低頻導(dǎo)波在場站管道檢測中的應(yīng)用研究

宋日生，喻建勝，何 莎，王文韜，彭星煜

（1.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引 言

定期檢驗作為保障壓力管道和其他特種設(shè)備的重要手段，已得到普遍認(rèn)可和重視。而場站內(nèi)部管道作為管道輸送系統(tǒng)的重要組成部分，因敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，缺乏有效檢測手段，一直處于檢測盲區(qū)。由于服役期延長、介質(zhì)腐蝕以及老化，場站內(nèi)管道安全問題日益突出。低頻超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有檢測距離長、可對被檢管線實施100%的全面檢測等區(qū)別于其他常規(guī)無損檢測技術(shù)的顯著優(yōu)勢，特別適合于服役環(huán)境不可接觸且不能實施內(nèi)檢測的管道檢測[1]。本文利用WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，對中國石油西南油氣田公司的某場站φ159架空輸氣管道和φ159埋地輸氣管道分別進(jìn)行檢測試驗，對缺陷信號特征、檢測靈敏度、缺陷定位準(zhǔn)確度、檢測距離和檢測缺陷類型等性能指標(biāo)進(jìn)行了驗證。

1 技術(shù)原理

低頻導(dǎo)波檢測系統(tǒng)是一種新的無損檢測技術(shù)，采用低頻導(dǎo)波原理[2]，通過使用均勻間隔排列的環(huán)狀超聲波探頭，環(huán)繞套夾于管道上，由超聲導(dǎo)波主機激發(fā)不同模式的低頻超聲信號（包括縱波、橫波、扭轉(zhuǎn)波等），沿管道環(huán)向的超聲波探頭均勻地間隔排列，使得聲波以管道軸芯對稱傳播。在遇到管道壁厚發(fā)生變化的位置，無論壁厚增加或減少，一定比例能量被反射回探頭，直到能量消耗完畢。通過測試分析反射回來的聲波，實現(xiàn)管壁缺陷的檢測，判斷管道的腐蝕程度和位置，同時能夠顯示環(huán)焊縫、支架、彎頭等其他管道特征。

由于探頭均勻間隔排列，使得軸向超聲波以管道軸芯對稱傳播，環(huán)向超聲波沿著管道傳播，整個管壁被超聲波運動激勵，從而實現(xiàn)對管體的100%檢測。低頻超聲導(dǎo)波的頻率范圍為20~100kHz，由于導(dǎo)波的頻率低，因此衰減慢，傳播距離長，檢測效率更高[3]。目前世界上美國西南研究院、英國焊接研究所和英國GUL公司3家機構(gòu)均研制出了導(dǎo)波檢測設(shè)備，美國西南研究院研制的設(shè)備基于磁致伸縮導(dǎo)波原理，而英國焊接研究所、英國GUL公司研制的設(shè)備基于低頻超聲導(dǎo)波原理。

圖1 英國GUL公司的Wavemaker G3超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)

低頻導(dǎo)波由主機、計算機系統(tǒng)和超聲波探頭組成，如圖1所示。超聲導(dǎo)波主機可發(fā)射和接收所有檢測信號，操作電源由內(nèi)部充電電池提供，并通過USB接口導(dǎo)線與手提電腦相連。設(shè)備的調(diào)試、信號的處理和測試報告均由WavePro G3軟件系統(tǒng)完成。

2 檢測試驗

2.1 檢測結(jié)果

為驗證低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的缺陷信號特征、檢測靈敏度、缺陷定位準(zhǔn)確度、檢測距離和檢測缺陷類型等性能指標(biāo)，利用WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)對中國石油西南油氣田公司的某場站φ159架空輸氣管道（如圖2所示）和φ159埋地輸氣管道（如圖3所示）分別進(jìn)行檢測試驗，導(dǎo)波檢測波形圖譜見圖4，檢出的管道結(jié)構(gòu)特征和腐蝕部位見表1和表2。

由該場站φ159架空輸氣管道和φ159埋地輸氣管道檢測結(jié)果知：

圖2 φ159架空輸氣管道檢測試驗

圖3 φ159埋地輸氣管道檢測試驗

（1）管線的環(huán)向焊縫和法蘭等結(jié)構(gòu)特征信號多為對稱信號，在導(dǎo)波圖譜中由黑色線顯示，管線腐蝕或缺陷等信號為非對稱信號，在導(dǎo)波圖譜中由紅色線顯示。Wave Marker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)具備準(zhǔn)確識別判斷管線的缺陷特征信號與結(jié)構(gòu)特征信號的功能[4]。

圖4 管道信號分析圖

表1 φ159架空輸氣管道檢測特征信號列表

表2 φ159埋地輸氣管道檢測特征信號列表

（2）研究表明WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)在理想狀態(tài)下，檢測的靈敏度門檻值為橫截面積（CSC或ECL）的9%，最高可達(dá)3%，能夠區(qū)分管道腐蝕和管道特征[5]（焊縫、支撐、彎頭等），本次檢測試驗的最高靈敏度為4%CSC。

（3）缺陷定位包括縱向和環(huán)向定位。WaveMarker G3低頻超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的縱向定位與檢測距離有關(guān)，50 m以下時的縱向定位準(zhǔn)確度為±20 mm左右，上百米時的縱向定位準(zhǔn)確度為±50mm。環(huán)向定位準(zhǔn)確度相對來說不高，目前的設(shè)備通常可以把缺陷周向位置定位在4個相限，最高可以定位在8~16相限。由于定位需要把導(dǎo)波聚焦在某個相限以定位缺陷，8個相限就需要進(jìn)行8次聚焦，所以缺陷環(huán)向準(zhǔn)確定位需要更長的檢測時間[6]。

