張延兵，周 琦，孫志濤

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000；2.舟山國家石油儲備基地有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

在油氣站場中，由于地上生產(chǎn)設(shè)施較多，地下管網(wǎng)的鋪設(shè)又復(fù)雜，因此，存在大量的既要避讓地上設(shè)施又要避讓地下管網(wǎng)的局部埋地管道[1]。傳統(tǒng)的檢測手段在對埋地管道進(jìn)行檢測之前往往需要開挖埋地層，使得檢測成本增大，并且開挖過程也容易造成管道結(jié)構(gòu)的破壞。聲發(fā)射技術(shù)作為一種新的動態(tài)檢測技術(shù)，是基于聲發(fā)射物理現(xiàn)象，通過特制的聲發(fā)射傳感器捕捉材料承載所致內(nèi)部損傷發(fā)出的應(yīng)力波并將其轉(zhuǎn)換為可釆集電信號，并根據(jù)所采集的信號對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行判斷的一種無損檢測方法[2]。相較于傳統(tǒng)的管道無損檢測技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)可以對管道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，達(dá)到一種動態(tài)監(jiān)測的效果，并且無需企業(yè)停產(chǎn)停工，在保障管道運(yùn)行安全的同時(shí)降低企業(yè)的檢測成本[3]。關(guān)于管道聲發(fā)射檢測案例的報(bào)道多見于長輸管道的泄漏檢測[4]，對于局部埋地管段腐蝕聲發(fā)射檢測報(bào)道不多，另外，有關(guān)研究也多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，由于聲發(fā)射信號傳播的復(fù)雜性，試驗(yàn)研究結(jié)果與實(shí)際站場埋地管道的聲發(fā)射檢測結(jié)果相比差異較大。因此，對油氣站場局部埋地管段聲發(fā)射檢測技術(shù)開展研究具有一定工程應(yīng)用意義。本文主要通過對舟山國家石油儲備庫的局部埋地管段進(jìn)行聲發(fā)射檢測，研究其聲發(fā)射信號傳播特性及腐蝕信號特性，為在線聲發(fā)射檢測應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

聲發(fā)射檢測設(shè)備為美國PAC公司的Micro-II Express聲發(fā)射檢測儀器，傳感器為R3I-AST，前置放大器增益為40dB，濾波器下限10kHz，上限1MHz。試驗(yàn)用原油管道為兩根L245M鋼制管道，外壁周長2.9m，壁厚9.1mm，埋地段長度20m，管道已服役時(shí)間為14年。為驗(yàn)證埋地層對管道聲發(fā)射信號的影響，在管道無埋地層和有埋地層兩種狀態(tài)下進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1、2所示。

圖1 第一次檢測試驗(yàn)現(xiàn)場圖片

圖2 第二次檢測試驗(yàn)現(xiàn)場圖片

為了探究局部埋地管段的有效檢測距離，按圖3所示在埋地管段左側(cè)出口處的兩根管道外壁上對稱布置2個(gè)聲發(fā)射傳感器，在埋地管段右側(cè)出口處的外壁上布置1個(gè)聲發(fā)射傳感器。同時(shí)，為了研究埋地對管道腐蝕程度的影響，在無埋地層時(shí)的埋地段彎管處布置1個(gè)聲發(fā)射傳感器。然后，在管段有完整埋地層的情況下進(jìn)行了第二次檢測試驗(yàn)，同樣在左側(cè)埋地出口處布置2個(gè)聲發(fā)射傳感器，右側(cè)出口處布置1個(gè)聲發(fā)射傳感器。兩次試驗(yàn)單根管道的具體傳感器布置如圖3所示。

圖3 兩次試驗(yàn)傳感器布置示意圖

2 試驗(yàn)過程

（1）第一次試驗(yàn)

在管道無埋地層時(shí)，首先在1#傳感器處斷鉛，統(tǒng)計(jì)2#傳感器接收到的斷鉛信號參數(shù)，以此來觀察同一截面上的傳感器接收到的信號差距。通過統(tǒng)計(jì)3#、4#傳感器接收到的信號參數(shù)，來探究彎管對信號傳播的影響，并確定局地埋地管道中信號的可檢測傳播距離。其次在4#傳感器處斷鉛，驗(yàn)證信號沿不同方向傳播時(shí)衰減是否相同。斷鉛試驗(yàn)之后，進(jìn)行2h的管道腐蝕監(jiān)測。

（2）第二次試驗(yàn)

在埋地管道有完整的埋地層時(shí)，在1’#傳感器處斷鉛，統(tǒng)計(jì)2’#、3’#傳感器處的聲發(fā)射信號參數(shù)，其次在3’#傳感器處斷鉛，驗(yàn)證信號沿不同方向傳播時(shí)衰減是否相同，與無埋地層時(shí)的信號參數(shù)進(jìn)行對比，探究埋地層對信號傳播的影響。在斷鉛試驗(yàn)之后，進(jìn)行2h的管道腐蝕檢測。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 傳播特性分析

