張 偉,蔡青青,張 磊,張 勇,周衛(wèi)軍

(1.中國石油塔里木油田銷售事業(yè)部,庫爾勒 841000;2.中石油獨(dú)石化分公司煉油廠銷售車間,克拉瑪依 833600;3.長江大學(xué)石油工程學(xué)院,荊州 434023)

埋地管道作為石油、天然氣的傳輸載體,是連接上游資源和下游用戶的紐帶,是目前油品運(yùn)輸效率最高、成本最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的一種運(yùn)輸方式。由于管道長期埋在地下,隨著時(shí)間的推移,介質(zhì)含水含雜質(zhì)、外界土壤特性及地形沉降等因素的影響,管道會(huì)發(fā)生腐蝕、穿孔和泄漏等,給油田和國家?guī)韲?yán)重的損失。除此之外,它還會(huì)引起有害物質(zhì)的泄漏,對環(huán)境造成污染,甚至引發(fā)災(zāi)難事故,危及人身安全。

目前國內(nèi)外腐蝕檢測技術(shù)主要分為管道外檢測技術(shù)和管道內(nèi)檢測技術(shù)。管道外檢測技術(shù)是通過對管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行檢測,從而獲得管道的受蝕狀況,屬于間接檢測管道腐蝕的方法,其得到的原始數(shù)據(jù)往往需要工作人員的仔細(xì)分析和校驗(yàn)。而管道內(nèi)檢測技術(shù)由于其直觀性、準(zhǔn)確性和快捷性,得到了很快的發(fā)展。

1 漏磁檢測系統(tǒng)原理

1.1 漏磁檢測技術(shù)概況

管道內(nèi)檢測是將無損檢測設(shè)備投入管道中,介質(zhì)推動(dòng)設(shè)備沿管道運(yùn)行,利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集并記錄探測到的管道缺陷信號,通過數(shù)據(jù)分析得到管道缺陷所在準(zhǔn)確部位和大小。通過管道內(nèi)檢測可以實(shí)現(xiàn)對管線的測繪、管道變形檢測、金屬損失檢測和管道裂紋檢測。內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)一般有漏磁通法、超聲波法、渦流檢測法和電磁超聲法(EMAT)。而漏磁(MFL)技術(shù)因其可檢測出腐蝕或擦傷造成的管道金屬損失缺陷,甚至能夠測量到那些不足以威脅管道結(jié)構(gòu)完整性的小缺陷(硬斑點(diǎn)、毛刺、結(jié)疤、夾雜物和其他各種異常和缺陷),偶爾也可檢測到裂紋缺陷,且對檢測環(huán)境的要求不高,具有很高的可信度,可兼用于輸油輸氣管道,至今被廣泛應(yīng)用并在不斷地發(fā)展。

在國外,漏磁式管道內(nèi)檢測技術(shù)用于工業(yè)上已有幾十年的歷史。自從1965年美國AMF公司研制出第一臺漏磁檢測器以來,設(shè)備性能和技術(shù)水平不斷提高,應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛,是目前管道工業(yè)中應(yīng)用歷史最長,技術(shù)最成熟的檢測技術(shù)。英國、美國和俄羅斯等國家都有專門研制和應(yīng)用漏磁管道內(nèi)檢測設(shè)備的專業(yè)公司,檢測管道的口徑可從 100～1 400mm,每年檢測施工里程達(dá)幾萬公里。國內(nèi)的研究從1984年開始,應(yīng)用從1987年開始,經(jīng)過幾年的引進(jìn)、消化吸收和國產(chǎn)化研制工作,設(shè)備的規(guī)格不斷增大、性能不斷增強(qiáng)、適用范圍也不斷擴(kuò)展。

1.2 漏磁檢測原理

漏磁檢測是以自動(dòng)化為目的發(fā)展起來的一種自動(dòng)無損檢測技術(shù)。漏磁檢測的基本原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性之上的。鐵磁性材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于其他非鐵磁性介質(zhì)(如空氣)的磁導(dǎo)率。當(dāng)用磁場作用于被測對象并采用適當(dāng)?shù)拇怕穼⒋艌黾杏诓牧暇植繒r(shí),一旦材料表面存在缺陷,缺陷附近將有一部分磁場外泄出來,并且其強(qiáng)度與缺陷尺寸和深度有一定的對應(yīng)關(guān)系。用傳感器檢測這一外漏磁場可以確定有無缺陷,進(jìn)而可以評價(jià)缺陷的形狀和尺寸。

