張志浩 孫銀娟 楊濤 王潛忠 孫芳萍 羅慧娟

西安長慶科技工程有限責任公司

因為管道損壞造成的石油、天然氣泄漏或爆炸事故具有危害性大、持續(xù)時間長和不易治理等特點，所以對管道進行定向檢測和維護是十分重要的[1-4]，我國的渦流檢測技術研究和應用始于20世紀 60 年代[5]。管道運行過程中為了確保正常工作，避免發(fā)生事故和不必要的資源浪費，需要對管道實現(xiàn)損壞排查和維護。如果對所有管道進行普遍排查和維護，不僅浪費資源而且效率不高，所以研發(fā)必要的管道檢測機器對管道實現(xiàn)定向的在線監(jiān)控十分重要。在世界范圍內，管道的內檢測以無損檢測技術(Non-destructive Testing,NDT)為主[6-7]，但大部分內檢測技術適用于DN200 mm或DN500 mm以上管線。經(jīng)過幾十年發(fā)展，管道的檢測逐漸形成以射線、超聲波、磁粉、滲透、渦流為主的五大常規(guī)無損檢測體系[8-10]。本研究在綜合分析以上技術優(yōu)缺點的基礎上，重點研究了適用于長慶油田CO2驅等區(qū)域DN100及以下集輸管道的電磁渦流和超聲波2種內檢測技術，并進行了現(xiàn)場應用試驗。

1 管道內檢測機器人研制

管道內檢測機器人的研制過程包括檢測系統(tǒng)探頭、腐蝕情況檢測系統(tǒng)、壁厚檢測系統(tǒng)、采集處理系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、儲存分析系統(tǒng)、里程記錄單元、上位機成像系統(tǒng)以及整體檢測系統(tǒng)的設計和開發(fā)等內容，以下主要介紹腐蝕檢測和壁厚檢測系統(tǒng)研究內容。

1.1 腐蝕情況檢測系統(tǒng)的研制

1.1.1 電磁渦流腐蝕檢測系統(tǒng)

根據(jù)DN100電磁渦流內檢測機器人檢測的腐蝕缺陷曲線(見圖1)。當某條管道整體腐蝕比較嚴重時，體現(xiàn)在腐蝕缺陷曲線圖中則是從一端的焊縫開始，曲線出現(xiàn)連續(xù)低凹段直至下一焊縫處，如圖1(a)所示，其縱坐標差值即為腐蝕減薄的部分，兩個焊縫之間的長度(即橫坐標差值)為腐蝕管段的長度。如果出現(xiàn)裂縫或者孔洞，會在曲線中間出現(xiàn)一個向下的跳躍尖峰，如圖1(b)所示，尖峰的峰值就是裂縫或者孔洞的深度，尖峰的寬度就是裂縫或者孔洞的大小。從曲線中向下波動的峰的寬度可以判斷管線缺陷形貌，一般較寬的峰為孔洞類缺陷，窄而細的峰為裂縫類缺陷。

1.1.2 超聲波檢測系統(tǒng)

當管道內腐蝕出現(xiàn)時壁厚整體減薄的情況時，測

試方法參照均勻壁厚檢測方法。當管道內出現(xiàn)坑點腐蝕時，分以下兩種情況判斷管道壁厚減薄情況[11-13]。

(1) 當探頭檢測到內壁很淺的小點坑時(深度

(2) 當探頭檢測到小于探頭聲束面積的內壁很深腐蝕點坑(深度>T0/4)時，即裂紋時，因點坑處的表面波A′已在B1后(見圖2(b))，需要通過相位及一些特殊相關算法，識別A′、B2的回波，然后計算管壁厚度，得出管壁裂紋的深度。

1.2 壁厚檢測系統(tǒng)的研制

1.2.1 電磁渦流檢測

電磁渦流檢測技術發(fā)展至今已從傳統(tǒng)電磁渦流檢測技術發(fā)展為多頻渦流檢測技術、遠場渦流檢測技術和脈沖渦流檢測技術等[14-16]；渦流檢測信號的處理技術結合著信號和信息處理技術的發(fā)展，由單頻信號變化分析向阻抗平面分析技術、差分信號處理技術和陣列信號處理技術發(fā)展。本研究的電磁渦流內檢測機器人總共有1個主探測傳感器和2個輔助探測傳感器，如圖3所示。它主要采用內插式自感式線圈，發(fā)射線圈和接收線圈在一個繞組上制作，減少了其他模式探頭的偽峰的產(chǎn)生，制作簡單，模型建立相對容易，比較適應長慶油田小管道多彎頭的檢測。主探測傳感器主要根據(jù)接收到的感生電動勢去判斷管壁的壁厚、腐蝕情況。主探測傳感器一共采集5條壁厚腐蝕曲線，然后根據(jù)曲線的形狀、特性去判斷曲線類型、深度等信息，它的精度可以達到0.3 mm。輔助探測傳感器采用2個相互垂直的探頭，并且都跟主探測傳感器垂直，每個輔助探測傳感器采集3條壁厚腐蝕曲線，分別從不同的角度驗證主探測傳感器測量的結果。

1.2.2 超聲波檢測

如圖4所示，由于均勻腐蝕面積大大超過探頭的聲束面積，超聲波探頭在腐蝕區(qū)域內只接收到腐蝕區(qū)表面波信號A和底波信號B?？筛鶕?jù)接收的回波信號正確地計算出管道的壁厚值。輸油管道腐蝕部位可能發(fā)生在管壁外表面，也可能在管壁內表面。超聲波腐蝕檢測機器人檢測時，探頭都垂直于管道內壁沿軸向方向以速度v前進。 在前進過程中不斷發(fā)射超聲波脈沖測量油程L和厚度T。當超聲探頭到達內表面均勻腐蝕部位時，管壁厚度減少，探頭與內管壁間距離增大；當探頭前進到管壁的外表面缺陷時,管壁厚度減少，但探頭與內管壁間距離沒有變化?？衫肔和T的變化判斷缺陷到底是內缺陷還是外缺陷。

