海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究

張士華，初新杰,2，孫永泰，史永晉

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究

張士華1，初新杰1,2，孫永泰1，史永晉1

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

簡述了海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)的背景知識、基礎(chǔ)理論及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，重點介紹了磁檢測技術(shù)和超聲檢測技術(shù)裝備在國內(nèi)外的研究進展情況，總結(jié)了發(fā)展趨勢以及我國海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)存在的主要技術(shù)問題，分析了研發(fā)系列化海底管道內(nèi)缺陷檢測裝備的必要性和應(yīng)用前景。

海底管線；缺陷；內(nèi)檢測；漏磁檢測；高精度

我國處在太平洋沿岸，海底表層地基不穩(wěn)定，同時海底管線和水下結(jié)構(gòu)物長期受介質(zhì)腐蝕、海流沖淘及海上意外事故的影響，容易產(chǎn)生缺陷和損傷，嚴(yán)重時發(fā)生爆管、油氣泄漏或平臺倒塌，造成巨大的經(jīng)濟損失和海洋環(huán)境破壞。為避免油氣泄漏和平臺倒塌等事故的發(fā)生，應(yīng)對在役管道進行定期檢測和維護，檢測管道壁中的潛在缺陷。我國在上世紀(jì)90年代已在淺海海域進行了石油開采，許多海底管線已服役了十多年，檢測和修復(fù)工作勢在必行。

隨著政府和企業(yè)越來越重視安全生產(chǎn)和海洋環(huán)境保護問題，對海底管線的安全保障，提出了更高的要求，急需海底管線缺陷檢測系列化裝備。

1 各國海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)及研究現(xiàn)狀

由于海底管線發(fā)生泄漏時，將造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的海洋污染，世界各海洋石油生產(chǎn)國對海底管線的在線檢測十分重視[1]。各國研究部門和開發(fā)部門對管線的檢測，特別是海底管線的在線檢測系統(tǒng)特別關(guān)注，并進行了大量的研究工作。

1.1 漏磁檢測技術(shù)

利用漏磁原理檢測管道腐蝕缺陷[2]，是目前常用的檢測方法之一，適用于薄壁和中壁厚管道。置于鐵磁性鋼材料管道壁表面的磁極，在管道壁內(nèi)產(chǎn)生沿管道軸向的磁化場，當(dāng)磁場足夠強時，管道壁處于飽和磁化狀態(tài)，如無缺陷存在，則磁場集中于管壁內(nèi)，放在管道內(nèi)表面的磁傳感器，不會檢測到磁場信號；如果管道壁內(nèi)存在缺陷，則由其造成的管道壁局部變薄，將使得原本集中分布在管道壁內(nèi)的磁場，有一部分泄漏出管道壁的內(nèi)外表面，泄漏磁場被傳感器檢測到，從而獲知缺陷的存在。

在（海底）油氣輸送管道腐蝕缺陷檢測中，通常使用管道內(nèi)檢測器。內(nèi)檢測器在管道內(nèi)傳輸?shù)母邏河蜌猱a(chǎn)品，在檢測器前、后形成的壓差的推動下前進，在前進的同時，完成檢測數(shù)據(jù)采集和記錄工作。在檢測結(jié)束后，檢測器從管道中取出，并將檢測器電子包內(nèi)存儲的完整檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機中，作進行進一步的分析和處理。

目前新開發(fā)的磁化裝置，比常規(guī)磁鐵的磁化能力提高近1倍，新型高效的霍爾傳感器，也因尺寸小和檢測靈敏度高，使周向分布的傳感器數(shù)量增加，從而提高了缺陷檢測的分辨率，并可分辨出缺陷位于管壁內(nèi)側(cè)還是外側(cè)。

管道內(nèi)智能檢測器發(fā)展至今，歷經(jīng)了三代[4]：第一代為普通型檢測器，第二代為高精度檢測器，第三代為超高精度檢測器。

第一臺商業(yè)管道在線檢測設(shè)備Linalog，由Tuboscope公司于1965年研制成功，當(dāng)時只用于檢測管道的底部。

1966年Tuboscope又研發(fā)出可檢測管道整個圓周的漏磁檢測器，之后，其他廠商也相繼研發(fā)出類似的管道漏磁內(nèi)檢測器。最初的管道漏磁檢測器被稱為低分辨率（Low Resolution）的檢測器，因為使用的磁探頭數(shù)目較少，因而描述缺陷特征的能力不足。

鑒于第一代檢測器的如上缺點，British Gas于1978年研制出最初的具有較多磁傳感器和較高缺陷描述能力的高分辨率（High Resolution）漏磁檢測器。此后其他廠商也隨之效仿，使得高分辨率已經(jīng)成為現(xiàn)代化高性能管道缺陷內(nèi)檢測器的標(biāo)志性參數(shù)之一。

GE PII的MagneScan檢測器的第一代產(chǎn)品于1975年誕生，用于檢測152.4～1422.4mm（6～56 inch）的管道，據(jù)稱目前MagneScan已成為使用最為廣泛的管道內(nèi)檢測器之一。

