn)場(chǎng)的照片對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在回收現(xiàn)場(chǎng)時(shí)此處損傷位于球桶底部（圖3），將此損傷處定義為6點(diǎn)鐘位置。

圖2 第一密封盤受到的損傷Fig.2 Close-up view of the damaged 1st sealing disc

圖3 檢測(cè)器回收現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 The retrieved smart pig

2）防撞架法蘭受到損傷。

緊鄰密封盤損傷位置的防撞架法蘭也受到撞擊、產(chǎn)生凹坑狀變形，其邊緣產(chǎn)生強(qiáng)烈刮擦金屬損失，如圖4所示。

圖4 防撞架法蘭上的變形和金屬損失Fig.4 Deformation and metal losscaused by crash and scratch

3）前后密封盤損傷存在中心對(duì)稱關(guān)系。

在定義第一密封盤的損傷中心位置為6點(diǎn)鐘位置后，第二密封盤的弧狀塑性壓痕的中心位置（實(shí)際上是壓痕延長(zhǎng)線的中心位置）為12點(diǎn)鐘位置（圖5），第一個(gè)萬(wàn)向節(jié)的殘余屈曲也是拱向12點(diǎn)鐘位置（圖6）。

圖5 第一和第二密封盤損傷中心位置關(guān)系Fig.5 Damagecenter of the1st and 2nd sealing disc

圖6 萬(wàn)向節(jié)殘余屈曲Fig.6 Residual buckling of the joints

4）塑性壓痕溝深度、溝內(nèi)的擦痕傾角變化存在規(guī)律性且無(wú)交叉。

第二密封盤塑性壓痕、壓痕溝內(nèi)擦痕以及擦痕與軸向的交角均存在一定規(guī)律：塑性壓痕深度與時(shí)鐘位置呈同方向變化，越靠近12點(diǎn)鐘位置其壓痕越深（圖7、圖8a），越靠近6點(diǎn)鐘位置其壓痕越淺（圖8b）；塑性壓痕溝內(nèi)的擦痕與軸向的交角與時(shí)鐘位置存在同方向變化，越靠近12點(diǎn)鐘位置其交角越大（圖8a），越靠近6點(diǎn)鐘位置其交角越小，直至6點(diǎn)鐘位置處擦痕完全平行于管道軸線（圖8b）。6點(diǎn)鐘位置不存在擠壓形成的殘余形變，即擠壓造成的塑性殘余變形溝越深，溝內(nèi)擦痕與軸向交角越大；塑性壓痕溝內(nèi)的主要擦痕無(wú)交叉現(xiàn)象（圖8），塑性壓痕溝內(nèi)、外擦痕也不存在延續(xù)關(guān)系。

圖7 塑性壓痕中心線與軸線交角半周視圖Fig.7 Angle between axisand central line of the plastic dent

圖8 塑性壓痕內(nèi)擦痕及其與軸向交角變化Fig.8 Gradual changesof the plastic deformation and anglesbetween scratching gouges and theaxis

3.2 物理?yè)p傷痕跡的時(shí)間關(guān)系

從損傷痕跡與正常擦痕的空間關(guān)系、交叉情況分析其出現(xiàn)順序等。

綜上可知，2個(gè)密封盤的損傷中心分別為動(dòng)力節(jié)的剖面四邊形對(duì)角頂點(diǎn)，密封盤損傷中心的對(duì)角頂點(diǎn)分布模式揭示出動(dòng)力節(jié)在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)受到阻礙后，發(fā)生一個(gè)以第一密封盤損傷中心為圓心、以動(dòng)力節(jié)剖面對(duì)角線為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。圖9為俯視方向的示意圖，定義的密封盤6、12點(diǎn)鐘位置與此處球閥的3、9點(diǎn)鐘位置對(duì)應(yīng)。

圖9 內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)至球閥示意圖Fig.9 Schematic of themovement of thesmart pig with ball valve

第一萬(wàn)向節(jié)的殘余形變表明，磁鋼節(jié)的慣性前進(jìn)使得萬(wàn)向節(jié)受到壓縮，向一側(cè)（12點(diǎn)鐘位置）屈曲（圖9b）。第二密封盤的12點(diǎn)鐘位置為第一密封盤6點(diǎn)鐘位置對(duì)角頂點(diǎn)，受到了以第一密封盤6點(diǎn)鐘位置為圓心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的巨大擠壓作用產(chǎn)生了塑性壓痕溝，轉(zhuǎn)動(dòng)造成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得該溝內(nèi)擦痕與管道軸線存在交角：相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度越大，擦痕與軸向交角越大。

