蔣林林,楊 濤,周 冰,徐 烈,王志濤,呂青楠

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院， 天津 300451;2.CNPC石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室， 天津 300451;3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西部管道分公司， 烏魯木齊 830000)

站場(chǎng)埋地管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

蔣林林1,2,楊 濤3,周 冰1,2,徐 烈3,王志濤1,2,呂青楠3

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院， 天津 300451;2.CNPC石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室， 天津 300451;3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西部管道分公司， 烏魯木齊 830000)

采用Teletest Focus+系統(tǒng)對(duì)站場(chǎng)埋地管道進(jìn)行超聲導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)，分析超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在站場(chǎng)埋地管道腐蝕檢測(cè)中的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果與開挖檢測(cè)結(jié)果相符，該技術(shù)可以用于站場(chǎng)埋地管道的腐蝕檢測(cè)；通過合理選擇傳感器安裝位置，可實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)埋地管道的有效檢測(cè)。

站場(chǎng);埋地管道; 超聲導(dǎo)波;檢測(cè)

站場(chǎng)埋地管道鋪設(shè)復(fù)雜、口徑不一，彎頭、三通眾多，直管段較短。埋地管道的防腐涂層一般不能在工廠內(nèi)預(yù)制完成，只能在現(xiàn)場(chǎng)完成，而現(xiàn)場(chǎng)施工條件很難使涂層質(zhì)量得到有效控制。而且，主線管道的腐蝕檢測(cè)更要復(fù)雜得多[1-2]。目前，站場(chǎng)埋地管道腐蝕檢測(cè)普遍采用全面開挖后，采用傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法對(duì)管道壁厚、焊縫進(jìn)行檢測(cè)的方式，開挖工作成為檢測(cè)的主體，且工期長(zhǎng)、成本高、效率低。超聲導(dǎo)波技術(shù)以其檢測(cè)距離長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)管線100%檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[3-5]。站場(chǎng)埋地管道特點(diǎn)限制了超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)距離上的優(yōu)勢(shì)，但與全面開挖相比，使用超聲導(dǎo)波技術(shù)可以有效減少開挖量，節(jié)約成本。筆者針對(duì)站場(chǎng)埋地管道，討論了超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在站場(chǎng)埋地管道腐蝕檢測(cè)中的可行性及使用要求。

1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理及檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)波是一種沿著介質(zhì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度傳播，并被介質(zhì)幾何邊界導(dǎo)向約束的彈性機(jī)械波。其主要沿管道軸向傳播，受聲波頻率和材料厚度影響，當(dāng)管道截面積發(fā)生減薄或增厚時(shí)，導(dǎo)波信號(hào)會(huì)發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象[6]，而會(huì)有一定比例的能量波被反射回傳感器，對(duì)不連續(xù)性的檢測(cè)機(jī)理就是通過反射回波來發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小的[7-9]。通過分析缺陷產(chǎn)生的附加波型轉(zhuǎn)換信號(hào)等回波信息，可以識(shí)別出金屬缺損和管道外形的特征[10]。

1.2 導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)

采用英國(guó)皮埃公司生產(chǎn)的Teletest Focus+系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，該系統(tǒng)主要由主機(jī)、便攜式電腦、檢測(cè)工具等三大部分組成。

Teletest Focus+系統(tǒng)可靠靈敏度相當(dāng)于3%的管道橫截面積, 適合用于檢測(cè)管道外徑2～48 in(1 in=2.54 cm)的管道，理想條件下，測(cè)試范圍可達(dá)到±180 m，整個(gè)管壁檢測(cè)100%覆蓋。

1.3 導(dǎo)波模態(tài) 導(dǎo)波的頻散特性和多模態(tài)特征，會(huì)使得對(duì)接收信號(hào)的處理變得較為困難。為了使獲得的信號(hào)便于分析和處理，通常希望激勵(lì)單一、非頻散的超聲導(dǎo)波模態(tài)，故選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)和激勵(lì)頻率就顯得尤為重要。

超聲導(dǎo)波模式主要包括縱向模態(tài)(L)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)(T)和彎曲模態(tài)(F)三種[11]?？v向模態(tài)波L(0,2)在20 kHz～100 kHz 特定頻率帶寬范圍內(nèi)無頻散現(xiàn)象，是傳播最快的模態(tài)，能比其他波更快地到達(dá)接收裝置，在時(shí)域內(nèi)易區(qū)分，且能量損失少，傳播距離長(zhǎng)，是管道檢測(cè)的理想模態(tài)[12]。扭轉(zhuǎn)模態(tài)波T(0,1)在任何頻率范圍內(nèi)都具有非頻散的特性[13]，不受管徑和壁厚變化的影響，振動(dòng)方向主要集中在橫向，對(duì)管道的縱向和斜向缺陷較為敏感[14]。在長(zhǎng)距離管道檢測(cè)中具有很好的效果。