BJ的VECTRA檢測器誕生于1996年，該檢測器安裝了具有主動速度控制（Active Speed Control）功能的泄流單元。

ROSEN的高清晰度漏磁檢測器產(chǎn)品，稱為CDP（Corrosion Detection Pig），CDP檢測器的突出特點是結(jié)構(gòu)緊湊，例如在口徑較大的情況下，只有一個檢測器節(jié)，因而便于發(fā)射和接收，CDP檢測器同樣具有主動速度控制功能。

1.2 超聲波檢測技術(shù)

利用超聲檢測技術(shù)對輸油管道進行在線檢測[1]。近年來，超聲管道智能檢測器在油氣輸油管道得到了應(yīng)用。目前PII公司開發(fā)了專用于輸油管道檢測的超聲裂縫檢測器；英國SONOMATIC公司、PHOENIX公司、美國Oil Country Inspection Inc以及德國NDT公司等，都開發(fā)了用于輸油管道檢測的相應(yīng)超聲類產(chǎn)品；我國勝利石油管理局于2006年研制了Φ325mm超聲檢測器。

1.3 射線檢測技術(shù)

利用X射線、γ射線或中子射線進行管道的缺陷檢測[1]，是目前管道無損檢測方法之一。目前，美國OIS公司的管道爬行X射線探傷機；英國JME公司以及意大利的管道射線爬行探傷機等，都達到較高的檢測水平。

1.4 遠場渦流檢測技術(shù)

通過設(shè)在遠場區(qū)的檢測線圈，檢測出由于管道缺陷引起的感應(yīng)電壓與激勵電壓相位差變化[1]。是一種新型檢測技術(shù)，對于輸油管道在線檢測具有潛在優(yōu)勢，目前美國和加拿大有關(guān)公司正在研究，只有單通道和8通道的檢測儀。

1.5 聲發(fā)射檢測技術(shù)

通過分析檢測中聲發(fā)射信號的各種參數(shù)，獲得管道裂縫大小和位置等信息[1]。目前美國、日本、意大利等國家應(yīng)用較多。我國平湖油氣田海底管線檢漏中，承包商應(yīng)用了聲發(fā)射技術(shù)確定了管線泄漏的位置。聲波儀器采用經(jīng)過處理的水驅(qū)動，聲波球由自身攜帶的電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（麥克風(fēng)）、儲存系統(tǒng)、自動計程儀組成。聲波儀器最前端安裝一個能接受聲波的麥克風(fēng)，儀器后部安裝3部計量運行距離的計程器，儀器中部為數(shù)據(jù)記錄裝置，其將聲波信號和里程數(shù)據(jù)記錄在磁盤上，聲波儀器在管道中運行時，只記錄前方的噪音，當(dāng)聲波儀器通過泄漏點以后，聲波信號迅速恢復(fù)正常。將記錄的信號經(jīng)過計算機處理，可與周圍其他聲波源信號區(qū)分開來，如閥門、彎頭等，然后分析噪音的曲線形態(tài)，給出一個波型圖，最終確定泄漏點的位置。

1.6 電子內(nèi)窺和視頻檢測技術(shù)

通過攝像頭觀察管道內(nèi)壁狀況，判斷管道缺陷情況[1]。這是目前檢測技術(shù)的發(fā)展方向之一，法國HYTEC流體技術(shù)集團，開發(fā)了帶軸向自推進攝像機的電視監(jiān)視系統(tǒng)，可對管道內(nèi)壁和管道中的流體進行檢測。

另外，管道檢測方法還有流量差法、壓力分布法、壓力波法、SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）法等。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，國外已開發(fā)完成了多種管道缺陷內(nèi)檢測器[3]。

2 國內(nèi)對腐蝕缺陷檢測技術(shù)的掌握

目前，國內(nèi)也掌握了長輸油氣管道的腐蝕缺陷檢測技術(shù)[4～5]。

1993年中國石油天然氣管道局技術(shù)公司，從美國引進了Φ273mm和Φ529mm兩套管道漏磁檢測器；

1997年又從美國的Tuboscope Vetco公司引進了Φ720mm管道漏磁檢測器。這些早期的漏磁檢測器分辨率低，且只能檢測輸油管道。

1999年，中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司研制成功Φ377mm油氣管道腐蝕缺陷中清晰度漏磁檢測器。

1999年，沈陽工業(yè)大學(xué)和新疆三葉管道技術(shù)有限責(zé)任公司，在國家自然科學(xué)基金資助下，研制完成了油氣管道腐蝕缺陷中清晰度漏磁檢測器。

2002年，天津大學(xué)和深圳巨濤機械設(shè)備公司，研制了油氣管道腐蝕缺陷中清晰度漏磁檢測器樣機。

2002年，中國石油天然氣管道局管道技術(shù)公司與英國ADVANTICA公司以及清華大學(xué)合作，于2005年研制了Φ1016mm油氣管道腐蝕缺陷內(nèi)檢測器。

2008年，中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司和清華大學(xué)，獲得了國家科技支撐計劃支持，開始研制天然氣長輸管道裂紋檢測器。

