漏磁檢測技術在長輸管道維護中的應用

馬云修，劉保余，孫 旭

(1.中國石油大學(華東)，山東東營 257061;2.中國石化管道儲運公司，江蘇徐州 221008)

漏磁檢測技術在長輸管道維護中的應用

馬云修1，2，劉保余2，孫 旭2

(1.中國石油大學(華東)，山東東營 257061;2.中國石化管道儲運公司，江蘇徐州 221008)

介紹了油氣長輸管道的發展狀況及在維護管理中存在的主要問題，智能管道檢測技術在美國和英國等發達國家的發展狀況和國內在智能管道檢測方面的研究進展。敘述了管道漏磁檢測技術的基本原理，以Ф720 mm智能管道檢測器為例說明了智能管道檢測器(漏磁檢測器)的基本結構及主要功能、機械性能指標、檢測性能指標;介紹了漏磁檢測器研發中磁路優化設計、檢測系統和數據處理硬件、無損壓縮算法、缺陷重構技術、漏磁信號成像、信號特征庫和幾何成像等關鍵技術。以Ф720 mm管道為例介紹了管道漏磁檢測技術的實施過程、檢測數據分析、現場開挖驗證及管道腐蝕狀況評價等內容。

漏磁檢測 檢測器 長輸管道 腐蝕 評價

管道運輸在石油化工及天然氣等產業中占據重要地位。但鐵磁性油氣輸送管道由于長時間的腐蝕、磨損以及應力或意外的機械損傷等原因會形成機械裂紋和腐蝕穿孔等各種缺陷，而管道腐蝕是最主要的缺陷。由于管道長時間工作在高壓環境下，這些缺陷如不及時發現修理，將最終導致輸送效率降低、輸送介質泄漏等惡性事故。再者，由于多數管道都鋪設于地下或海底，所以一旦出現事故，管道的維護和搶修成本非常高。

國內原油管道有很多管線始建于20世紀70－80年代，已經進入事故多發期，更換管道的成本非常高，相當于建設一條新管線。而經濟可靠的檢測技術可以大幅度地減少更換管道的數量，延長那些雖已到服務期限但仍安然無恙的管道的使用期限，從而帶來十分可觀的經濟效益。

根據國外管道維修數據，更換管道、被動維護和主動維護這三種管道安全策略的投資情況見表1。

表1 管道安全維護成本Table 1 Cost of pipeline safety maintenance

從表1可見，對管道進行主動維護是最佳作法。如果能夠對管道定期進行檢測，發現管道缺陷，并且獲得其位置、類型和程度等精確信息，將為管道的安全評價、壽命預測和檢修維護等提供可靠依據。根據一定的優先原則，對一些嚴重缺陷的管道進行及時維修，一定可以避免管道事故發生，同時也能大大延長管道壽命，節約投資成本。［1］

1 漏磁檢測技術研究進展

管道檢測技術的研究已有近40 a歷史，它是一個涉及多學科領域的研究項目，具有大量的理論研究問題和大量的工程技術問題。其中漏磁檢測技術是應用最廣泛、技術最成熟的鐵磁性管道缺陷檢測技術，它適于多種傳輸介質，對鐵損失等最常見的管道缺陷有非常好的檢測效果。

目前，用于管道檢測的設備實驗樣機及商業化產品的種類和數量不斷增加。其中美國、英國和日本等國家的管道檢測技術處于世界領先地位。

美國PIIGroup(PipelineIntegrity International)是當前世界上最大的管道檢測設備制造商和檢測服務提供商，能夠提供數十種型號的漏磁型、超聲型等檢測器對管徑從3英寸(1英寸=0.025 4 m)到80英寸的各種油氣、水、化學品管道進行檢測。PII公司有遍布各大洲的19個分支機構，自成立以來，已檢測過總長超過400 000 km的管線。PII公司正在設計的新型Transcan型漏磁檢測器，要求每3 mm采樣1500次，數據流量達到6MB/s。為了實時處理如此大量的數據，PII公司正在進行有關的數據壓縮方法和硬件實現方法的研究。在新型檢測器設計中，該公司采用ALTERA公司的60萬門的FPGA(Field Programmable Gate Array現場可編程門陣列)芯片作為檢測器的核心元件。該設計目前正在試驗中。PII公司的研究方向可以代表管道檢測器目前的發展方向。

國內高度關注智能PIG技術的發展，跟蹤此項目已經超過20 a，并取得了一些成果。其中合肥工業大學等單位設計完成了地下原油輸送管道漏磁高速在線檢測裝置;中國石油天然氣管道局管道技術公司等單位設計完成了輸氣管道漏磁腐蝕檢測器;就管道漏磁檢測技術的基礎研究及數據分析處理已進行了一些相關研究，其中北京化工大學李明忠等、清華大學黃松嶺等、同濟大學聲學研究所吳先梅等研究了鋼管表面裂紋寬度對漏磁場的影響，管道磁化的有限元優化設計，并計算出不同形狀缺陷的管道的磁力線分布圖;天津大學蔣奇、王太勇等對鋼管漏磁檢測信號進行了時頻分析。綜合國內文獻來看，目前介紹管道漏磁檢測裝置及應用的文章較多，真正投入應用卻很少［2-6］。

