鮑慶軍，帥健

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京 102249）

油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

鮑慶軍，帥健

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京 102249）

管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)可在管道運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道存在的缺陷，對(duì)保證管道安全具有不可替代的作用。介紹了油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的原理和方法，以及內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和最新研究進(jìn)展。對(duì)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了具體的分類，目前已形成四類特定功能的管道內(nèi)檢測(cè)：金屬損失、裂紋、幾何、測(cè)繪，通過研究各種內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的局限性和發(fā)展方向。

內(nèi)檢測(cè)器；油氣管道；金屬損失；缺陷；可靠性

管道在運(yùn)輸液體和氣體時(shí)，相對(duì)于其他運(yùn)輸方式更安全、高效和經(jīng)濟(jì)，是目前輸送石油和天然氣的主要方式。但隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增長，各種隱患出現(xiàn)的概率不斷增大，管道的安全運(yùn)行成為亟待解決的問題。根據(jù)浴盆曲線理論和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，管道運(yùn)行的早期和后期事故發(fā)生的概率較大，特別是后期，由于運(yùn)行時(shí)間過長，管道腐蝕破壞的程度較大，更易發(fā)生泄漏事故[1]。目前，我國很多管道都已運(yùn)行了 30余年，進(jìn)入了事故高發(fā)期，為了避免管道事故的發(fā)生，定期的對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)是行之有效的方法。本文通過研究目前主要內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析內(nèi)檢測(cè)技術(shù)存在的問題，指出了進(jìn)一步的發(fā)展方向。

1 內(nèi)檢測(cè)的必要性

為了保障管道的安全運(yùn)行，國內(nèi)外都頒布了各自的實(shí)用性準(zhǔn)則和法律文件，強(qiáng)制管道運(yùn)營商進(jìn)行定期檢測(cè)，維護(hù)管道安全[2]。油氣管道作為國家的特殊重要設(shè)施，一旦發(fā)生事故，往往造成嚴(yán)重后果，不僅會(huì)造成油氣運(yùn)輸間斷，影響人們生活，由于運(yùn)輸物質(zhì)的特殊性，往往還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并伴隨重大經(jīng)濟(jì)損失。管道運(yùn)營商應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行基線檢測(cè)和周期性檢測(cè)，基線檢測(cè)可以建立管道的基本資料，為全面掌控管道提供數(shù)據(jù)保障，周期性檢測(cè)是對(duì)缺陷監(jiān)控的重要手段。綜上所述，內(nèi)檢測(cè)為管道安全運(yùn)行和合理維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

內(nèi)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合管道特性和輸送介質(zhì)的情況來確定所用的檢測(cè)計(jì)劃，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)管道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，是一個(gè)系統(tǒng)工程[3]。它可以在管道正常運(yùn)行狀態(tài)下，利用類似清管器的裝置對(duì)管道進(jìn)行無損檢測(cè)，并自動(dòng)采集、分析、存儲(chǔ)所獲得的數(shù)據(jù),進(jìn)而獲得管道的缺陷狀況。目前已形成四類特定功能的管道內(nèi)檢測(cè)：金屬損失——腐蝕缺陷、劃傷等；裂紋——疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋等；幾何——管壁凹陷、壓扁、橢圓度等；測(cè)繪——路徑[4]。針對(duì)上述四類缺陷，各大內(nèi)檢測(cè)公司及科研機(jī)構(gòu)發(fā)展了基于不同原理的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的功能。目前的檢測(cè)技術(shù)主要有：漏磁檢測(cè)技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)、射線檢測(cè)技術(shù)、熱像顯示技術(shù)、幾何變形檢測(cè)技術(shù)和測(cè)繪檢測(cè)等。

2.1 漏磁檢測(cè)技術(shù)

漏磁內(nèi)檢測(cè)器的工作原理可描述為：當(dāng)檢測(cè)器在管道內(nèi)部運(yùn)行時(shí)，被檢管道被磁化，若管壁是完好和均勻的，則磁力線在管壁內(nèi)穩(wěn)定通過，沒有泄露。若管道含有腐蝕或裂紋等缺陷，則缺陷處管壁的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁力線發(fā)生泄露形成漏磁場(chǎng)，內(nèi)檢測(cè)器能檢測(cè)到這種變化，通過分析就能獲得缺陷的具體信息。

