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              我國管道內檢測技術發展概況

              來源:高瞻智庫  瀏覽數:  發表日期:
                隨著油氣管道完整性管理理念的興起,管道內檢測技術也隨之得到迅速發展。所謂管道內檢測技術,就是在不影響油氣管道輸送條件下,通過使用智能檢測設備(INTELLIGENTPIG)完成對管道存在缺陷的檢測,并對所發現的缺陷進行適用性評價(FITNESS-FORPURPOSE)以進行科學合理的維修,它不僅可以保障管道安全運行,而且還可以延長管道使用壽命。當前國內外所應用的智能檢測器主要以漏磁檢測技術(MFL)和超聲檢測技術(UT)為典型代表,經過近40多年的發展,得到了工業界的廣泛應用,為管道安全運行和科學管理提供了重要決策依據,內檢測技術正向更高精度和更好適應性方向發展。由于受到的約束條件較少,漏磁檢測技術發展表現更為突出,各種形式的漏磁技術相繼涌現,其中,軸向漏磁檢測技術發展最早并最為成熟,繼之又出現了橫向漏磁檢測技術、三維探頭漏磁檢測技術和螺旋磁場檢測技術。超聲檢測技術方面,除了傳統的壓電超聲技術,應用于天然氣管道的電磁超聲檢測技術也已開始推廣應用。同時,為滿足特殊工況條件,出現了多功能組合檢測器,一次完成各種功能的檢測,實現各種檢測技術的優勢互補。
               ?。?)油氣管道內檢測技術應用現狀
                管道內檢測是目前在役管道應用最成熟、檢測效果最好、性價比最高、最易于推廣應用的檢測技術。但是,每種管道內檢測技術都有相應的適用范圍和局限性,應基于檢測的目的和目標選擇合適的內檢測技術和設備,并使檢測設備的能力和性能與檢測的目的和目標相適應。同時,對于當前長輸油氣管道面臨的環焊縫缺陷、針孔腐蝕缺陷及類裂紋缺陷等的威脅,需要采取更加積極的應對策略,在促進管道內檢測管理提升的同時,要以關鍵核心技術和設備的自主研發為突破口,聚焦高端通用科學儀器設備和專業重大科學儀器設備的應用開發、工程化開發及產業化開發,有效提升管道內檢測技術水平與裝備能力。
                油氣管道完整性管理理念的不斷興起,帶動了油氣管道內檢技術的快速發展。管道內檢技術主要是在不影響油氣管道正常運輸的情況下,通過智能檢測設備進行管道缺陷的檢測評價以及合理修復,既保障油氣管道的安全運行,又有效地延長了油氣管道的使用壽命。目前國內與國外應用的檢測主要包括漏磁檢測技術、超聲檢測技術,歷經40年的發展在工業界得到廣泛的應用,為管道的科學管理以及管道的安全運行提供了有力依據,管道內檢的技術正像更高的適應性和更好的精密性發展。漏磁檢測受到的約束條件相較少所以其技術的發展較為突出,各種各樣的漏磁檢測技術不斷出現,比如:軸向、橫向和螺旋磁場檢測技術。在超聲檢測技術上不僅有傳統的壓電式超聲技術,還有現在開始應用于天然氣管道的電磁超聲檢測技術。由于檢測較為復雜,還出現了多功能組合的檢測儀器,將各檢測技術功能的優勢互補。
               ?。?)油氣管道內檢測技術主要分類