2 管道漏磁檢測技術的基本原理

漏磁檢測的基本原理見圖1。使用永磁鐵產生強磁場并通過鋼刷導磁使鐵磁性管道的管壁磁化到飽和程度，當管壁上沒有缺陷時，磁場均勻分布;當管壁上存在異常(如缺陷、裂紋和焊疤等)時，在這些地方就會有漏磁通過，通過磁敏探頭檢測漏磁場就可以發現管道缺陷。通過對數據曲線的幅值、斜率和周期等信息進行就可以確定管線的腐蝕程度、缺陷的類型和大小。

圖1 漏磁檢測原理Fig.1 Schematic diagram of MFL detection

漏磁檢測器的結構參見圖2。檢測器為了能夠通過管道彎頭，一般都采用節狀結構，節與節之間采用萬向節連接。在動力節上安裝著比管道內徑稍大的橡膠碗，利用它阻塞管道介質流動產生推力，進而帶動整個裝置前進。在測量節，沿著管壁的周向排列數十個乃至上百個磁敏探頭，每個探頭內包含幾個檢測不同方向漏磁場的檢測通道。探頭排列越緊密，對缺陷處漏磁場的記錄就越完整。

圖2 漏磁檢測器結構Fig.2 Structure chart of MFL detector

3 內檢測器的設備組成及性能指標

從2006年開始，中國石化管道儲運公司與沈陽工業大學合作，對管道漏磁在線檢測系統進行研制和試驗，研制了Ф720 mm原油管道內檢測器(見圖3)。

該系統實現了管道缺陷、管道特征(管箍、補疤、彎頭、焊縫、三通等)識別以及內外壁缺陷分辨的在線檢測。給出了缺陷尺寸、程度、方位和位置等信息，能探測出5 mm×5 mm和0.8 mm(管壁厚度)以上的缺陷，定位精度不超過0.1%(標記間距離)，最大檢測距離可達150 km。

3.1 內檢測器設備組成

動力皮碗——管道輸送介質在動力皮碗上產生檢測設備的運行動力和起到支撐作用;

鋼刷——鋼刷與管壁接觸完成永磁鐵、磁軛和管壁的閉合磁路;

萬向節——檢測節和計算機節的柔性連接;

圖3 內檢測設備Fig.3 MFL detector

主探頭——由磁敏元件組成，完成缺陷的檢測;

計算機節——由數據處理計算機和電池組組成，完成檢測、定位信號處理、存儲和供電;

輔助探頭——完成內、外缺陷分辨信號的檢測;里程輪——完成定位信號的檢測;

低頻通訊——進行超低頻通訊完成定位點的通訊和卡堵狀態的追蹤。

3.2 內檢測器系統性能指標

(1)漏磁檢測器機械性能指標

漏磁檢測器機械性能見表2。

表2 機械性能指標Table 2 Mechanical properties index

(2)漏磁檢測器檢測性能指標

漏磁檢測器檢測性能見表3。

表3 檢測性能指標Table 3 Detection properties index

4 現場工業性試驗

4.1 管道概況

試驗管道為ф720 mm×8 mm規格的螺旋焊縫鋼管，采用瀝青和玻璃布絕緣層進行防腐蝕，全長120 km。該段管道于1978年投產，至今已運行將近30 a之久，已進入老化和事故多發期。進行管線在役內檢測，不僅對管道實際腐蝕情況會有一個比較深入的了解，而且為管道安全和使用壽命評估提供重要依據。檢測施工流程見圖6。

4.2 現場試驗情況

根據長輸管道內檢測器技術研究工業性試驗方案，首先埋設標記磁樁，然后投放直皮碗式清管器，接收直皮碗式清管器;然后投放ф720 mm智能變徑檢測器，接收ф720 mm智能變徑檢測器，通過數據分析發現一處管道較大變形，經過有關部門同意進行了換管;再次投放ф720 mm漏磁檢測器，接收ф720 mm漏磁檢測器;隨后開展了數據校正，數據驗證的管道開挖工作。整個試驗過程基本按原計劃順利進行。現場檢測信號見圖4，缺陷三維圖見圖5。