目前漏磁檢測(cè)技術(shù)主要發(fā)展了三軸高清漏磁檢測(cè)技術(shù)、周向勵(lì)磁漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)、三維脈沖漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)等。三軸高清漏磁內(nèi)檢測(cè)器增加了探頭中傳感器的數(shù)量，能同時(shí)記錄泄漏磁場(chǎng)的三維分量，可提高對(duì)缺陷的位置、類型、形狀和尺寸等識(shí)別能力和測(cè)量精度[5]。周向勵(lì)磁漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)通過管道周向分布的磁化場(chǎng)對(duì)管壁進(jìn)行檢測(cè)，可改變管壁的磁場(chǎng)分布，提高檢測(cè)軸向延伸缺陷的準(zhǔn)確率。三維脈沖漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是將具有一定占?jí)罕鹊拿}沖電壓（流）加載至激勵(lì)線圈來實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試件的局部磁化，如果被測(cè)試件存在缺陷，其漏磁場(chǎng)發(fā)生變化，感應(yīng)電壓也隨之變化。旋轉(zhuǎn)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)將周向漏磁技術(shù)和軸向漏磁技術(shù)相結(jié)合，解決了檢測(cè)器很難檢測(cè)很淺、長且寬的金屬損失缺陷的問題，提高了對(duì)狹長裂縫的檢測(cè)精度（圖 1）[5]。

圖1 SpirALLTM 螺旋漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)Fig.1SpirALLTM Spiral MFL technology

2.2 超聲波內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

超聲內(nèi)檢測(cè)的工作原理可描述為：由超聲波傳感器向管壁垂直發(fā)射的超聲波脈沖，經(jīng)過管道內(nèi)外壁的反射后被探頭接收，根據(jù)超聲波在管壁材質(zhì)中的傳播速度和兩次脈沖回波的時(shí)間差，計(jì)算出管道壁厚。根據(jù)超聲波的反射角度，計(jì)算出管壁缺陷的形狀和尺寸等參數(shù)。

美國 GE 公司利用相控陣超聲波技術(shù)(Phased Array Technology)研發(fā)的產(chǎn)品 UItraScanTM Duo，探頭環(huán)是采用探頭組的形式來布置的，通過控制探頭組內(nèi)探頭的激發(fā)順序即可產(chǎn)生聚焦的超聲波脈沖。彈性波檢測(cè)器發(fā)射的彈性波信號(hào)能在氣體介質(zhì)中傳播，可用于對(duì)焊縫缺陷的檢測(cè)，特別是對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋和長焊縫有較好的檢測(cè)效果[6]。德國 AG 公司使用電磁換能器（EMAT）技術(shù)研發(fā)了 Line Explorer 3TM-tool（圖 2），可發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，同時(shí)也可產(chǎn)生電磁渦流信號(hào)，該檢測(cè)器因其特殊的構(gòu)造，可對(duì)氣體和液體管道進(jìn)行檢測(cè)，以及對(duì)不同管徑的管道進(jìn)行檢測(cè)，綜合分析不同檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，可提高對(duì)腐蝕尺寸和缺陷的檢測(cè)精度。壓電超聲波檢測(cè)器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生和接收超聲波信號(hào)，對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)。激光超聲檢測(cè)技術(shù)將強(qiáng)度被調(diào)制的脈沖激光束照射在被測(cè)件表面產(chǎn)生超聲波來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)檢測(cè)，可不接觸管壁進(jìn)行檢測(cè)，掃描成像速度快，檢測(cè)過程中產(chǎn)生的超聲波抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度和分辨率都很高，能夠檢測(cè)很小的缺陷。GE公司在其研制的第二代超聲波腐蝕檢測(cè)器的前端加入三個(gè)注入水的隔離密封塞，由于密封塞提供了超聲波檢測(cè)的液體耦合環(huán)境，故該檢測(cè)器可對(duì)液體和氣體管道進(jìn)行檢測(cè)[7]。

圖2 多功能管道缺陷檢測(cè)器實(shí)物圖Fig.2 Multi-functionpipeline defect detectorphysical map

2.3 渦流檢測(cè)技術(shù)

渦流檢測(cè)的基本原理可以描述為：用載有正弦波交變電流的實(shí)驗(yàn)線圈靠近被測(cè)管道時(shí)，線圈周圍的交變磁場(chǎng)會(huì)在管壁導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流。如果管壁存在缺陷或材質(zhì)和尺寸變化，渦流的大小、相位和流動(dòng)形式將會(huì)發(fā)生改變，引起感應(yīng)電磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而使耦合后的阻抗發(fā)生變化，通過測(cè)量?jī)x器測(cè)量檢測(cè)線圈阻抗的變化，就可分析出被測(cè)試件的缺陷情況。