                1.1超聲檢測技術。超聲檢測(UT)可分為主動檢測和被動檢測兩類。主動檢測即由超聲探頭發射超聲波,通常稱為超聲無損檢測技術;在被動檢測技術中,超聲波是被測試件受載荷時自發而出的,有時又稱為聲發射技術(AE)。與其他檢測技術相比,超聲檢測具有被測對象范圍廣、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、成本低、對人體無害以及便于現場使用等優點。因此超聲檢測技術是國內外應用最廣泛、使用頻度最高且發展最快的一種無損檢測技術。但進行超聲檢測時探頭與管壁間需有連續的耦合劑,目前在氣體管道上的應用還存在一定困難。由于超聲檢測技術是利用超聲的物理效應從超聲信號中抽取信息再推斷出結論的過程,因此其檢測結果具有間接性并不可避免地帶有統計性質,即存在漏檢和檢出結果重復等問題,因此探索檢測的可能性和提高檢出結果的可靠性始終是超聲檢測的核心問題。
                傳統意義上的超聲檢測已經相當成熟,但這種逐點掃描檢測的特性使得該方法難以適用長距離、大范圍的油氣管道的在線檢測,由此產生了超聲導波技術。由于導波的特性,在管道內由一點激勵產生的超聲導波就可以沿管道傳播非常遠的距離,最遠可達幾十米。接收探頭接收到的信號包含了有關激勵和接收兩點間管道的整體性信息,因此超聲導波技術一次性檢測覆蓋的范圍大,可實現快速無損檢測;此外它既可以檢測管道的內部缺陷也可以檢測管道的表面缺陷。由于超聲導波具有快速、可靠、經濟和無需剝離管道防腐層的特點,近年來超聲導波在管道內的快速檢測、缺陷定位研究等方面日益受到國內外無損檢測學者的關注。
                1.2漏磁檢測方法。從磁粉探傷演化而來的漏磁檢測方法是建立在如鋼管、鋼棒等鐵磁性材料的高磁導率這一特性上的。漏磁檢測的原理是當對鐵磁性的被測管道施加磁場時,在管道缺陷附近會有部分磁力線漏出被測管道表面,通過分析磁敏傳感器的測量結果,可得到缺陷的有關信息。該方法以其在線檢測能力強、自動化程度高等獨特優點而滿足管道運營中的連續性、快速性和在線檢測的要求,使得漏磁檢測成為到目前為止應用最為廣泛的一種磁粉檢測方法,在油田管道檢測中使用極為廣泛。此外與常規的磁粉檢測相比,漏磁檢測具有量化檢測結果、高可靠性、高效、低污染等特點。

                漏磁檢測技術原理圖
                國外已經能夠應用計算機和人工智能技術實現管道典型規則缺陷的三維圖形構建,達到缺陷可視化。利用計算機成像技術可有效地描述和評定反射信號,還具有探測缺陷所要求的基本掃查功能。將計算處理數據分析和顯示技術與自動掃查機構聯接可用來產生缺陷二維、三維圖像,為檢驗管道的危險部位提供放大的能力。計算機處理可以定量的評定用超聲波或其他檢測方法探到的缺陷類型、尺寸、形狀、位置和方向。國內基于漏磁檢測的理論和實驗研究較多,漏磁場的研究、缺陷的定性和定量分析以及應用新的方法研究漏磁檢測與國外相比還有一定距離。
                1.3光纖傳感技術。近年來國內許多高校如北京工業大學、大慶石油學院等院校在漏磁檢測及應用技術方面也做了許多研究工作。沈陽工業大學與新疆三葉管道技術有限責任公司合作研制了一套高精度管道漏磁在線檢測智能系統,對我國石油工業的長距離油氣輸送管道的發展及參與該領域的國際競爭起到重要作用。國內大口徑長輸天然氣管道上的第一項檢測工程是2001年9月啟動的陜京管道內檢測項目,它是由英國ADVANTICA公司為檢測項目提供技術服務,北京天然氣集輸公司協同廊坊檢測公司(CNPTC)共同合作來完成的,它采用漏磁檢測器來檢查管道全線的腐蝕狀況,為陜京管道提供了科學、準確的檢測數據,健全了管道基礎檔案資料。