（4）從檢測試驗來看，檢測長度與管道的衰減特性、幾何形狀、內(nèi)外部條件、表面狀態(tài)等有關(guān)[7]。在架空、無防腐層的管道上具有比較理想的一次檢測距離，可以達(dá)到100m以上，如果沒有彎頭應(yīng)該還會檢測更長。但在有防腐層、彎頭、支管等復(fù)雜條件下的檢測距離還不夠理想，單邊檢測距離一般在5~20m之間。

（5）由低頻超聲導(dǎo)波檢測的原理可知，它主要用來檢測有壁厚發(fā)生變化的缺陷（如腐蝕等），也可顯示出焊縫、彎頭、支撐等管道特征。對于檢測到的其他“異常”缺陷[8]，要準(zhǔn)確判斷缺陷的類型就需要找到缺陷的位置并用其他檢測手段進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

2.2 檢測缺陷驗證

（1）對該場站φ159架空輸氣管道檢出的1處腐蝕區(qū)段利用超聲波測厚儀進(jìn)行驗證，通過測定低頻導(dǎo)波探頭負(fù)向0.81 m（-F2）環(huán)帶以及-F2±50 mm環(huán)帶的管道壁厚，檢測數(shù)據(jù)見表3，從表中可見在-F2腐蝕區(qū)段內(nèi)，軸向4點鐘方向壁厚的最大差值為0.88mm，管道環(huán)向2~5點鐘方向壁厚最大差值為0.55mm。

（2）對該場站φ159埋地輸氣管道檢出的其中1處腐蝕區(qū)段進(jìn)行開挖驗證，剝?nèi)ス艿婪栏瘜雍螅贸暡y厚儀測定低頻導(dǎo)波探頭正向2.46 m（+F7）環(huán)帶以及+F7±50mm環(huán)帶的管道壁厚，檢測數(shù)據(jù)見表4，從表中可見在+F7腐蝕區(qū)段內(nèi)，軸向1點鐘方向壁厚的最大差值為1.07mm，管道環(huán)向9~2點鐘方向壁厚最大差值為1.02mm。

由以上2個腐蝕區(qū)段驗證結(jié)果來看，WaveMarker G3超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對管道壁厚變化的異常微小缺陷的準(zhǔn)確定位。

表3 φ159架空輸氣管道-F2處缺陷位置測厚結(jié)果

表4 φ159埋地輸氣管道+F7處缺陷位置測厚結(jié)果

3 WaveMarker G3超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

從檢測試驗可以看出，低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)的優(yōu)缺點都很明顯，其優(yōu)點主要包括：

（1）填補了以往檢測的盲區(qū)，對于以往無法實施檢測或檢測成本昂貴的地段，超聲導(dǎo)波提供了一種新的有效檢測的手段，例如套管、穿跨越、埋地或高架管道，以及不能進(jìn)行內(nèi)檢測的、帶有保溫防腐層的管網(wǎng)腐蝕檢測等；

（2）可以對管壁進(jìn)行一次性100%的檢測，且檢測距離長，理想條件下可達(dá)數(shù)十米或更長；

（3）縱向定位準(zhǔn)確度高，利于快速查找和定位缺陷，且對內(nèi)、外壁缺陷具有相同的靈敏度；

（4）檢測過程簡單，只清理管壁上安放探頭環(huán)的位置就可完成檢測，而不用把管道全部挖開和清除大面積防腐層，管壁表面也無須耦合劑。

其缺點主要有：

（1）一次檢測的距離受管道壁厚變化、管段上的分支、焊接彎頭、支撐、法蘭、外涂層、水泥套管、土壤狀況、管內(nèi)結(jié)垢、管內(nèi)介質(zhì)等多種因素的影響，在這些條件下的檢測距離不夠理想，一般單邊檢測距離在5~20m之間；

（2）無法對缺陷進(jìn)行直接定量，需采用其他手段做進(jìn)一步檢測，但能給出缺陷的相對嚴(yán)重程度；

（3）對于那些缺陷很深、軸向還有一定長度、但環(huán)向很窄的缺陷，目前的導(dǎo)波技術(shù)有可能檢測不到；

（4）無法區(qū)分缺陷是在管道內(nèi)壁還是外壁；

（5）缺陷都被報告為“異常”，要準(zhǔn)確判斷缺陷的類型就需要用其他檢測手段進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)；

（6）彎頭、三通、支撐、焊縫等管道特征都影響到超聲波信號，并有可能影響到檢出靈敏度和分辨力。

因此，導(dǎo)波檢測主要是提供一種快速的掃描方法[9]，用于快速檢測和定位腐蝕及其他缺陷，并判定缺陷的嚴(yán)重程度，以便采用其他檢測方法，例如B或C掃描，直接對缺陷區(qū)域進(jìn)行更準(zhǔn)確的檢測。對于無法進(jìn)一步檢測的地方，導(dǎo)波檢測則可以作為一種監(jiān)控工具，監(jiān)測缺陷的發(fā)展?fàn)顩r。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)油氣儲運工業(yè)的不斷發(fā)展和油氣海上開采領(lǐng)域的不斷拓展，埋地管道、穿跨越管道以及海洋平臺上的架空和水下管道的服役安全問題日益凸出。Wave Marker G3低頻導(dǎo)波檢測系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢，將為各大油氣田的場站管道、集輸管道以及長輸管道的缺陷檢測提供技術(shù)支持。但是，目前低頻超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在國內(nèi)尚屬起步階段，應(yīng)用不多，從導(dǎo)波激勵方式、檢測設(shè)備以及信號分析技術(shù)都需要繼續(xù)重點研究。

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