目前提出的基于渦流檢測(cè)理論的技術(shù)主要包括單頻渦流檢測(cè)技術(shù)、多頻渦流檢測(cè)技術(shù)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)、阻抗平面顯示技術(shù)、深層渦流技術(shù)和磁光渦流成像技術(shù)。傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)是用單一頻率的正弦波電壓或電流作為其激勵(lì)信號(hào)的單頻渦流檢測(cè)技術(shù)，對(duì)管壁進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)。多頻渦流檢測(cè)技術(shù)是采用多種頻率的正弦波電壓或電流作為激勵(lì)信號(hào)，由于獲得的檢測(cè)失真較少，檢測(cè)精度較高。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)采用的是低頻渦流，能夠穿透管壁，檢測(cè)探頭主要有激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈組成，其克服了趨膚效應(yīng)，能夠?qū)鼙谕獗砻娴娜毕葸M(jìn)行檢測(cè)。目前遠(yuǎn)場(chǎng)渦流內(nèi)檢測(cè)器主要有Russell公司 See Snake，如圖 3 所示[8]。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)采用的是占空比一定的方波號(hào)，通過激勵(lì)線圈在被測(cè)管壁上感生出脈沖渦流，引起檢測(cè)器上或檢測(cè)線圈上的電壓變化，通過分析電壓變化的波形曲線可得到管壁的缺陷情況。

圖3 Russell公司See SnakeFig.3 Russell company See Snake

2.4 射線檢測(cè)技術(shù)

射線檢測(cè)技術(shù)的原理是利用射線（如X射線、γ射線、同位素和高能射線等）穿透管壁過程的衰減規(guī)律，根據(jù)穿透被測(cè)管壁后的射線強(qiáng)度來判斷管道的內(nèi)部缺陷情況。檢測(cè)原理如圖4所示。根據(jù)圖中穿透管壁前的射線強(qiáng)度IO和穿透后的射線強(qiáng)度I′之間的差值，就可計(jì)算出管道的缺陷ΔΤ。

圖4 射線檢測(cè)原理圖Fig.4 Ray detector Schematic

目前射線檢測(cè)技術(shù)主要可分為射線照相、實(shí)時(shí)成像和射線層析3種。射線技術(shù)早期采用膠片照相法，檢測(cè)的工序多周期長，得到的圖像質(zhì)量偏低，成本高且受檢測(cè)人員影響較大，這些缺點(diǎn)阻礙了射線膠片照相法的擴(kuò)展應(yīng)用?？蒲腥藛T借助于數(shù)字圖像處理技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展成果，研發(fā)出工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)（ICT）、數(shù)字化射線成像技術(shù)、射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)和X射線工業(yè)電視等一些新技術(shù)?！癤 射線工業(yè)電視”采用工業(yè) CCD攝像機(jī)，采用監(jiān)視器（工業(yè)電視）顯示檢測(cè)圖像。

2.5 熱像顯示技術(shù)和基于光學(xué)原理的無損檢測(cè)技術(shù)

熱像顯示技術(shù)也叫紅外熱成像檢測(cè)，使用紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)管道表面的溫度及溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行測(cè)量，通過測(cè)量結(jié)果來掌握管道的材料缺陷、力學(xué)性能和腐蝕的原因及影響深度。

基于光學(xué)原理的無損檢測(cè)技術(shù)可對(duì)管壁內(nèi)表面的斑點(diǎn)、裂紋和腐蝕進(jìn)行快速測(cè)量和定位，檢測(cè)精度較高，在實(shí)際應(yīng)用中較之其他檢測(cè)技術(shù)有很多優(yōu)勢(shì)。目前基于光學(xué)原理的無損檢測(cè)技術(shù)主要有激光反射檢測(cè)技術(shù)、CCTV 攝像技術(shù)（圖 5）和工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)等，其檢測(cè)原理可描述為：基于光學(xué)原理的內(nèi)檢測(cè)器對(duì)管壁進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過影像顯示終端將檢測(cè)結(jié)果直觀的顯示出來。

圖5 CCTV攝像技術(shù)原理示意圖Fig.5 Schematic camera technology

2.6 幾何變形檢測(cè)

幾何變形檢測(cè)器主要采用機(jī)械爪或者有機(jī)械爪的輻射架，機(jī)械爪緊挨著管道內(nèi)壁運(yùn)行，當(dāng)管壁存在凹陷、偏圈、褶皺或附著在管壁上的碎屑等引起管道橫斷面變化的缺陷時(shí)，機(jī)械爪就會(huì)發(fā)生偏移，檢測(cè)器將這些偏移轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)并儲(chǔ)存起來，后期通過對(duì)電信號(hào)的分析就可確定影響管道完整性的幾何異常情況。圖6為檢測(cè)示意圖。

圖6 幾何變形檢測(cè)示意圖Fig.6 Geometric Deformation Monitoring schematic

目前變形檢測(cè)器能夠檢測(cè)的管道直徑范圍主要為 100～1500 mm，檢測(cè)靈敏度通常約為管道直徑的 0.2%～1%，精度大約為 0.1%～2%。如表 1和表2所示。