                隨著激光和光纖技術的發展,分布式光纖傳感技術將是未來油氣管道安全檢測技術的主要發展方向。近年來,國內外在此技術領域進行了大量研究,干涉式光纖傳感技術利用光纖受到所檢測物理場感應,如溫度、壓力或振動等,使導光相位產生延遲,經由相位的改變,造成輸出光的強度改變,進而得知待測物理場的變化。干涉式分布光纖傳感技術相對于其他技術的優點是它的動態范圍大、靈敏度高。

                分布式光纖檢測技術原理圖
                干涉式分布光纖傳感技術起步較早的是澳大利亞的FutureFibreTechnologies(FFT)。該公司研制了光纖管道安全防御系統,對管道構成威脅的行為所產生的各類振動、位移進行檢測,并可以利用已有的通訊方式構成通信網絡,實現一個實時性、可精確定位的防止第三方干擾的檢測系統。此前,FFT公司產品在我國管道上進行過試驗測試,效果不佳,遂轉向環境較為單一的邊界防范領域,產品已經在機場邊界和國防線上做了很多推廣。美國HoneyWell(霍尼韋爾)利用提高音波測試技術方案,能夠實現泄漏發生后的事件和位置檢測,屬于事后檢測,不能避免經濟損失及對環境造成的污染,但是對于無同溝光纜的管道具有一定的競爭力。美國Schlumberger(斯倫貝謝)采用光學時域反射法(OTDR)——一種廣泛應用于陸上和海底檢測的分布式感應技術,該系統軟件可連續分析返回的光信號,獲得這些參數在光纖的變化情況,從而及時檢測并定位事件,但是OTDR技術屬于一種靜態或者準靜態的折射率變化測量技術,無法檢測振動變化等瞬態事件,因此在預警市場上受到一定的制約。在該領域管道局技術處于國際先進水平,自主研發的光纖管道安全預警技術無論從檢測距離還是檢測精度方面都達到了較高水平。隨著管道的建設,各種技術檢測手段也在不斷發展,目前應用于管道泄漏檢測的方法主要有壓力梯度法、負壓力波法、流量平衡法、超聲波檢測法、光纖傳感等物理方法和一些化學方法。這些方法的特點和應用場合各不相同,縱觀目前國內與國外的各種管道泄露檢測技術,我國負壓波法,流量平衡法、壓力坡降等輸油管道泄露檢測技術的發展水平與國際先進水平相差無幾。但這些方法無法對微小泄漏進行識別和定位,而且受介質的流體的特性限制,不能用于氣體管道的泄漏檢測及微小泄漏的檢測。在采用光纖傳感技術對管道地質災害的檢測和評估方面,我國油氣管道檢測機構進行了多種技術研究,研發了BOTDR系統和應變檢測系統,該系統在應用層面上解決了如何測量管道變形與如何測量應力的問題,達到了國內先進水平,部分實驗方法達到了國際先進水平,在設備研發、測量精度、測量距離方面仍需提高。
                1.4射線檢測技術。射線檢測技術即射線照相術。它可以用來檢測管道局部腐蝕,借助于標準的圖像特性顯示儀可以測量壁厚。目前使用最普遍的為X射線,也可以使用同位素和高能射線,射線穿過管道作用于照相底片或熒光屏,在底片上產生的圖像密度與受檢管材的厚度及密度有關。由于X射線需要電網供電和水冷卻,而γ射線則可從一種小劑量、合適的放射性材料中獲取,因而后者更適合于現場應用,它還具有穿透能力強的特點,但分辨能力低于前者。射線檢測技術的優點是可得到永久性記錄,結果比較直觀,檢測技術簡單,輻照范圍廣,檢測時不需去掉管道上的保溫層;通常需要把射線源放在受檢管道的一側,照相底片或熒光屏放置在另一側,故難以用于在線檢測;為防止人員受到輻射,射線檢測時檢測人員必須采取嚴格的防護措施。射線測厚儀可以在線檢測管道的壁厚,隨時了解管道關鍵部位的腐蝕狀況,該儀器對于保證管道安全運行是比較實用的。