以上均為陸地管道檢測器。

2001年，勝利石油管理局在國家“863計劃”資助下，開展了“海底管線內(nèi)爬行器及其檢測技術(shù)”的研究工作，研發(fā)了一套Φ325mm海底管線檢測系統(tǒng)工程樣機及其標(biāo)定試驗系統(tǒng)[6]，并于2007和2010年進行了海底管線的檢測，初步形成了Φ325mm海底管線現(xiàn)場檢測的工程應(yīng)用能力。

3 國內(nèi)外管道內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)外管道內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展趨勢，主要傾向于漏磁和超聲檢測。其中管道漏磁檢測器的發(fā)展趨勢主要有兩個：

3.1 三軸（Tri-axis）傳感器技術(shù)

采集和處理由管道缺陷引起的磁傳感器位置的漏磁場矢量沿管道軸向、徑向和周向的3個分量，提高缺陷描述能力，提高軸向槽檢測和識別能力。

3.2 “高通過性”管道檢測技術(shù)

目前，世界上大約有1/3的管道屬于“難以檢測”的管道。難以檢測的原因，主要是這些管道最初設(shè)計時，沒有考慮使用管道內(nèi)檢測器的需求，具體表現(xiàn)在管道施工不規(guī)范、轉(zhuǎn)彎半徑較小等方面。對于這些管道，以往只能采用定量檢測能力差的直接評定和液壓試驗方法，迫切需要提高檢測器在海底管道內(nèi)的通過能力，滿足“難以檢測”管道的檢測需求。

4 國內(nèi)存在的主要技術(shù)問題

（1）國內(nèi)海底管道缺陷內(nèi)檢測器，未形成工程系列化產(chǎn)品，無法覆蓋主要規(guī)格的海底管線；

（2）缺陷檢測裝置在實際海底管線內(nèi)，環(huán)境適應(yīng)能力差和越障能力低；

（3）缺陷信號分辨率有待于提高；

（4）數(shù)據(jù)采集及其傳輸速率偏低；

（5）海底管線檢測、投放和回收工藝流程，未形成標(biāo)準(zhǔn)化操作，海上操作難度大，相關(guān)配套設(shè)施不完備和應(yīng)急預(yù)案不完善。

5 結(jié)束語

經(jīng)過數(shù)十年的研究，國外已開發(fā)完成了多種管道缺陷內(nèi)檢測器；國內(nèi)已經(jīng)基本掌握了油氣管道缺陷檢測技術(shù)。但在海底管線內(nèi)檢測方面，尚未形成實際工程化應(yīng)用能力。因此，急需開展海底管線缺陷內(nèi)檢測技術(shù)與裝備工程化研究，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海底管線內(nèi)系列化工程檢測設(shè)備。

中國石化集團勝利石油管理局，正在開展Φ457mm、Φ273mm和Φ219mm這3種管道漏磁檢測器的研發(fā)工作，并得到了國家“863計劃”的支持。

通過對海底管內(nèi)缺陷檢測技術(shù)研究，將形成系列化先進的海底管線檢測裝備，能有效地采集到管道的有害缺陷的信息，并運用該技術(shù)進行分析評判，可為管道的評估、判廢、改造及安全平穩(wěn)運行，提供科學(xué)的決策依據(jù)，保證海洋油氣開發(fā)安全，具有良好的推廣前景。

[1]劉福順，湯 明.無損檢測基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]武萬輝，郭 勇，王同德，等.管道漏磁檢測技術(shù)及應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2009，（2）：33-34.

[3]黃 輝，何仁洋，熊昌勝，等.漏磁檢測技術(shù)在管道檢測中的應(yīng)用及影響因素分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2010（3）：17-19.

[4]范智勇，鄭超雄.漏磁技術(shù)應(yīng)用于無縫換熱器管在役檢測的研究[J].無損探傷，2006，30（1）37-38.

[5]馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內(nèi)檢測技術(shù)[J].油氣儲運，2009，28（10）：72-75.

[6]孫永泰.油氣輸送管線檢測準(zhǔn)確度影響因素分析[J].石油機械，2010，38（2）：70-73.

Technology State and Development Trend Research of Defects Internal Inspection Technique for Submarine Pipeline

ZHANG Shi-hua1,CHU Xin-jie1,2,SUN Yong-tai1,SHI Yong-jin1
(1.Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Administrative Bureau,Dongying Shandong 257017,China；2.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China)

The background knowledge and basic theory of defects internal inspection technique for submarine pipeline is briefly presented and then the achievements made in the study of defects internal inspection technique in resentyears are reviewed.Magnetic flux leakage inspection technique and supersonic inspection technique are emphatically presented.The development trend and the existing main problems in our country in the study are summarized.The necessity and the application prospect of developing serial defects internal inspection equipment are analyzed.

submarine pipeline;defects;internal inspection;magnetic flux leakage inspection;high accuracy

TE973.6

A

1672-545X（2011）09-0142-03

2011-06-12

國家“863”資助項目——海底管線檢測與水下結(jié)構(gòu)物修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)（2011AA0903）

張士華（1965—），男，山東沾化人，教授級高工，勝利油田高級專家，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)與裝備的研發(fā)與設(shè)計。