表1 幾何檢測(cè)性能規(guī)格Table 1Geometric detectionperformance specifications

表2 幾何檢測(cè)定位精度Table 2 Localization accuracy of geometric detection

2.7 測(cè)繪檢測(cè)

路徑測(cè)繪就是對(duì)管道的位置進(jìn)行檢測(cè)，獲得管道中心線的精確坐標(biāo)值。通過分析管道的坐標(biāo)信息，可以發(fā)現(xiàn)因環(huán)境因素導(dǎo)致的管道變形，獲得管道整體的曲率變化和相對(duì)應(yīng)彎曲應(yīng)變[9]。利用測(cè)繪信息和內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)可計(jì)算出管道所有參考環(huán)焊縫的 GPS坐標(biāo)，以此繪出工程圖，能夠幫助制定完善的維修方案并確定缺陷的位置。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，可對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、缺陷定位和高后果區(qū)識(shí)別。

油氣管道慣性測(cè)繪內(nèi)檢測(cè)技術(shù)使用慣性器件對(duì)管道的三維相對(duì)位置坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)繪，以地面高精度參考點(diǎn)GPS坐標(biāo)加以修正，可繪制出管道中心線的三維走向圖。

3 內(nèi)檢測(cè)技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)

內(nèi)檢測(cè)技術(shù)存在的問題：①所有內(nèi)檢測(cè)器對(duì)于缺陷的探測(cè)、描述、定位及確定大小的可靠性仍不穩(wěn)定；②由于工作環(huán)境存在高壓和低/高溫等特殊條件，會(huì)影響檢測(cè)器的檢測(cè)精度甚至?xí)斐稍O(shè)備的損壞；③檢測(cè)結(jié)果的分析方法不一致；④完成檢測(cè)是一個(gè)多步驟的過程，取決于實(shí)施過程控制及相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)。⑤目前還沒有如何診斷和分析缺陷三維大小的推薦做法。

內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：①用三維圖像直觀顯示管壁缺陷；②將多種檢測(cè)技術(shù)結(jié)合使用，開發(fā)適用于多種環(huán)境條件及多種檢測(cè)功能的檢測(cè)設(shè)備；③開發(fā)多樣化、尺寸規(guī)格系列化、高分辨率及智能化管道內(nèi)檢測(cè)器；④加大對(duì)管道裂紋的研究；⑤提高內(nèi)檢測(cè)器探頭的質(zhì)量和數(shù)量，進(jìn)而提高了分析結(jié)果的精確性；⑥提高內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在缺陷檢測(cè)、定位、描述的精確度；⑦形成統(tǒng)一認(rèn)可的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，完善檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，編制國家權(quán)威認(rèn)可的管道內(nèi)檢測(cè)的相關(guān)規(guī)范。

4 結(jié)束語

作為管道完整性管理的必備手段，內(nèi)檢測(cè)技術(shù)能夠在線檢測(cè)管道的各種數(shù)據(jù)，識(shí)別出管道存在的缺陷，是管道完整性評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)。目前的檢測(cè)技術(shù)存在檢測(cè)結(jié)果精確度不夠高等缺點(diǎn)，未來隨著科研水平的提升和其他高科技的發(fā)展，將研制出結(jié)合多種檢測(cè)技術(shù)，能夠檢測(cè)多種缺陷的多功能內(nèi)檢測(cè)器。

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Researchprogress in the Inner Detection Technology of Oil and Gaspipeline

BAO Qing-jun, SHUAI Jian
（China University ofpetroleum, Beijing 102249, China）

Thepipeline inner detection technology can detect thepipeline when it is in operation, which can find flaws of thepipeline timely, andplay an important role in the safety running ofpipeline. In thispaper, theprinciple and methods of oil and gaspipeline inner detection technology were introduced as well as the latest researchprogress and development status of the detection technology. Then and the detection technology was classified into four types with special functions: metal loss, crack, geometry, surveying and mapping. At last, existingproblems and development trend of the detection technology wereput forward.

Inner detector; Oil and gaspipeline; Metal loss; Defect; Reliability

TE 832

： A

： 1671-0460（2017）02-0298-04

國家科技支撐計(jì)劃課題（編號(hào)：2015BAK16B02）課題名稱：城鎮(zhèn)油氣管道安全完整性管理技術(shù)方法研究。

2016-07-22

鮑慶軍（1989-），男，河南省商丘市人，研究生，碩士，研究方向：油氣裝備失效分析與完整性管理。E-mail：baoqj0420@163.com。