4.3 數據分析

數據分析主要通過專用的分析軟件，根據所建立的檢測信號特征庫和現場的實際情況進行了數據的分析和判讀并進行現場開挖驗證，腐蝕開挖驗證數據見表4。

圖4 檢測信號特征庫部分圖形Fig.4 Detection signal features library

圖5 缺陷三維圖Fig.5 Defect 3d image

表4 部分腐蝕開挖驗證數據表Table 4 Part of verified excavation corrosion data table

從腐蝕開挖驗證數據可以看出，該套漏磁檢測設備的定位誤差小，最大定位誤差不超過1.6 m，腐蝕深度偏差均不超過5%，鐘點位置100%準確。

4.4 管道腐蝕缺陷評價

分別采用ASME B31G、PCORRC和DNV三種評價方法對管道腐蝕缺陷進行評價。研究表明:在管道腐蝕缺陷的三個幾何參數中，深度對失效壓力的影響最大，寬度的影響最小，而長度的影響分為兩個階段:臨界長度之前，長度增大導致失效壓力快速減小;臨界長度之后，長度增加，失效壓力沒有顯著改變。189個缺陷中，最深缺陷深度29%、長度800 mm、寬度200 mm，其對應的容許壓力分別為6.16 MPa、8.18 MPa和8.57 MPa。最長缺陷深度9%、長度7 600 mm、寬度100 mm，其對應的容許壓力分別為6.19 MPa，8.09 MPa和7.41 MPa。

經計算，按ASME B31G、PCORRC和DNV三種評價方法計算的管道最小容許壓力分別為5.44 MPa、6.91 MPa 和 6.37 MPa，而此段管道的最大操作壓力不足4 MPa，所以各個缺陷處的管道強度均符合要求。

圖6 檢測施工流程圖Fig.6 Detection construction flow chart

5 結語

隨著Ф720 mm內檢測設備的推廣應用，更多型號的漏磁檢測設備將運用到管道檢測中來。未來的管道內檢測設備發展方向將是精度更高，現場適應能力更強，檢測數據分析智能化，檢測數據直接導入完整性評價系統等高精度，高適應能力，數據分析高度智能化。隨著技術的發展，預計管道內檢測將在管道的完整性管理方面，特別是其中的腐蝕檢測方面將提供越來越翔實的管道信息，為管道的安全平穩運行和維修維護提供更有力的依據。

［1］何宏，李琳，江秀漢.管道內腐蝕檢測技術進展［J］.西安石油學院學報(自然科學版)，2001，16(3):43-46.

［2］黃松嶺，趙偉.天然氣管道缺陷檢測器瀉流裝置［J］.清華大學學報(自然科學版)2008，48(1):13-15.

［3］孟浩龍，李著信，王菊芬，等.管內檢測機器人周圍流場的三維數值計算［J］.石油學報，2006，27(6):128-132.

［4］孟浩龍，李著信，王菊芬，等.管道內壓差驅動機器人相關流場數值模擬研究［J］.應用力學學報，2007，24(1):102-106.

［5］李明忠，丁克勤，張有忱.油氣輸送管道漏磁檢測的有限元分析［J］. 油氣儲運，2003，22(5):14-17.

［6］吳先梅，錢夢馬錄.有限元法在管道漏磁檢測中的應用［J］.無損檢測，2000，22(4):147-150.

［7］蔣奇，王太勇，劉秋宏.鋼管表面缺陷漏磁場與漏磁信號分析［J］. 中國機械工程，2003，14(12):1043-1046.

Application of Magnetic Flux Leakage Detection Technology in Maintenance of Long－distance Pipelines

Ma Yunxiu1，2，Liu Baoyu2，Sun Xu2
(1.China University of Petroleum(Huadong)，Dongying，Shandong 257061;2.SINOPEC Pipeline Storage＆ Transportation Company，Xuzhou，Jiangsu 221008)

Here introduced are the development of pipeline transportation，main problems in pipeline operation management，the development of smart pipeline detection technologies in developed countries like US，UK，etc and R ＆ D progress of smart pipeline detection technologies in China.The basic principles of magnetic flux leakage(MFL)detection technologies for pipelines are discussed.Through a case study of a Ф720 mm smart pipeline MFL detector(MFL detector)，the basic construction，main functions，mechanical performances and detection performance of smart pipeline MFL detector are described.The optimized design of magnetic circuits，detection system and data processing hardwares，non － destructive compression calculations，defect reconstruction technology，MFL detection signal imaging，signal signature base，geometric imaging，etc are presented.The implementation of MFL detection technologies for pipelines，detection data analysis，field digging verification and evaluation of corrosion conditions of pipelines are discussed.

MFL detection，detector，long－distance pipeline，corrosion，evaluation

TE973.6

A

1007－015X(2012)01－0045－06

2011－10－ 10;修改稿收到日期:2011－12－18。

馬云修(1982－)，在讀工程碩士，工程師，在中國石化管道儲運公司主要從事長輸管道內外檢測技術等方面的研究與應用。E-mail:yunxiu 611@126.com

(編輯 張向陽)