由于焊縫、彎頭、支座、法蘭、三通管段特征和腐蝕、裂紋等缺陷會(huì)對(duì)導(dǎo)波模態(tài)表現(xiàn)出不同的靈敏度，采用單一模態(tài)導(dǎo)波可能達(dá)不到很好的檢測(cè)效果。Teletest Focus+系統(tǒng)采用L(0,2)和T(0,1)兩種模態(tài)波對(duì)管道進(jìn)行聚焦掃描檢測(cè)，可以有效地提高缺陷的檢出率, 減少偽缺陷的誤判率[15]。

1.4 DAC 曲線的定義

超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)定義了5條DAC曲線：0 dB曲線，管道端部或法蘭為近全反射(100%反射)，可用于絕對(duì)參考靈敏度設(shè)置參考使用，用黑色表示；-14 dB曲線，環(huán)焊縫典型提供20%(-14 dB)管道端部的當(dāng)量反射率，用藍(lán)色表示；-20 dB曲線，-14 dB(焊縫線)與-26 dB(9%的閥值水平線)的中點(diǎn)線，用紅色表示；-26 dB曲線，管道壁厚截面損失率9%與管道端部反射率的5%(-26 dB)相當(dāng)，判為異常線，用綠色表示；-32 dB曲線，用黑色虛線表示，為3%截面損失線，可視為噪聲水平線。

2 站場(chǎng)埋地管道檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

對(duì)某長(zhǎng)輸管道輸油站進(jìn)行超聲導(dǎo)波檢測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為原油跨站埋地管道、原油出站入地彎頭、閥組區(qū)埋地匯管。

原油跨站埋地管道規(guī)格(外徑×壁厚)為φ610 mm×20.6 mm，防腐層類型為3PE防腐層?？ň甙惭b在距焊縫0.54 m位置處，采用5圈探頭進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)該處管段，縱波模態(tài)分別采用30,46 mm兩個(gè)傳感器間距進(jìn)行掃查。

原油出站入地彎頭，管道規(guī)格(外徑×壁厚)φ813 mm×16.0 mm，防腐層為防腐涂層?？ň甙惭b在離支管1.7 m處，采用5圈探頭進(jìn)行檢測(cè)?？v波模態(tài)傳感器間距為46 mm。

原油閥組區(qū)埋地匯管，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ711 mm×20.6 mm，防腐層類型為防腐涂層。卡具安裝在兩個(gè)立管中間位置，離三通焊縫1.1 m。采用5圈探頭進(jìn)行檢測(cè)。縱波模態(tài)傳感器間距為46 mm。

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析與討論

缺陷評(píng)級(jí)方法以DAC曲線為界：紅色線上方為Ⅲ級(jí)及Ⅲ級(jí)以上區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的缺陷點(diǎn)要求立即修復(fù)或更換；綠色線與紅色線之間區(qū)域?yàn)棰蚣?jí)區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的缺陷點(diǎn)建議安排修復(fù)；黑色虛線與綠色線之間區(qū)域?yàn)棰窦?jí)區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的缺陷點(diǎn)建議安排復(fù)檢；黑色虛線下方為無缺陷安全區(qū)域。

(1) 原油跨站埋地管道

Teletest Focus+系統(tǒng)會(huì)根據(jù)管徑及壁厚自動(dòng)選擇頻率進(jìn)行掃查。超聲導(dǎo)波在φ610 mm×20.6 mm(外徑×壁厚)管道中的頻散特性如圖1所示。采用L(0,2)和T(0,1)模態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。T(0,1)模態(tài)輸出量隨頻率變化的曲線如圖2所示。不同傳感器布置間距時(shí)，L(0,2)模態(tài)輸出量隨頻率變化的曲線如圖3所示。

圖1 φ610 mm×20.6 mm管道中導(dǎo)波的頻散曲線

圖2 φ610 mm×20.6 mm管道中T(0,1)模態(tài)輸出量隨頻率變化的曲線

圖3 φ610 mm×20.6 mm管道中不同傳感器布置間距時(shí)，L(0,2)模態(tài)輸出量隨頻率變化的曲線

從導(dǎo)波采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，縱波傳感器間距為30 mm時(shí)，L(0,2) 模態(tài)掃查頻率有50,60,65 kHz；縱波傳感器間距為46 mm時(shí)，L(0,2) 模態(tài)掃查頻率有30,39,48 kHz。T模態(tài)波頻率有20,27,37,65 kHz。從圖2和圖3可看出，Teletest Focus+系統(tǒng)根據(jù)管徑及壁厚自動(dòng)選擇輸出量較大的頻率進(jìn)行掃查。

通過觀察不同模態(tài)不同頻率下的掃描數(shù)據(jù)，與已知管道特征比較， T模態(tài)波27 kHz下的掃描數(shù)據(jù)對(duì)管道特征識(shí)別度較高，故采用該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。該檢測(cè)管段未發(fā)現(xiàn)疑似腐蝕缺陷，開挖檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷，超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果與開挖檢測(cè)結(jié)果相符。

