辛佳興 陳金忠 李曉龍 王長新 張雪偉 朱宏武

(1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院 2.中國特種設備檢測研究院壓力管道部)

0 引 言

2017年5月，國家發(fā)展與改革委員會印發(fā)的《中長期油氣管網規(guī)劃》[1]表明，到2025年我國油氣管網規(guī)模將達到24×104km。管道是相對安全、可靠、經濟的能源運輸方式，但由于其點多、線長、運行環(huán)境復雜、設計施工技術參差不齊，管道安全問題日益突出。根據油氣管道保護法、特種設備安全法等法律法規(guī)的要求[2]，應定期對在役管道進行安全檢測，及時發(fā)現(xiàn)管道存在的各種缺陷并進行修復。同時，《GB 32167—2015油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中規(guī)定：內檢測評價技術應作為首選的管道檢測評價手段。通過內檢測技術提取和識別在役管道缺陷信息已獲得國內外管道業(yè)主的認可，被認為是管道缺陷檢測的有效方式[3]。

傳統(tǒng)的油氣管道內檢測主要包含清管、變形和智能檢測三個階段[4]。管道清管主要用于清除管道內碎屑和蠟的積聚；變形檢測是對管道不同位置的直徑進行測量并記錄的過程；管道智能檢測設備的功能是對管道裂紋、腐蝕和機械劃傷等缺陷信息的檢測與識別[5]，常用技術包括漏磁(MFL)、渦流(EC)、超聲(UT)和電磁超聲(EMAT)等[6]，該類檢測器的結構相對復雜，涉及電磁、信號采集、處理和存儲等多種技術。本文闡述了國內外先進的清管、變形、智能檢測設備及相關研究成果，以期為油氣管道內檢測技術的發(fā)展提供參考。

1 清管技術

傳統(tǒng)管道清管設備只具備管道清潔功能。近年來，隨著內檢測技術的快速發(fā)展，管道清管技術與缺陷檢測技術融合，出現(xiàn)了管內鐵銹、污垢清除和缺陷信息采集、處理、存儲于一體的智能管道清潔設備。

圖1為德國Rosen公司于2015年推出的智能清管設備。該設備結合了常規(guī)管道清潔和磁性檢測技術的優(yōu)點，包含旁路和沖洗系統(tǒng)。它通過檢測器中間的旁路流，加速管內介質中心氣流產生負壓，誘導氣流通過吸管被輸送到下游管道，由于特殊導流裝置的存在，管道被清潔區(qū)域會產生渦流，增強了沖洗效果。結合磁力鋼刷的吸附功能，該設備的管道污垢清潔效率更高，同時解決了天然氣管道中黑色粉塵沉積[7]的問題。

圖1 Rosen公司的智能清管設備Fig.1 Rosen’s intelligent pig

2018年，沈陽儀表院宋華東等[8]研發(fā)了一種新型泡沫變形清管器(見圖2)。該變形清管器具有低成本和高通過性的特點，同時具備管道清潔及一定的缺陷檢出能力。通過安裝壓力傳感器，將管道直徑和表面粗糙度轉化為模擬量信號，實現(xiàn)管道缺陷檢測。與傳統(tǒng)的變形檢測器相比，其通過性更強，具有極低的管道卡堵風險，在管道軸向其采樣間距為10 mm。由于高精度壓力傳感器的應用，該產品對管道徑向變形缺陷也表現(xiàn)出良好的敏感性。

圖2 新型泡沫變形清管器Fig.2 A new foam deformation pig

2 變形內檢測技術

管道變形內檢測技術主要包括接觸式和非接觸式兩種。接觸式變形檢測設備是在彈簧彈力的作用下，使周向布置的檢測臂與管道內壁緊密貼合，通過磁旋轉編碼器記錄檢測臂旋轉的角度來量化管道的變形缺陷，其原理簡單，制造成本低；非接觸式檢測設備基于渦流和超聲等無損檢測技術，其結構相對復雜，檢測精度更高。

