文海燕，張 冉

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作湖北中心，430070）

油氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)綜述

文海燕，張 冉

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作湖北中心，430070）

油氣管道泄漏將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，因此，需要采用管道缺陷檢測(cè)相關(guān)技術(shù)來(lái)定期對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)，最終達(dá)到對(duì)油氣管道的保修和維護(hù)目的。本文首先歸納了油氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)演進(jìn)過(guò)程，然后從申請(qǐng)人和申請(qǐng)量的角度進(jìn)行了專(zhuān)利分析。

管道；缺陷檢測(cè)；技術(shù)演進(jìn)

0　引言

管道是運(yùn)輸石油、天然氣和成品油最經(jīng)濟(jì)、最安全有效的方式之一，廣泛應(yīng)用于原油、成品油和天然氣的運(yùn)輸。管道運(yùn)輸已經(jīng)成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，且每年都以很高的速度在增長(zhǎng)，但是隨著管道的增多，管齡的增長(zhǎng)，管道因腐蝕破壞而造成的穿孔泄漏事故頻發(fā)。油氣管道的泄漏不僅帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)嚴(yán)重地污染環(huán)境并破壞生態(tài)，甚至發(fā)生火災(zāi)爆炸，威脅人民的生命安全。因此，對(duì)油氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究，是有重大意義的工作。

1　油氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)演進(jìn)

管道缺陷檢測(cè)主要是采用特定的管道缺陷檢測(cè)傳感器對(duì)管道泄漏部位進(jìn)行檢測(cè)，獲得大量原始數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)采用有效的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，從而對(duì)管道缺陷進(jìn)行識(shí)別。國(guó)外從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始對(duì)管道缺陷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，我國(guó)對(duì)于管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展很快。研究的一個(gè)重點(diǎn)是管道泄漏檢測(cè)技術(shù)。下面從這兩方面來(lái)介紹管道缺陷檢測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1.1管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的初期形成階段

1965年來(lái)，美國(guó)Tuboscope公司采用軸向漏磁檢測(cè)裝置Linalog首次進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)。其檢測(cè)的原理為當(dāng)鐵磁性材料被強(qiáng)大的磁場(chǎng)深度磁化時(shí)，若被檢材料中存在缺陷，由于缺陷部位橫截面積的突變及鐵磁性材料與空氣磁導(dǎo)率的差異，使得一部分磁場(chǎng)繞過(guò)缺陷部位，并從周?chē)慕橘|(zhì)中穿過(guò)，導(dǎo)致磁場(chǎng)局部發(fā)生畸變，這樣通過(guò)傳感器（霍爾元件或線(xiàn)圈）的檢測(cè)就能將磁場(chǎng)的變化情況通過(guò)電信號(hào)轉(zhuǎn)換記錄儲(chǔ)存下來(lái)，作為缺陷定位和定量的直接依據(jù)，MFL檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠、精確，是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最完善的管道檢測(cè)手段并被廣泛地使用。1976年，BRITISH GAS公司提出了對(duì)管道缺陷進(jìn)行漏磁檢測(cè)的專(zhuān)利申請(qǐng)GB1567166 A，該測(cè)試系統(tǒng)包括磁鐵14、磁極13以及對(duì)布置在管道被磁化區(qū)域的附近，對(duì)管道缺陷進(jìn)行檢測(cè)的電磁場(chǎng)探測(cè)器9和10，該專(zhuān)利結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是管道漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的雛形，如圖1所示。

圖1　專(zhuān)利GB1567166 A附圖

1.2周向漏磁檢測(cè)技術(shù)的興起

上世紀(jì)70年代，美國(guó)Tuboscope 公司開(kāi)始研究周向勵(lì)磁漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于檢測(cè)和定量評(píng)定軸向?qū)蛉毕菥哂袧撛趦?yōu)勢(shì)，這種方法依靠環(huán)繞管道周向分布的磁化場(chǎng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，而不是沿軸向分布的磁化場(chǎng)。依靠環(huán)繞管道（周向）分布的磁化場(chǎng)，軸向缺陷能夠明顯地改變磁場(chǎng)分布，并且更容易檢測(cè)。1994年，國(guó)際管道研究協(xié)會(huì)（PRCI）開(kāi)始研究周向勵(lì)磁漏磁檢測(cè)，早期工作集中在研究周向勵(lì)磁漏磁檢測(cè)裂紋缺陷的可行性，最后可行性得到證明。商用周向勵(lì)磁漏磁檢測(cè)工具在上世紀(jì) 90 年代中期由 GE 公司 （British Gas 的前身） 研制，該工具成功地檢測(cè)了管道中軸向?qū)蛄鸭y。1995年，BRITISH GAS公司首先申請(qǐng)了采用周向漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道內(nèi)缺陷進(jìn)行檢測(cè)的專(zhuān)利申請(qǐng)GB2297666 A，其包括沿著管道12周向均勻分布的四個(gè)永磁鐵62，來(lái)對(duì)管道進(jìn)行磁化，每個(gè)永磁鐵上在與管壁之間都設(shè)置有鋼刷64，將檢測(cè)的磁信號(hào)發(fā)送給相關(guān)處理設(shè)置對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別，該設(shè)備對(duì)缺陷定量評(píng)定方便有了提高，沿用至今，如圖2所示。