第二密封盤的6點(diǎn)鐘位置（圖8b），相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)而言具有一定脫離壓縮面的傾向，因而無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的傾斜擦痕，僅有后來(lái)在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)所形成的軸向正常擦痕。

由間接排除分析可知，管道系統(tǒng)上最有可能發(fā)生變化，從而對(duì)智能內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻滯的因素是動(dòng)作元件閥門。球閥在開(kāi)關(guān)操作之后發(fā)生故障，造成球閥無(wú)法完全打開(kāi)。未能全開(kāi)的球閥會(huì)對(duì)內(nèi)檢測(cè)器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)形成障礙[12-13]（圖9b）。

圖10為未全開(kāi)球閥及其通孔軸向投影示意圖。當(dāng)球閥逐漸關(guān)閉時(shí)，其通孔逐漸變小，其軸向投影為近橢圓形狀（O′為其形心，O為管道截面圓心），短軸AC經(jīng)過(guò)管道截面圓心，長(zhǎng)軸GH垂直于短軸且逐漸向一側(cè)平移，短軸和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度均隨開(kāi)度減小而減小。相對(duì)而言，弧為該投影的不動(dòng)弧（左側(cè)的閥座緣），弧為動(dòng)?。ㄓ疫叺那蝮w邊緣）。參照本案例實(shí)際情況，第二密封盤的12點(diǎn)鐘位置被后面的推力擠向不動(dòng)弧，密封盤裙邊在不動(dòng)弧處發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因在不動(dòng)弧頂點(diǎn)A處“轉(zhuǎn)動(dòng)”運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)距離理論上最大，故該處密封盤裙邊理論上受壓最強(qiáng)、變形最深（圖7、圖8a）。其12點(diǎn)鐘位置由于裙邊長(zhǎng)度短而被推入了閥座緣（圖10b中A處）內(nèi)未受到擠壓，所以密封盤上僅是壓痕的延長(zhǎng)線交于12點(diǎn)鐘位置。如果裙邊足夠長(zhǎng)，則最深壓痕應(yīng)該出現(xiàn)在12點(diǎn)鐘位置，故距離不動(dòng)弧頂點(diǎn)越近的密封盤裙邊，其壓痕深度越深，距離越遠(yuǎn)（趨向G、H點(diǎn)）則其壓痕越淺，C點(diǎn)則無(wú)塑性壓痕。

圖10 未全開(kāi)的球閥Fig.10 Not full-open ball valve

綜上可知，塑性變形溝內(nèi)擦痕未交叉，塑性壓痕溝內(nèi)外擦痕不存在延續(xù)現(xiàn)象，表明在管道平管段運(yùn)行期間，密封盤上出現(xiàn)的正常運(yùn)動(dòng)劃痕沒(méi)能出現(xiàn)在塑性變形溝內(nèi)，即塑性變形溝內(nèi)的表面未能與管壁接觸，塑性變形溝的形成發(fā)生在內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)入平管段運(yùn)動(dòng)之前，塑性壓痕的形成發(fā)生在發(fā)射端故障球閥處。

4 受損過(guò)程還原

由以上分析可以基本還原智能內(nèi)檢測(cè)器損傷過(guò)程：

1）內(nèi)檢測(cè)器第一密封盤前進(jìn)遇到未全開(kāi)球閥球體受到阻礙、撕拉，產(chǎn)生塑性形變，變形后的密封盤得以沖入閥芯內(nèi)。

2）第一密封盤變形損傷后進(jìn)入球閥，變形致使其支撐能力下降，受對(duì)側(cè)密封盤的擠壓，軸心向損傷一側(cè)傾斜，進(jìn)而傾斜前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

3）由于軸心傾斜，在動(dòng)力節(jié)即將走出球體時(shí)，前端法蘭盤撞擊閥座，產(chǎn)生法蘭表面凹坑狀變形，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)受到阻滯，此時(shí)的動(dòng)力節(jié)末端開(kāi)始側(cè)偏。