圖4 原油跨站管線的超聲導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

(2) 原油出站入地彎頭

從導(dǎo)波采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，縱波L(0,2) 模態(tài)掃查頻率有31,39,48 kHz。T模態(tài)波頻率有20,27,37,71,81,85 kHz。通過觀察不同模態(tài)不同頻率下的掃描數(shù)據(jù)，與已知管道特征比較， T模態(tài)波27 kHz下的掃描數(shù)據(jù)識(shí)別度較高，故采用該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。該檢測(cè)管段未發(fā)現(xiàn)疑似腐蝕缺陷，開挖檢測(cè)也未發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷，超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果與開挖檢測(cè)結(jié)果相符。

圖5 原油出站入地彎頭的超聲導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

(3) 原油閥組區(qū)埋地匯管

從導(dǎo)波采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，縱波L(0,2) 模態(tài)掃查頻率有30,39,48 kHz。T模態(tài)波頻率有20,27,37,65 kHz。通過觀察不同模態(tài)不同頻率下的掃描數(shù)據(jù)，該檢測(cè)管段采集信號(hào)質(zhì)量較差，與已知管道特征比較，T模態(tài)波37 kHz下的掃描數(shù)據(jù)識(shí)別度相對(duì)較高，如圖6所示?？ň呶恢梦挥趦蓚€(gè)三通的中部，管段長(zhǎng)度僅為2.3 m，大部分處于導(dǎo)波檢測(cè)近區(qū)內(nèi)，因此未采用導(dǎo)波數(shù)據(jù)對(duì)該管道腐蝕狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6 原油閥組區(qū)埋地匯管的超聲導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.3 小結(jié)

采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)輸油站內(nèi)埋地管道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與開挖檢測(cè)結(jié)果相符，初步驗(yàn)證了超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在站場(chǎng)埋地管道檢測(cè)中應(yīng)用的可行性。

采用不同縱波傳感器間距檢測(cè)時(shí)，Teletest Focus+系統(tǒng)會(huì)根據(jù)管道的管徑和壁厚，以導(dǎo)波輸出量高為原則，自動(dòng)選擇掃查頻率進(jìn)行掃查，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在一定程度上降低了分析難度，有助于分析人員減少誤判。

采用Teletest Focus+系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，要注意傳感器卡具的安裝位置，由于卡具中心兩側(cè)0.75 m為近區(qū)，管道特征點(diǎn)必須選在近區(qū)以外，用以設(shè)置DAC曲線;卡具安裝位置不合適會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)管段采集不到有效信號(hào)，無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及定位。

3 結(jié)語

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)可以采用開挖探坑的方式，實(shí)現(xiàn)埋地管道傳感器安裝位置兩側(cè)管體的100%全面檢測(cè);也可以在入地彎頭地上部分安裝傳感器，實(shí)現(xiàn)彎頭入地側(cè)埋地管道的檢測(cè)，有效減少土方開挖。該技術(shù)尤其適用于穿路、穿墻等不便進(jìn)行開挖部位埋地管道的檢測(cè)。對(duì)于不符合傳感器安裝要求的部位，可以配合采用開挖的方式進(jìn)行檢測(cè)。通過選擇合適的傳感器安裝位置，可以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)埋地管道的有效檢測(cè)。該技術(shù)在管道檢測(cè)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，安裝簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)距長(zhǎng)，速度快，效率高，工程應(yīng)用前景廣闊。

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Application of Ultrasonic Guided Wave Detecting Technology in Buried Pipeline of Station

JIANG Linlin1,2, YANG Tao3, ZHOU Bing1,2, XU Lie3, WANG Zhitao1,2, Lü Qingnan3

(1.CNPC Research Institute of Engineering Technology, Tianjin 300451, China;2.The Key Laboratory of Tubular Goods Engineering, CNPC-Research Division of Anti-Corrosion Coating andThermal Insulation Structure, Tianjin 300451, China;3.PetroChina West Pipeline Company，Urumqi 830000, China)

The Teletest Focus+system was used to carry out the ultrasonic guided wave testing on the buried pipeline in the station. The accuracy of the ultrasonic guided wave detection technique in the corrosion detection of buried pipeline in the station was analyzed. The results show that the results of the test and evaluation are in accordance with the results of excavation tests. The technique can be applied to the corrosion detection of buried pipelines in stations. Effective detection of the buried pipeline in station can be achieved through reasonable choice of sensor installation location.

station; buried pipeline; ultrasonic guided wave; detection

2016-11-01

蔣林林(1985-)，男，工程師，主要從事儲(chǔ)罐、管道防腐保溫等技術(shù)的研究工作

蔣林林， jiangll.cpoe@cnpc.com.cn

10.11973/wsjc201706008

TG115.28

A

1000-6656(2017)06-0036-04