特征參數(shù)是聲發(fā)射檢測結(jié)果中信號的表述主要方式之一，可以應(yīng)用幅度、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間等主要參數(shù)對信號進(jìn)行分析。無埋地層時(shí)在1#傳感器處斷鉛，有埋地時(shí)在1’#傳感器處斷鉛，各傳感器的特征參數(shù)值如表1所示。

表1 左側(cè)斷鉛各傳感器特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

無埋地層時(shí)在4#傳感器處斷鉛，有埋地時(shí)在3’#傳感器處斷鉛，各傳感器的特征參數(shù)值見表2。

表2 右側(cè)斷鉛各傳感器特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由統(tǒng)計(jì)出的特征參數(shù)可知，有埋地層和無埋地層狀態(tài)下，信號從一端傳到另外一端，幅值下降都在20～30db，并無較大差距。根據(jù)現(xiàn)場管道環(huán)境，在原油管道埋地段布置有一層套管，套管將管壁與土壤隔開，使得聲發(fā)射信號的傳播距離沒有因埋地層的存在而產(chǎn)生較大影響，提升了埋地管段聲發(fā)射檢測的可行性。在聲發(fā)射信號傳播的過程中，無論是否存在埋地層，隨著傳播距離的增大，信號的上升時(shí)間都逐漸增大，能量逐漸減弱，但是平均頻率并沒有發(fā)生較大的改變。并且處于同一截面上的傳感器，如1#與2#、1’#與2’#傳感器接收到的信號，各項(xiàng)特征參數(shù)都近似相同，信號傳播衰減可以忽略。

聲發(fā)射信號在傳播過程中的幅值衰減是非線性的[5]，高幅值時(shí)衰減快，幅值越低衰減速率逐漸變緩，對無埋地層時(shí)斷鉛信號從1#傳到4#處的幅值進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在60db之后，管道中的信號幅值衰減逐漸平緩。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所做的鋼材腐蝕試驗(yàn)，當(dāng)門檻為30db時(shí)，腐蝕信號的幅值為30db～60db，現(xiàn)場兩端傳感器相距24.1m，兩端傳感器的中間位置距傳感器12.05m，根據(jù)衰減曲線所示該距離幅值衰減很小，所以該局部埋地管道的傳感器布置方案能夠?qū)崿F(xiàn)埋地段腐蝕信號監(jiān)測的全覆蓋。

圖4 管道中斷鉛信號的衰減曲線

3.2 腐蝕狀態(tài)評價(jià)

在腐蝕監(jiān)測的過程中，采集到了腐蝕的管內(nèi)聲發(fā)射信號，截取兩次試驗(yàn)各傳感器30min的監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩次試驗(yàn)腐蝕幅度分布?xì)v程圖

參照J(rèn)B/T 10764-2007對常壓儲罐底板腐蝕嚴(yán)重度的分級方法[6]，統(tǒng)計(jì)各通道的聲發(fā)射信號撞擊數(shù)與平均幅值來對管道的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。各通道聲發(fā)射撞擊數(shù)與平均幅值表3。

表3 兩次試驗(yàn)各通道聲發(fā)射撞擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

信號采集結(jié)果顯示，兩次試驗(yàn)所采集的受腐蝕管信號撞擊數(shù)與平均幅值均較低。通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管道腐蝕嚴(yán)重度模擬試驗(yàn)，對不同腐蝕狀態(tài)的聲發(fā)射撞擊數(shù)及平均幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果表明，舟山國儲管道監(jiān)測區(qū)域內(nèi)腐蝕聲發(fā)射信號撞擊數(shù)小于500個(gè)/h，平均幅值低于40dB時(shí)，管壁尚未形成明顯點(diǎn)蝕坑，腐蝕活性較低，腐蝕等級為Ⅰ級，無需維修。兩次實(shí)驗(yàn)的撞擊數(shù)與平均幅值均在Ⅰ級范圍內(nèi)，因此評定舟山國儲局部埋地管道的腐蝕等級為I級，無明顯局部腐蝕現(xiàn)象。

3.3 評定結(jié)果對比

管道現(xiàn)場布置有超聲導(dǎo)波，聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果與超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果相同，如圖6所示，驗(yàn)證了聲發(fā)射技術(shù)的準(zhǔn)確性。

圖6 局部埋地管道超聲導(dǎo)波監(jiān)測

4 結(jié)論

（1）在有無埋地層兩種情況下，由于管壁對信號傳播的約束作用，信號的衰減幅度不大，為聲發(fā)射技術(shù)在局部埋地管段的監(jiān)測過程中無需開挖埋地層提供了條件。

（2）聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果顯示，舟山國儲的局部埋地管道腐蝕等級為I級，無明顯局部腐蝕現(xiàn)象，與現(xiàn)場超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果一致。

（3）通過在埋地出口兩端布置聲發(fā)射傳感器，能夠有效采集管道中的腐蝕聲發(fā)射信號，驗(yàn)證了聲發(fā)射技術(shù)在局部難開挖管道監(jiān)測應(yīng)用中的可行性。