4）動(dòng)力節(jié)停止前進(jìn)，磁鋼節(jié)在慣性作用下繼續(xù)前進(jìn)，因而萬(wàn)向節(jié)受到壓縮，發(fā)生屈曲，因動(dòng)力節(jié)末端已側(cè)偏，故萬(wàn)向節(jié)屈曲的方向也是朝向其側(cè)偏的方向。

5）在萬(wàn)向節(jié)壓縮到極限狀態(tài)后，磁鋼節(jié)停止運(yùn)動(dòng)，萬(wàn)向節(jié)受到極限壓縮，動(dòng)力節(jié)第二密封盤也受到極限壓縮，聚氨酯發(fā)生塑性形變，第二萬(wàn)向節(jié)同樣受壓縮，但變形方向相反。

6）內(nèi)檢測(cè)器動(dòng)力節(jié)沖出球閥的過(guò)程中，前端法蘭邊緣在一瞬間被刮擦，形成金屬損失。

7）動(dòng)力節(jié)密封盤受到損傷后（損傷位置為3點(diǎn)鐘位置），其軸線傾斜，在平管段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在重力作用下，其第一密封盤損傷處逐漸轉(zhuǎn)至管道底部6點(diǎn)鐘位置，形成回收時(shí)所看到的狀態(tài)（圖3）。

5 驗(yàn)證

在完成內(nèi)檢測(cè)器損傷痕跡分析后，為驗(yàn)證這一判斷，分別對(duì)內(nèi)檢測(cè)器殘余數(shù)據(jù)和可疑球閥進(jìn)行排查驗(yàn)證。

5.1 智能內(nèi)檢測(cè)器數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)中，正常全開(kāi)閥門波形如圖11所示。閥門信號(hào)兩端的波峰或波谷“相位”一致，波峰或波谷層層相疊，形成垂直于橫軸的深藍(lán)色帶。

圖11 典型全開(kāi)球閥漏磁檢測(cè)信號(hào)Fig.11 Typical signal of magnetic flux leakage of a full-open ball valve

在本次內(nèi)檢測(cè)殘余數(shù)據(jù)中，第一球閥信號(hào)波形產(chǎn)生明顯異常波動(dòng)，部分波峰的“相位”出現(xiàn)滯后、未能嚴(yán)格相疊重合，紅色標(biāo)記處為異常波動(dòng)（圖12）。該球閥波形既不同于一般球閥漏磁波形，也不同于相距不遠(yuǎn)的發(fā)球端SDV閥漏磁波形（圖13）。

圖12 球桶后隔離球閥檢測(cè)異常信號(hào)Fig.12 Abnormal signals of the isolation ball valve after the barrel

從圖13中可以看出，異常信號(hào)的位置出現(xiàn)在球閥的3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置。結(jié)合前述分析可知，這種情況是由于閥門未完全打開(kāi)，在3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置通徑變小所致。

圖13 發(fā)球端SDV漏磁檢測(cè)信號(hào)Fig.13 Normal signalsof a shutdown valve

5.2 管道系統(tǒng)原球閥的驗(yàn)證

發(fā)現(xiàn)上述波形異常后，將管道上原裝的第一隔離球閥拆卸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)閥芯球體存在明顯撞擊痕跡。從圖14中可以看到，閥芯上“3點(diǎn)鐘”字樣的位置有金屬缺失現(xiàn)象，該位置與前述分析一致。

圖14 發(fā)球桶后隔離球閥閥芯Fig.14 Isolation valveafter launching barrel

5.3 更換后的新球閥

損傷閥門更換后，對(duì)新球閥進(jìn)行了全開(kāi)狀態(tài)檢查，發(fā)現(xiàn)新球閥閥芯球體的通孔未能與管道內(nèi)徑完全吻合-側(cè)邊緣與管道內(nèi)壁存在5 mm高差（圖15）。

圖15 更換后的閥門驗(yàn)證Fig.15 Inside view of a newly installed ball valve

在原球閥和新球閥2次驗(yàn)證中，均發(fā)現(xiàn)球閥故障、未全開(kāi)的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

1）智能內(nèi)檢測(cè)器的損傷與閥門閥芯損傷同時(shí)產(chǎn)生，且損傷位置對(duì)應(yīng)。

2）智能內(nèi)檢測(cè)器的損傷是由于閥門未能完全打開(kāi)，閥芯阻礙智能內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)智能內(nèi)檢測(cè)器撞擊閥芯造成的。