針對海底管道變徑及彎頭半徑小的問題，巴西Pipeway公司研制了骨架柔軟的高通過性的“Snake feeler pig”接觸式變形內檢測器，如圖3所示。該檢測器可實現(xiàn)管道內壁厚度與尺寸減小的有效檢測，精度與超聲波檢測技術相當[9]。圖4和圖5分別為美國GE-PII公司研制的蝶形皮碗變形內檢測器和德國Rosen公司的Multi-Diameter高通過性變形內檢測器。

1—蝶形皮碗；2—電池模塊；3—圓形皮碗；4—電子倉；5—檢測臂；6—里程表。圖3 Pipeway公司的“Snake feeler pig”內檢測器Fig.3 Pipeway’s “Snake feeler pig” inner detector

圖4 GE-PII公司的蝶形皮碗變形內檢測器Fig.4 GE-PII’s butterfly cup deformation internal detector

圖5 Rosen公司的Multi-Diameter高通過性變形內檢測器Fig.5 Rosen’s Multi-Diameter high passability deformation internal detector

對于接觸式管道變形內檢測技術，國內起步較晚。自2013年起，中國石油大學(北京)張仕民課題組對接觸式變形檢測器進行了大量理論及試驗研究。其中代莉莎搭建了變形檢測試驗臺，對管道變形檢測探頭進行了試驗研究；LI X.L.等[10]研制了適用于?355 mm的天然氣管道變形內檢測器，對探頭過凹陷和凸起缺陷的動力學特性進行了系統(tǒng)研究，搭建了測試探頭檢測精度的試驗系統(tǒng)，提出了管道特征信號的識別模型，為接觸式內檢測設備的研制及管道變形缺陷特征的準確識別提供了理論基礎。

3 智能內檢測技術

3.1 漏磁內檢測技術

管道漏磁內檢測技術通過永磁體對管壁進行飽和磁化，當存在缺陷時磁力線泄漏到管道表面，產生漏磁通，通過磁敏感元件提取漏磁信號來判斷管道的缺陷特征。

作為一種技術成熟的管道內檢測設備，漏磁內檢測器廣泛應用于國內外管道缺陷內檢測服務中[11-12]。國外Rosen公司和Pipeway公司等知名管道服務商均推出大量性能成熟的產品。圖6為Pipway公司的漏磁內檢測器。國內沈陽工業(yè)大學楊理踐教授、 清華大學黃松嶺教授和中國特種設備檢測研究院陳金忠研究員等對管道漏磁內檢測技術進行了大量研究[13-19]，并取得豐富的科研成果。

圖6 Pipeway公司的漏磁內檢測器Fig.6 Pipeway’s magnetic flux leakage internal detector

漏磁檢測分為軸向勵磁和周向勵磁兩種。軸向勵磁的磁場方向沿管道軸向，而周向勵磁的方向沿管道周向。軸向勵磁內檢測器應用較為廣泛，對周向管道金屬損失缺陷提取和量化精度較高，但對軸向的裂紋及狹長金屬損失檢測能力不足。為解決管道軸向裂紋檢出能力不足的問題，Rosen公司研制了如圖7所示的MFL-C/XT管道周向勵磁內檢測器。該設備包含周向漏磁及渦流兩種技術，軸向裂紋深度的檢測閾值達到0.2t(t為管道壁厚)，管道橢圓度檢測精度達±0.5%，凹痕深度的檢測閾值為0.8 mm。2018年，中石油管道公司于超等[20]研制了適用于?711 mm管道的周向勵磁內檢測器，并進行了牽拉及工程應用，驗證了其對軸向狹長裂紋的檢出能力。

3.2 渦流內檢測技術

渦流內檢測技術通過激勵線圈對被檢測管道進行交變磁化，在管道內表面會產生渦流場，從而激發(fā)出含有管壁缺陷信息的二次渦流磁場，通過提取該信號可以實現(xiàn)管道內壁缺陷的檢測與識別。