鋼管缺陷漏磁檢測原理[1]是根據(jù)鋼管被永久磁鐵磁化后,當(dāng)鋼管中無缺陷時(shí),磁力線絕大部分通過鋼管;當(dāng)管壁變薄,管內(nèi)、外壁局部被磨損,有腐蝕坑、凹坑、通孔和裂紋等缺陷時(shí),鋼管缺陷處的磁阻變大,聚集在管壁的部分磁通向外擴(kuò)張,磁力線發(fā)生彎曲并且有一部分磁力線泄漏出鋼管表面,用磁感應(yīng)元件(霍爾元件)在鋼管表面相對切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電信號,通過對感應(yīng)電信號的特征提取來對缺陷進(jìn)行定性和定量分析。

如圖1所示,其中大部分磁通在工件內(nèi)部繞過缺陷,少部分磁通穿過缺陷,另有部分磁通離開工件的上下表面,經(jīng)空氣繞過缺陷,其中第三部分就是所謂的漏磁通。漏磁通的大小可以通過霍爾元件或移動(dòng)的感應(yīng)線圈測量得到,其信號強(qiáng)弱和分布與缺陷的嚴(yán)重程度和分布有密切關(guān)系。漏磁檢測法就是通過測量被磁化的鐵磁材料表面泄漏的磁場強(qiáng)度來判定工件缺陷的大小。

磁鐵有永久磁鐵和電磁鐵兩種,常用的傳感器有線圈式和霍爾元件式兩種。

1.2.1 線圈式傳感器

測磁線圈的輸出遵從電磁感應(yīng)定律,輸出電動(dòng)勢ε為：

式中N為線圈匝數(shù);v為線圈運(yùn)動(dòng)速度,m/s;G為漏磁場沿掃描方向的梯度即 dφ/dl?？梢?對于一定的N和v,相同直徑的缺陷,漏磁輸出與缺陷深度成比例。早期的管道腐蝕檢測器多采用線圈式傳感器,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、耐用。

1.2.2 霍爾傳感器

在一個(gè)半導(dǎo)體薄片中相對的兩側(cè)面通以控制電流I,在薄片垂直方向施加磁場B,則在半導(dǎo)體的另兩個(gè)側(cè)面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與I和B乘積成正比的電動(dòng)勢,這就是霍爾效應(yīng),利用這一效應(yīng)可制成霍爾傳感器來測量磁場的大小?；魻杺鞲衅骺梢栽陟o止?fàn)顟B(tài)下感受磁場,其頻率響應(yīng)可以從直流到微波,動(dòng)態(tài)輸出電動(dòng)勢的變化可達(dá)1 000∶1?；魻杺鞲衅黧w積小、壽命長,但元件存在轉(zhuǎn)換效率低、溫度影響較顯著等缺點(diǎn)。目前,許多新型檢測器,特別是高清晰度檢測器都采用這種傳感器,它的另一優(yōu)點(diǎn)是不受檢測器運(yùn)動(dòng)速度的影響[2]。

1.3 漏磁在線檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

管道漏磁在線檢測系統(tǒng)由管道漏磁在線檢測裝置、里程標(biāo)定裝置和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三部分組成[3]。管道漏磁在線檢測裝置是在管道中運(yùn)行的部分,以管道輸送介質(zhì)為行進(jìn)動(dòng)力,直接對管道進(jìn)行在線無損檢測,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,它由動(dòng)力節(jié)、測量節(jié)、記錄節(jié)和電池節(jié)四部分構(gòu)成,節(jié)間采用萬向節(jié)軟連接。

圖2 漏磁檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

測量節(jié)包括磁化裝置和霍爾探頭。磁化裝置包括永磁鐵、襯鐵和鋼刷,其功能主要是對被測管壁進(jìn)行磁化,使管壁內(nèi)產(chǎn)生磁通?；魻柼筋^內(nèi)裝有霍爾元件和前級放大電路,利用霍爾元件就可以測量漏磁通。