圖2　專(zhuān)利GB2297666 A附圖

漏磁檢測(cè)方法適用于中小型管道的細(xì)小缺陷檢測(cè)。該方法操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、檢測(cè)費(fèi)用較低， 對(duì)管道輸送的介質(zhì)不敏感，可以進(jìn)行油氣水多相流管道的腐蝕檢測(cè)， 可以覆蓋管道的整個(gè)圓周，且漏磁檢測(cè)具有量化檢測(cè)結(jié)果、高可靠性、高效、低污染等特點(diǎn)，在管道內(nèi)檢測(cè)中使用極為廣泛。但相比其它檢測(cè)方法，MFL會(huì)造成被檢測(cè)管道永久磁化，此外，軸向漏磁檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)軸向缺陷，周向漏磁檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)周向缺陷。

1.3高分辨率EMAT檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

進(jìn)入九十年代，由于電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)的發(fā)展，以及其具有的不會(huì)對(duì)被測(cè)試件造成任何影響，且無(wú)需近距離接觸被測(cè)試件、便于檢測(cè)復(fù)雜形狀的試件等優(yōu)勢(shì)，很多學(xué)者專(zhuān)家致力于研究將其用于對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，相比漏磁檢測(cè)技術(shù)而言，其不需要對(duì)被測(cè)管道進(jìn)行磁化而言。電磁超聲的檢測(cè)原理是將激勵(lì)線(xiàn)圈置于導(dǎo)電金屬表面上，線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用于金屬并在金屬表面層內(nèi)感應(yīng)出渦流，渦流與施加在試件上的另一外加恒定磁場(chǎng)相互作用，從而激發(fā)出與渦流頻率相同的超聲波，接收超聲波是上述過(guò)程的逆過(guò)程。其設(shè)備主要由電磁超聲換能器、激勵(lì)裝置和接收裝置組成。1994年，BRITISH GAS公司首先提出了對(duì)管道采用電磁超聲進(jìn)行缺陷檢測(cè)的專(zhuān)利申請(qǐng)GB2259571 A，其包括檢測(cè)管道管壁的超聲波傳感器，超聲波傳感器傳播超聲波信號(hào)到管道中，隨后接收從缺陷反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，以此來(lái)分析管道的缺陷，如圖3所示。

圖3　專(zhuān)利GB2259571 A

1.4三軸高清漏磁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)的漏磁檢測(cè)器通常只記錄漏磁場(chǎng)一個(gè)方向分量，近年來(lái)，隨著對(duì)缺陷檢出率和檢測(cè)精度的要求越來(lái)越高，其一選擇是盡量提高傳感器的分辨率，即增加探頭數(shù)量，然而對(duì)于特定管徑，探頭數(shù)量是有上限的，不可能無(wú)限制增加，因此，三周高清漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其采用三軸探頭，即在同一探頭中封裝可采集不同方向漏磁場(chǎng)分量的傳感器，通過(guò)多分量信號(hào)的分析，提高對(duì)缺陷的檢出率、靈敏度和尺寸判定精度。三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)綜合分析了漏磁場(chǎng)的3個(gè)分量，可提高缺陷的識(shí)別率以及缺陷尺寸的判定精度，為缺陷的后續(xù)評(píng)價(jià)提供了更準(zhǔn)確的參數(shù)，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。對(duì)比普通漏磁與三軸高清漏磁檢測(cè)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，三軸高清漏磁檢測(cè)的信號(hào)通道數(shù)和信號(hào)質(zhì)量較普通漏磁高。2006年，美國(guó)GE公司研制了新一代基于三軸高清漏磁檢測(cè)技術(shù)的MagneScan，對(duì)缺陷深度、長(zhǎng)度和寬度測(cè)量精度可以達(dá)到±10%WT、±10和±15mm（WT為管壁厚度）。國(guó)內(nèi)也有一些科研院所開(kāi)展了相關(guān)的研究，2015年10月，中國(guó)石油大學(xué)（北京）申請(qǐng)了基于三軸漏磁檢測(cè)的小管徑連續(xù)油管內(nèi)缺陷檢測(cè)裝置的專(zhuān)利CN105181789 A，漏磁檢測(cè)組件設(shè)置在支撐軸1上，該漏磁檢測(cè)組件包括MEMS三軸磁力傳感器6，該MEMS三軸磁力傳感器6能夠檢測(cè)待測(cè)管道（如管徑為20mm～50mm的連續(xù)油管）內(nèi)的漏磁信號(hào)?？刂茊卧〝?shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸模塊，該數(shù)據(jù)處理模塊能夠?qū)⒃撀┐艡z測(cè)組件檢測(cè)到的該漏磁信號(hào)進(jìn)行處理，該無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸模塊能夠?qū)⒃摂?shù)據(jù)處理模塊處理后的該漏磁信號(hào)發(fā)射，大大提高了管道的缺陷識(shí)別和評(píng)定能力。