在管道內檢測的應用中，渦流內檢測技術的主要作用是管道缺陷內外壁的判別及裂紋、變形缺陷信息的提取，對此，國內相關高校和科研院所進行了大量研究。2019年，清華大學PIAO G.Y.等[21-22]提出了一種用于檢測和識別管道內/外徑缺陷的脈沖渦流(PEC)傳感方法，并研制了結合渦流與漏磁兩種技術的高速運行的管道內檢測設備。2019年，辛佳興等[23]研制了結合機械臂與渦流兩種技術的檢測探頭，并進行了試驗研究，結果表明，該檢測探頭具有較高的管道周向變形檢測能力。2020年，機械研究總院王寶超[24]研制了適用于?1 219 mm大孔徑管道的渦流變形內檢測器(見圖8)，其安裝的渦流檢測探頭量程達到150 mm，管道變形檢測誤差小于5%，里程定位誤差小于5%，檢測準確度大于85%，可連續(xù)作業(yè)100 km。

圖8 機械研究總院的管道渦流變形內檢測器Fig.8 Pipeline eddy current deformation internal detector from China Academy of Machinery Science and Technology

3.3 超聲波內檢測技術

超聲波裂紋檢測技術的工作原理是：超聲探頭發(fā)射一定角度的超聲波，當遇到裂紋的開裂面時，聲波返回，聲波信號被記錄。該信號包含管道的缺陷信息，多用于檢測管道的壁厚變化及管體裂紋。對于管道裂紋檢測，由于具有一定的方向性，當超聲波傳播方向與管道裂紋開裂面平行時，檢測探頭不能接收到反射的聲波信號，即此時裂紋檢測器無法提取裂紋缺陷信息。因此，裂紋檢測器大都只針對特定方向的裂紋，如平行或垂直于軸線的裂紋。

Rosen公司研制的超聲波內檢測器(見圖9)已應用在石油管道檢測服務中，具備管道壁厚和裂紋定量檢測的能力，當檢測數據可信度為90%時，管道壁厚變化檢測精度達到0.2 mm。國內對超聲波管道內檢測技術的研究相對較晚，自2016年起，沈陽工業(yè)大學楊理踐課題組對超聲波管道內檢測技術進行了大量研究，其中李光輝[25]研究了超聲波相控陣管道內檢測技術及數據處理與識別方法；2018年，中國石油管道公司沙勝義等[26]研究了超聲波管道焊縫內檢測信號的響應特征。上述研究在一定程度上推動了國內超聲波管道內檢測技術的發(fā)展。

圖9 Rosen公司的超聲波內檢測器Fig.9 Rosen’s ultrasonic internal detector

3.4 電磁超聲內檢測技術

管體及焊縫區(qū)域的應力腐蝕裂紋和軸向疲勞裂紋等是影響管道安全運行的重要因素[27]。電磁超聲內檢測技術是檢測裂紋缺陷的有效方法，通過電磁超聲技術(EMAT)將超聲波能量耦合到管壁中，不需要液體介質，使得該技術成為燃氣管道裂紋檢測的有效手段。同時，通過正確選擇特殊的EMAT波模式，任何裂紋深度、涂層脫落面積的精確檢測都可行。

Rosen公司研制的基于電磁超聲技術的管道外涂層內檢測器(見圖10)已經成功應用于天然氣管道，其軸向定位精度達到0.1 m，周向定位精度達到±10°。國內高校及科研院所對EMAT技術展開了系列研究。清華大學研制了EMAT管道內檢測器，并在具有應力腐蝕(SCC)裂紋的天然氣管道上進行了裂紋檢測，結果表明，該EMAT內檢測器能發(fā)現(xiàn)長度大于20 mm、深度大于1 mm的裂紋，其最高檢測速度為2 m/s。2014年，中油管道檢測有限公司臧延旭等[28]研制了軸向裂紋內檢測器并進行了牽拉試驗，試驗結果表明，當速度小于2 m/s時，該檢測器能提取到長度50 mm、深度3 mm的裂紋信息。但以上研究均處于試驗階段。

3.5 管道應力內檢測技術

管道中的凹痕和膨脹[29]等變形會引起應力集中，并可能導致疲勞失效，對管道完整性構成重大威脅。傳統(tǒng)方法僅僅考慮缺陷特征尺寸的長度、寬度和深度或基于應變的評估，并不一定反映缺陷的嚴重程度。圖11為Rosen公司的管道應力內檢測器。該設備采用機械檢測臂與陣列的非接觸式電子測量系統(tǒng)相結合，在識別缺陷特征尺寸信息的同時，提取管道變形缺陷位置的應力集中因子，將管道材料特性和工作壓力循環(huán)考慮，進行管道應力集中及剩余壽命的分析。