                目前,國內已有一種專門為管道外照法探傷研制的γ射線探傷儀及其配套器材,但其應用范圍受到192Ir一種射線源透照厚度下限值的限制,通常需人工讀取射線底片照相法獲取被檢管道的透射影像,往往因主觀因素的存在而影響檢測精度,并有檢測效率低的缺陷,為此國內進行了計算機輔助讀取的研究,從而使檢測信息判讀方面達到快速精確讀取、信息智能化提取、自動化客觀評片的階段。
                1.5渦流檢測技術。渦流檢測是以電磁場理論為基礎的電磁無損探傷方法,其基本原理是利用通有交流電的線圈產生交變的磁場,使被測金屬管道表面產生渦流,而該渦流又會產生感應磁場作用于線圈,從而改變線圈的電參數,只要被測管道表面存在缺陷,就會使渦流環發生畸變,通過感受渦流變化的傳感器測定由勵磁線圈激勵起來的渦流大小、分布及其變化就可以獲取被測管道的表面缺陷和腐蝕狀況。根據渦流的基本特性可看出,渦流檢測適宜于管道表面缺陷或近表面缺陷的探傷,因此檢測管道表面缺陷的靈敏度高于漏磁法。
                目前正在發展中的基于渦流檢測理論的新技術主要包括:阻抗平面顯示技術、多頻渦流檢測技術、遠場渦流技術和深層渦流技術。
                1.6熱像顯示技術。熱像顯示技術即紅外熱成像檢測,它是通過紅外探測系統測量被測管道表面的溫度及溫度場的變化來了解引起管道這種變化的力學性能、材料缺陷和腐蝕等原因及其影響程度。利用熱像顯示技術可作出管道的等溫線圖(或利用其他手段顯示),它的優點是可以非接觸地進行在線測量,但成功應用的關鍵是管道表面存在著自發或誘發的溫度場。由于受環境溫度、通風或風速以及局部空氣擾動、陽光照射強弱的變化等因素影響而引起熱像顯示圖像的誤差。熱像顯示技術較適用于檢測腐蝕分布而不是腐蝕的發展速度。正是由于它具有非接觸、快速區域掃描和對人無傷害的優點,因此在高溫壓力管道內部蝕坑和壁厚減薄缺陷的在線檢測方面具有較大的發展潛力。河北大學應用一套管道試驗裝置進行紅外熱成像檢測試驗,結果表明,紅外熱成像技術十分適用于檢測高溫壓力管道內部的腐蝕缺陷,其靈敏度能夠滿足管道安全運行的要求。
               ?。?)油氣管道內檢測技術存在挑戰
                由于內檢測技術具有較好的缺陷檢出率并且方便操作,管道企業對內檢測技術的依賴越來越強。然而,近年來不斷出現的在役管道環焊縫缺陷和管體針孔缺陷的檢測需求對傳統內檢測技術提出新的挑戰。油氣長輸管道環焊縫寬度通常約為10~20mm,在檢測器運行過程中,檢測時間窗口較短,不規則的環焊縫形貌導致缺陷信號難以分辨,獨立的小尺寸針孔腐蝕的金屬缺失量少,投影面積小,普通漏磁和超聲檢測信號均不敏感。對于這些非常規缺陷,即使能檢測到異常信號,是否能有效檢出還取決于判定基準的可靠性。無論是環焊縫缺陷,還是針孔腐蝕缺陷,均是當前管道內檢測面臨的技術挑戰。隨著內檢測技術的不斷發展,對于環焊縫缺陷探測技術的研發已經起步,針對針孔腐蝕缺陷也開發了超高清漏磁檢測技術,但檢出率、識別率及精度等檢測指標仍需要通過長期的實踐來不斷驗證和改進。
                3.1內檢測環焊縫缺陷。
