石油管道內缺陷無損檢測技術的研究現狀

汪永康，劉 杰，劉 明，杜邵先，鮑元飛

（1.江漢油田清河采油廠，壽光262714；2.CPE華北分公司，任丘062552；3.中國石油大學（華東），青島266580）

隨著管道運輸業的發展，管道系統的安全運行越來越重要并為人們所重視。而管道系統的可靠性和有效性常常受到降解過程（如腐蝕、磨蝕、沉積、阻塞等）的較深影響，其中腐蝕過程影響最為顯著。腐蝕可以引發管道的嚴重失效，有時還伴隨著環境污染、人員傷害的風險。腐蝕引起的設備停機維修和更換，會導致經濟的巨大損失。相關評估得出，在一些工業化國家中，每年因腐蝕造成的經濟損失約占到國民生產總值的4.6%。因此須對管道進行有效的內檢測，以防止事故的發生。

1 管道內檢測技術最新研究

無損檢測是一種不破壞組織結構的技術應用，目前已提出了許多依據不同原理的無損檢測技術，并已在實際應用中取得顯著效果，主要的無損檢測技術包括如下幾種。

1.1 漏磁檢測技術

智能清管器已被廣泛應用于長距離輸氣管道的內檢測中（圖1）[1]。其中漏磁式智能清管器在檢測領域中占到很大份額，這種清管器采用漏磁檢測技術進行腐蝕缺陷的檢測和表征[2]。

漏磁檢測技術建立在鐵磁性材料的高磁導率特性上。檢測過程中，管壁被充分磁化，當管道內壁有腐蝕缺陷或其他異常出現時，磁通量會從管壁泄漏出來，然后被傳感器檢測到。泄漏的磁通量是金屬材料中磁場飽和度的函數，這取決于管壁厚度的大小。當鋼管中無缺陷時，磁通量絕大部分通過鋼管，此時磁力線分布均勻；當鋼管內部有缺陷時，磁力線發生彎曲，且部分磁通量漏出鋼管表面，檢測被磁化鋼管表面逸出的漏磁通，可判斷是否存在缺陷，通過分析傳感器檢測的結果，可得到缺陷的相關信息。

圖1 漏磁式清管器Fig.1 Pigging manetic leakage

此方法在小口徑及厚壁的管道使用中受限。改進的內腐蝕檢測傳感器[3]（ICS），它基于“磁場擾動”的技術，測量管壁小面積內的直接磁響應，而不必要求管壁材料達到磁飽和。因此ICS的檢測效果不受管壁厚度的影響。傳統的漏磁檢測需要對檢測中產生的復雜信號進行解釋，而此種方法只需要檢測缺陷中心最小信號強度即可分析缺陷深度，缺陷的長度也可通過信號直接測量，優勢是明顯的：具有一個內在的絕對誤差，檢測過程是在磁場的線性變化區域內進行，檢測對象不需要較高的抗磁性，可以從檢測到的磁場反映中直接表征缺陷的幾何形狀（圖2）。

圖2 ICS工作原理（磁通線）Fig.2 Principle of operation of ICS sensor based on the difference between the magnetic flux lines in the absence of a defect（a）and in the presence of a metal with defect（b）

1.2 超聲波檢測技術

1.2.1 傳統脈沖超聲波檢測[4]此檢測方法也叫做壓電超聲檢測。檢測時，通過垂直于管道的超聲波探頭，發射超聲波脈沖信號，比較管內表面和外表面兩次脈沖反射波之間的脈沖間距，反映出管壁壁厚，從而檢測到管壁是否受到腐蝕及腐蝕程度大小。

超聲波檢測可以直接對管道蝕坑深度、大小、位置進行檢測，檢測結果可以作為計算管道最大輸送壓力的計算依據。對厚壁管、大口徑管道的檢測適應性強，并對管道的應力腐蝕開裂和材料內缺陷的檢測有較高精度。由于聲波的傳播需要介質，因此在實際檢測應用中，探頭與管壁間需要有油、水等聲波的傳播介質作為連續的耦合劑。所以，在輸油管道中壓電超聲波檢測被廣泛應用，而在聲波衰減較快的輸氣管道上，超聲波檢測應用受限。

1.2.2 超聲導波檢測

超聲導波檢測采用低頻扭曲波或縱波，超聲導波可以在較遠的距離上傳播而信號衰減很小，因此管道不開挖狀態下在一個位置固定脈沖回波陣列就可做大范圍的檢測[5]。電磁超聲檢測技術[6]即渦流－聲檢測（EMAT）技術，作為超聲導波的一種激勵方式，是超聲檢測發展中的前沿技術之一，屬非接觸超聲檢測。通過在試件中震蕩激發出不同形式的超聲波，實現快速檢測。電磁超聲檢測模型[7]，見圖3。