1.3 檢測機器人功能特點

1.3.1 電磁渦流內腐蝕檢測機器人

電磁渦流檢測機器人由勻量動力水推動沿管道行進，渦流傳感器產(chǎn)生的強磁場在管壁形成對應磁力線，當管壁存在缺陷時，磁力線會出現(xiàn)相應畸變，同時傳感器將畸變信號記錄下來。檢測完成后，從機器人下載數(shù)據(jù)通過上位機軟件進行判讀，形成相應波形曲線。將管道腐蝕、壁厚減薄甚至盜油孔等隱患進行檢測、定位，為后續(xù)管道的安全使用提供一個清晰而科學的判據(jù)。

圖5為電磁渦流內腐蝕檢測機器人的樣機，具體包括傳感器單元、數(shù)據(jù)分析單元、電池單元、里程記錄，該檢測機器人，可用于Φ89 mm、Φ114 mm、Φ133 mm管徑的腐蝕檢測，可以通過4D彎頭。

1.3.2 超聲波內腐蝕檢測機器人

超聲波內腐蝕檢測機器人(見圖6)，同樣依靠勻量動力水推動沿管道行進。在行進過程中，超聲波傳感器不斷發(fā)出超聲波信號，對輸油管道進行全程檢測和數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)超聲波測距數(shù)據(jù)確定管壁缺陷數(shù)值，同時由內置的三軸加速度計傳感器記錄探頭位移數(shù)據(jù)，并確定缺陷在管道上的位置。檢測完成后，從機器人下載數(shù)據(jù)，再通過上位機軟件進行判讀，形成相應波形曲線。

2 現(xiàn)場應用

2018年9月，在長慶油田選取了長度為2.97 km，管徑為Φ114 mm，壁厚為4.5 mm的管線進行了檢測試驗，檢測用時6小時13分，檢測曲線如圖7所示。結果顯示，該段管線基本上無明顯腐蝕，其基本厚度都在4 mm以上，但輕微的坑點腐蝕現(xiàn)象較為普遍，個別地方有0.5～1.0 mm的腐蝕坑點。每根管道相互之間的厚度有差別，基本為0.5 mm左右腐蝕，管線的整體壁厚為4.0～4.5 mm。此外，準確檢測到了多處由于法蘭或推力制動樁等造成的管線壁厚陡然增加信號，進一步驗證了內檢測機器人的靈敏度和準確性。

缺陷分析發(fā)現(xiàn)，0～149 m處，焊縫比較明顯，每根管線清晰可見。其中：坐標22.3 m處異常，長度1 m左右，厚度比周圍厚1 mm左右，類似于法蘭連接，其他地方尚無明顯缺陷；坐標327～608 m處，焊縫比較明顯，每根管線清晰可見；坐標338～348 m處異常，長度10 m左右，類似于法蘭連接；坐標567～580 m處異常，長度13 m左右，類似于法蘭連接；坐標420～431 m處異常，長度11 m左右，有大致1 mm的腐蝕。

對坐標22.3 m異常處進行了開挖驗證，發(fā)現(xiàn)此處為管線推力制動樁，導致管線壁厚增加，與分析結果一致。 坐標420～431 m處，現(xiàn)場開挖斷管、剖片后，可見管線內壁腐蝕點明顯。經(jīng)超聲波測厚儀測量，最嚴重坑點處實際剩余厚度為3.2 mm，與檢測分析得出的數(shù)據(jù)基本一致。

運用電磁渦流原理完成了2條共6.2 km舊管道的內腐蝕檢測任務，完整獲取了管道電磁渦流的波形曲線，對應發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕狀況及缺陷信息；檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場開挖驗證比對，管道實際腐蝕狀況與曲線波形判斷吻合，驗證了電磁渦流技術在管道內腐蝕檢測的可行性。

通過對上述2條管線進行管道內腐蝕缺陷檢測，基本可以判定被測管道的腐蝕缺陷情況較為嚴重，腐蝕缺陷的表現(xiàn)主要為全線大面積坑點腐蝕，其中有3處1級腐蝕，須立即維修更換，但未發(fā)現(xiàn)穿孔腐蝕；建議使用壽命為3年以上的管道，每年進行一次內腐蝕檢測，可預估管道使用壽命，消除原油泄露安全隱患；進行在用管線不停輸狀態(tài)下的內腐蝕檢測試驗，推進電磁渦流內腐蝕檢測在輸油管道安全檢查的應用。

3 結語

通過對電磁渦流信號和超聲波信號的研究，研發(fā)了電磁渦流內腐蝕檢測機器人，并成功應用于管道的腐蝕檢測,同時完成了超聲波檢測的可行性方案和超聲波腐蝕檢測機器人樣機的裝配調試。本研究結合了渦流技術和長慶油田管道現(xiàn)狀，在小型化的基礎上增加了柔性短節(jié)和封水皮碗，在利用水或者原油做動力的情況下實現(xiàn)DN80和DN100管道、多彎頭管道的內腐蝕檢測。檢測人員可直觀看出每條管道中的缺陷，能快速統(tǒng)計出管道的使用情況。如果能夠每年檢測一次，通過數(shù)據(jù)庫的對比，就可以判斷出管線的腐蝕速率和剩余使用年限，對于管道的安全使用具有指導意義。