                管道環焊縫缺陷一直是影響管道安全運行的重要因素。由于環焊縫是在現場焊接完成,當焊接技術水平不足或現場施工管控不嚴,易形成質量缺陷。部分管道投產運行后會發現較嚴重的未熔合、未焊透、填充不足、過度打磨等環焊縫焊接缺陷。在部分管道檢測中,高清漏磁內檢測發現了大量環焊縫異常信號,但由于缺少針對環焊縫缺陷漏磁信號的分析模型,因此無法對該類環焊縫異常信號進行準確識別、判定及量化。因此,環焊縫缺陷判定與量化誤差大,環焊縫缺陷處材料力學性能差異大等因素導致完整性評價結果與實際偏差較大。
                3.2內檢測裂紋缺陷
                裂紋缺陷一旦發生開裂,后果十分嚴重。目前,國際上知名內檢測公司均開發了較成熟的超聲裂紋檢測器,如GEPII公司的UltraScanCD檢測器以及德國NDT公司的LineExplorerUCC檢測器,適用于檢測未熔合、環向裂紋、應力腐蝕裂紋、孔穴等缺陷,但主要是針對特定方向的裂紋,如平行或垂直于軸線的裂紋?;诔暡ㄔ淼牧鸭y檢測技術只適用于液體管道的內檢測,對于氣體管道的內檢測,目前主要處于研究和應用初期的階段,Rosen和GEPII檢測公司開展了電磁超聲技術檢測輸氣管道管體裂紋方面的研究,并在初期應用方面積累了豐富的經驗。對于環向裂紋缺陷,尤其是環焊縫處的裂紋缺陷,目前尚無成熟的內檢測技術應用。
                3.3內檢測針孔腐蝕缺陷
                針孔缺陷已經成為國內外油氣管道失效的一個重要原因,受漏磁內檢測器精度限制,目前國內外檢測服務商提供的不同清晰度的漏磁內檢測器對針孔缺陷的檢測概率、識別概率及尺寸量化精度均偏低,現場開挖驗證結果與內檢測報告結果差別較大。針孔缺陷腐蝕速率較快,一旦發生穿孔會造成管輸介質的泄漏,甚至引發爆炸。輸油管道系統一般均安裝有泄漏檢測系統,但由于針孔泄漏引起的壓力波動非常微弱,檢測針孔泄漏報警的概率非常低,因此亟需開展針孔腐蝕缺陷內檢測技術和設備的深入研發。中國石油管道公司管完整性管理中心團隊已于2016年在國際管道研究協會立項開展針孔腐蝕缺陷內檢測技術的研究,完成了GEPII、ROSEN、PipeSurvey等多家檢測服務商在針孔腐蝕缺陷方面的檢出率和檢測閾值的牽拉試驗驗證,下一步將針對針孔腐蝕缺陷的特性和牽拉試驗成果,對內檢測設備改進提出針對性的措施。
                3.4內檢測管道受力狀態缺陷
                含缺陷管道的最終失效不僅和缺陷的幾何尺寸及形狀有關,還和管道內壓、各種外部荷載和附加應力等因素有關。近年來,中國發生了多次管道焊縫開裂事故,分析表明環焊縫缺陷復合外加載荷是管道失效的主要原因。多數的環焊縫失效事故中,外力誘發致使管道變形是導致環焊縫失效的直接原因。缺陷的存在使得環焊縫局部應力集中,可能導致管道容許應力大大降低,容許變形量也將大大減小,裂紋極易在焊接缺陷處產生。因此,管道應力集中是導致油氣管道發生破壞的重要原因,如何準確獲取管道的局部受力狀態,及時發現管道結構受力異常,提早預判具有開裂傾向的管段,控制惡性失效事故風險具有重要的現實意義。以往國內外開展的管道內檢測均是以管體腐蝕、裂紋等宏觀缺陷為檢測對象,尚未對管道受力狀態(彎曲應力和軸向應力)進行系統檢測,仍無可靠的內檢測手段以獲取管道缺陷的局部應力狀態。
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