3.6 管道陰極保護內檢測技術

針對目前埋地管道陰極保護存在的諸多問題， 中國特種設備檢測研究院陳金忠等[30-31]提出一種通過采集管道內部陰極保護電流和雜散電流數據，來判斷管道陰極保護結構健康的方法，并在此基礎上成功研制了國內首臺管道陰極保護內檢測器(見圖12)。

圖12 中國特種設備檢測研究院的管道陰極保護內檢測器Fig.12 Pipeline cathodic protection internal detector from China Special Equipment Inspection and Research Institute

3.7 管道中心測繪技術

隨著管道運輸的擴張以及地下管線交叉重疊現(xiàn)象的日益嚴重，導致管道位置無法精確獲取。管道三維坐標測繪技術作為管道內檢測的重要輔助技術，對管體缺陷的精確定位和避免人為施工引起的管道安全事故至關重要。

傳統(tǒng)的慣性測繪單元以地面參考點與內檢測器里程數據進行位置與速度修正，一般集成在具有管道缺陷檢測功能的內檢測器，可連續(xù)測量管道中心線坐標，有效識別、評估由環(huán)境因素導致的管道彎曲應變信息[32]。由三維正交陀螺儀和加速度計組成的慣性測量單元(IMU)如圖13所示[33]。該慣性測量單元精度高，但尺寸功耗相對較大，不適用于小孔徑管道的中心測繪。針對于小口徑管道中心測繪應用的問題，國內科研單位對微機械(MEMS)慣導的中心測繪系統(tǒng)進行了研究[34-36]。其中，馬義來等[36]研制了基于MEMS慣導的中心測繪系統(tǒng)，工程應用結果表明，該管道中心測繪系統(tǒng)能夠精確記錄內檢測器的運行軌跡，并匹配管道缺陷的里程信息。

圖13 油氣管道慣性測量單元Fig.13 Oil and gas pipeline inertia measuring unit

4 發(fā)展建議

近年來，針對管體變形、金屬損失及壁厚減薄等宏觀缺陷，國內已有發(fā)展成熟的內檢測技術及相關設備，對于管道應力集中、環(huán)焊縫缺陷、裂紋等微觀及面積型缺陷檢測能力仍存在明顯不足。建議未來以關鍵核心管道內檢測設備研制為突破口，在已取得成果的基礎上，急需提升如下內檢測技術。

4.1 管道應力集中內檢測技術

對管道開裂事故分析表明，應力腐蝕裂紋是管體失效的重要原因。及時發(fā)現(xiàn)管道結構受力的異常對預判開裂部分管道以及控制惡性失效事故具有重要意義。國外管道變形區(qū)域的應力檢測技術已經實現(xiàn)了工程應用；國內開展的周期性管道內檢測多以管體腐蝕和凹痕等宏觀缺陷為主，基于巴克豪森[37-38]、微磁[39]和弱磁[40]的管道應力內檢測技術，截至目前仍處于試驗階段。

4.2 環(huán)焊縫缺陷內檢測技術

環(huán)焊縫由于項目周期、焊接施工和操作環(huán)境等因素限制，成為管道安全運行的薄弱環(huán)節(jié)。中緬天然氣管道“6·10”和“7·2”事故，引發(fā)了對X70和X80高強度管道鋼環(huán)焊縫缺陷內檢測技術的迫切需求。長輸管道環(huán)焊縫不規(guī)則輪廓、復雜金屬成分、未焊透、未熔化、裂紋及咬邊等多種缺陷形式的存在，使得傳統(tǒng)的管道內檢測技術無法實現(xiàn)環(huán)焊縫缺陷的高精度識別和量化，因此應該大力發(fā)展電磁超聲、電磁控陣及電磁渦流等新技術，爭取在管道焊縫缺陷檢測方面取得突破。