記錄節(jié)為測量系統(tǒng)的核心部分,完成對所有部件的控制和數(shù)據(jù)保存?；魻柼筋^檢測的信號經(jīng)多路模擬選通開關(guān)分別送到A/D采集卡,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,送給記錄節(jié)內(nèi)的處理器進(jìn)行壓縮處理,最后將壓縮結(jié)果存入IDE存儲介質(zhì)中。

里程標(biāo)定裝置由管道外標(biāo)記標(biāo)定、管道內(nèi)外時(shí)間同步標(biāo)定和行走輪記錄組成,完成缺陷位置的確定。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)格式處理軟件、初步分析軟件和數(shù)據(jù)管理軟件等組成,用于生成最終的檢測結(jié)果。管道內(nèi)的漏磁信號被繪成色圖,可以從色圖上查看缺陷及腐蝕程度,并能從里程的顯示來判定缺陷及腐蝕所在的位置,作為檢測或評估管道壽命的依據(jù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

新疆某油田某天然氣管線始于西氣東輸一線主力氣田,管徑為φ1 016 mm,管線全長約160 km。鑒于管道完整性管理要求,油田特委托ROSEN公司對該管線進(jìn)行了基于漏磁通原理的管道金屬損失的內(nèi)檢測工作,其完整的內(nèi)檢測過程主要包括以下幾個(gè)步驟。

2.1 管道機(jī)械清洗

機(jī)械清管的主要目的是清出管內(nèi)的污物、障礙物、沉積雜質(zhì)和管壁結(jié)蠟,最大程度地保證內(nèi)檢測效果的準(zhǔn)確性。

ROSEN公司為確保后期內(nèi)檢測的準(zhǔn)確性,連續(xù)5次使用普通機(jī)械式清管器對該管線進(jìn)行了清管,最后兩次(雙向皮碗清管器和磁性清管器)清管作業(yè)清出的污物量＜5 L,管道清潔程度已經(jīng)達(dá)到了漏磁檢測器的運(yùn)行要求[4]。

2.2 管道變徑檢測

管道變徑檢測是對管道的通過性能(最小通過直徑)進(jìn)行測試,其檢測結(jié)果用于判斷管道能否進(jìn)行下一步的幾何檢測和漏磁檢測。

Rosen公司對管道進(jìn)行了兩次變徑檢測,分別使用帶有90%管道內(nèi)徑的測徑盤和95%管道內(nèi)徑的測徑盤的測徑清管器進(jìn)行清管。90%測徑盤測得前直徑為888mm,后直徑為887 mm;95%測徑盤測得前直徑為938 mm,后直徑為919 mm。而按規(guī)定最小幾何檢測安全內(nèi)徑參數(shù)為850 mm。根據(jù)檢測結(jié)果,確認(rèn)可以執(zhí)行內(nèi)幾何檢測。

2.3 電子幾何清管器的內(nèi)幾何檢測(EGP)

電子內(nèi)幾何檢測是對管道內(nèi)的管段、設(shè)備進(jìn)行檢測并模擬漏磁通檢測的一項(xiàng)檢測內(nèi)容,用以推論這條管線沒有影響ROSEN公司CDP檢測的主要障礙。

ROSEN公司對管道進(jìn)行內(nèi)幾何檢測的結(jié)果顯示,除工具經(jīng)歷波動(dòng)或者螺紋焊縫影響區(qū)域的數(shù)據(jù)結(jié)果可能受到影響外,其他的記錄數(shù)據(jù)完整,質(zhì)量較好。此外,管線上的主要設(shè)備都能被檢測到。

2.4 漏磁通金屬損失檢測(CDP)

2.4.1 設(shè)置定標(biāo)點(diǎn)

由于內(nèi)檢測器的里程輪在如此長距離的管線中行走,由于打滑或者彎頭的影響,很容易導(dǎo)致累積誤差,導(dǎo)致以后找?guī)缀稳毕蔹c(diǎn)出現(xiàn)困難。為了便于以后對此次漏磁檢測工程中檢測出來的缺陷點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證或是進(jìn)行維修補(bǔ)強(qiáng),必須在管線的沿途對行走距離進(jìn)行修正。此次檢測共設(shè)置了21個(gè)BM5型跟蹤器和30個(gè)BM7型定標(biāo)點(diǎn)。平均每隔5.32 km設(shè)置一個(gè)定標(biāo)點(diǎn)對內(nèi)檢測器在管線的行走距離進(jìn)行修正。