圖4　管道缺陷檢測(cè)相關(guān)專(zhuān)利國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人

2　油氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)專(zhuān)利分析

管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的專(zhuān)利文獻(xiàn)的IPC分類(lèi)號(hào)為G01N29/00及其下點(diǎn)組，G01N 27/82及其下點(diǎn)組，F(xiàn)17D5/00及其下點(diǎn)組。為了對(duì)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)布局有一定的了解，在CNABS庫(kù)中重點(diǎn)分析國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量共731件，其中排名前十名的申請(qǐng)人的申請(qǐng)總量為206篇，占總量的約30%。各個(gè)申請(qǐng)人的申請(qǐng)占有量如圖4所示，從中可以看出，重要申請(qǐng)人為高校中國(guó)石油

天然氣集團(tuán)及高校，國(guó)外基本沒(méi)有在中國(guó)申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利。

為了對(duì)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)布局有一定的了解，在VEN中重點(diǎn)分析國(guó)外申請(qǐng)人，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)共1524件，其中排名前十名的申請(qǐng)人的申請(qǐng)總量為485篇，占總量的約30%。各個(gè)申請(qǐng)人的申請(qǐng)占有量如圖4所示，從中可以看出，重要申請(qǐng)人為高校中國(guó)石油天然氣集團(tuán)及高校，國(guó)外基本沒(méi)有在中國(guó)申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利。

為了對(duì)國(guó)外申請(qǐng)布局有一定的了解，在VEN中重點(diǎn)分析國(guó)外申請(qǐng)人，國(guó)外申請(qǐng)共4395件，其中排名前十名的申請(qǐng)人的申請(qǐng)總量為852，占總量的約30%。各個(gè)申請(qǐng)人的申請(qǐng)占有量如圖5所示，從中可以看出，重要申請(qǐng)人為美國(guó)GE公司和Tuboscope公司、日本住友集團(tuán)（Sumitomo），美國(guó)、日本在這方面的研究處于世界前列，而前十名中沒(méi)有出現(xiàn)中國(guó)申請(qǐng)人。

在CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)中，統(tǒng)計(jì)了不同年份（1980之前，1980-1989，1990-1999，2000-2009，2009-2015年）的相關(guān)數(shù)據(jù)，從圖6中可以看出，在80年以前，管道缺陷檢測(cè)技術(shù)處于萌芽階段，專(zhuān)利申請(qǐng)量較小，80年代到21世紀(jì)前幾年，是管道漏磁檢測(cè)技術(shù)蓬勃發(fā)展的階段，專(zhuān)利申請(qǐng)量有了很大的提升，而從2009年到2015年底，管道缺陷檢測(cè)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，專(zhuān)利申請(qǐng)量直線(xiàn)上升，說(shuō)明市場(chǎng)對(duì)管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的需求很大，導(dǎo)致越來(lái)越多的科研院所和企業(yè)加入到該技術(shù)的研究之中。

［1］ 王為民.國(guó)內(nèi)外石油管道輸送技術(shù)發(fā)展綜述［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，1997，27（4）： 4-8.

［2］ 廖曉玲等，工業(yè)管道漏磁檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀綜述.價(jià)值工程，236-237.

［3］Dr.-Ing.Martin Klann，Thomas Beuker.Pipeline Inspection With The High Resolution EMAT ILI-Tool：Report on Field Experience［C］//proc.1PC 2006，Paper 10156 Calgary Canada：6th International Pipeline Conference，2006：1-7.

［4］ Ahmed Yamani.High-order Spectra-based Deconvolution of Ultrasonic NDT Signals for Defect Identification［J］. Ultrasonics，1997，35（7）：525-531.

［5］ 黃松嶺，葉朝峰，王珅，等.天然氣管道裂紋電磁超聲檢測(cè)器研制［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31（10）：827-82.

Overview of defects detection technology for oil and gas pipeline

Wen Haiyan，Zhang Ran
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of The Patent Office，430070）

Pipeline Leak will cause huge economic losses and environmental pollution，therefore，pipeline defect detection technique related to regular pipeline defect detection for oil and gas pipelines is need to adopt to reach the final warranty and maintenance purposes.This paper summarizes the pipeline defect detection technology evolution， and the applicants and patent applications perspective is anylised.

pipeline；detection of defects；technology evolution

圖5　管道缺陷檢測(cè)相關(guān)專(zhuān)利國(guó)內(nèi)國(guó)外申請(qǐng)人

圖6　

注：本文第二作者（張冉）對(duì)文章貢獻(xiàn)等同第一作者。