2.4.2 漏磁通金屬損失檢測

Rosen工程公司對管道進(jìn)行了智能檢測,其漏磁檢測器在管中的運(yùn)行參數(shù)如表1。

本次檢測基本實(shí)現(xiàn)所有檢測條件,無數(shù)據(jù)/距離丟失,傳感器漏失在可接受范圍內(nèi),磁化等級在可接受范圍內(nèi),工具平均速度為2.2m/s。

2.5 數(shù)據(jù)處理及最終報(bào)告

所有的現(xiàn)場檢測完成后,ROSEN公司通過ROSEN 的專業(yè)數(shù)據(jù)管理軟件——ROSOFT,對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析并出具最終檢測報(bào)告。

最終檢測報(bào)告指出,此次內(nèi)檢測使用 ROSEN CDP一次性成功實(shí)施了金屬損失的檢測?？傮w看來,在磁化等級較好的區(qū)域,除閥門外,數(shù)據(jù)質(zhì)量很好,可信度較高。此外,共有24個(gè)金屬損失缺陷點(diǎn)被檢測到。金屬損失0%～9%,不適用;金屬損失10%～19%,23個(gè);金屬損失20%～29%,1個(gè);金屬損失30%以上,無。最大壁厚損失28%,缺陷可能是環(huán)焊縫缺陷,位于管線檢測距離0.19 km。報(bào)告中對于每個(gè)缺陷的描述通過金屬損失特征分布圖、缺陷方位圖、管壁損失分布圖、長度分布圖、寬度分布圖和深度分布圖來具體表示。

2.6 最終評價(jià)

最后在管道檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上,ROSEN公司進(jìn)行了相應(yīng)的歸納性建議：根據(jù)腐蝕檢測分析,缺陷遵循界定的壓力標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),即無80%金屬損失缺陷,無須采取補(bǔ)救措施。

3 結(jié)語

(1)此次管道的內(nèi)幾何檢測和金屬損失檢測結(jié)果表明,管道中無影響管道本質(zhì)安全的缺陷,故沒有開挖驗(yàn)證的必要,因而報(bào)告的準(zhǔn)確性難以從統(tǒng)計(jì)學(xué)上加以認(rèn)定和評價(jià)。但此次管道漏磁內(nèi)檢測工程一次性成功運(yùn)行ROSEN的EGP和CDP,得到的數(shù)據(jù)完整、清晰,再一次驗(yàn)證了基于漏磁通原理的管道內(nèi)檢測技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

(2)出具的檢測報(bào)告增加了用戶對管線安全的自信度,豐富了管道完整性管理的基礎(chǔ)信息。

(3)此次檢測對今后的管道完整性管理的漏磁內(nèi)檢測技術(shù)工作起到了很好的總結(jié)指導(dǎo)作用。

(4)管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)在國際上屬于壟斷技術(shù),僅有少數(shù)幾家公司掌握該項(xiàng)技術(shù)。國內(nèi)在一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)己開始開展該技術(shù)的研究。目前,這項(xiàng)技術(shù)在我國雖然起步較晚,但是起點(diǎn)較高?，F(xiàn)已全面開展在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)國際領(lǐng)先技術(shù)水平的關(guān)鍵技術(shù)的研究,且已取得初步成果。借助國內(nèi)的技術(shù)力量,并將國際上成熟的檢測成果應(yīng)用到產(chǎn)品中去,是使我國的漏磁檢測器研制水平在短時(shí)間內(nèi)躋身國際先進(jìn)行列的捷徑。未來漏磁檢測技術(shù)必將在維護(hù)管道安全生產(chǎn)上發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]劉慧芳,張鵬,周俊杰,等.油氣管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2008(5)：46.

[2]王瑞利,李斌,高強(qiáng).漏磁檢測與超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用比較[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2006(5)：15.

[3]黃輝,何仁洋,熊昌勝,等.漏磁檢測技術(shù)在管道檢測中因素分析[J].檢測監(jiān)測,2009,23(8)：46.

[4]SY/T 6597—2004 鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范[S].