圖3中當通有高頻電流的激勵線圈靠近金屬管道時，金屬管道表層會感生出高頻渦流。電磁鐵在金屬管道附近產生一個強磁場，渦流在強磁場作用下使管道中的帶電粒子產生高頻的力。這是一個高頻機械振動的力，能夠在試件中傳播，即產生超聲波，此過程可逆。從管道內缺陷部位反射回來的超聲波在外加磁場的作用下形成渦流，渦流產生的磁場使得線圈兩端電壓發生變化，通過檢測分析電壓信號，可以對腐蝕缺陷進行定位與分級。

圖3 電磁超聲檢測管道模型Fig.3 The model of electromagnetic ultrasonic testing

圖4 電磁超聲與壓電超聲的對比Fig.4 The comparison chart of electromagnetic and piezoelectric ultrasonic testing

圖4 給出了常規超聲與電磁超聲的異同處。兩者除了激勵部分是壓電晶片和電磁感應的區別外，其他部分具備很多的共同點。但是電磁超聲技術利用電磁作用在被測金屬管道中激發出超聲信號，直接接觸而不需耦合劑，同時具備了常規超聲檢測的高精度、探傷靈敏度穩定的特點，因此適用于高速、高溫的環境中，可對表面有沉積層或防護層的管道進行直接檢測。

1.3 脈沖渦流檢測技術[8]

傳統的渦流檢測采用正弦波信號來激勵驅動線圈，通過一個與驅動線圈同軸心的傳感器線圈測量試樣的阻抗。相對于傳統的渦流檢測，脈沖渦流技術使用寬頻譜脈沖來激發探測器的驅動線圈，激發的脈沖分散在試樣上。由于脈沖首先影響表面，因此需要應用信號時限分析來獲得底面缺陷的信息[9－10]。脈沖渦流（PEC）檢測技術[11]是一種最新的無損檢測技術，已經成功應用在管道的腐蝕等缺陷檢測中。

脈沖信號輸入波加到探頭的激勵線圈兩端，周期性的寬頻譜脈沖電流感生出快速衰減的脈沖磁場。而變化的磁場在金屬管道中感應出脈沖渦流，向金屬管道內部傳播，并感應出快速衰減的渦流場。隨著渦流場的衰減，檢測線圈上就會感應出隨時間變化的電壓。由于脈沖渦流在金屬管道內的傳播過程是逐漸衰減的，因而管道厚度不同，最終得到的檢測線圈上的瞬態感應電壓信號的波形也不同。所以，通過接收瞬態感應電壓信號，并對信號進行處理和分析，就可以得到金屬管道壁厚與瞬態感應電壓信號的關系，進而利用這種關系對導體試件厚度進行檢測[12]。

無損檢測通常依靠信號的特點，比如信號的幅度、峰值時間、或者信號幅度躍零的時間，對腐蝕狀況進行分析[13]，通過測量信號的變化，即可得到有關缺陷的尺寸、類型和結構參數等信息。

1.4 光學原理類檢測技術

光學原理類的檢測技術主要有閉路電視（CCTV）管道內窺檢測技術、激光全息檢測技術和電子散斑干涉檢測技術等。此類檢測技術對管道內腐蝕等缺陷的定位和分級中，具有較高的精度，且易于通過圖像直觀顯示缺陷狀況，在實際檢測中優勢明顯。

1.4.1 CCTV管道內窺技術

CCTV管道內窺檢測系統[14]是由PC主控器、操縱線纜、帶攝像頭的爬行器三部分組成，基本原理如圖5所示。光學系統由一個激光二極管、一個環形光發生器和一個電荷耦合攝像機組成。檢測過程中，激光二極管和環形光發生器在管壁上投射產生與管道中心軸線正交的光圈，通過電荷耦合攝像機對光圈進行成像。主控器主要控制爬行器在管道內前進的速度和方向，控制攝像頭對管內壁進行全程拍攝。

圖5 CCTV管道內窺技術原理圖Fig.5 The schematic diagram of CCTV testing

操縱線纜將攝像機攝取的圖片信息傳回到PC機上，通過PC機帶有的圖片分析系統提取管內照片的光強度信息，可以產生管道內壁的表面圖像，缺陷和異常點可以由提取出的表面圖像分析識別出。圖片信息如圖6所示，可以清晰的看出角位置155°處的蝕坑。

圖6 蝕坑缺陷在激光光環上的角位置Fig.6 Angular position of corrosion defect onto laser light ring

CCTV管道內窺技術要求光圈在攝像機的成像區域內成像，因此要求攝像頭視角焦距盡量短，且不能太小，但是短焦鏡頭會引起成像誤差，影響測量精度，需要由軟件對結果進行分析校正[15]。

1.4.2 激光全息檢測

激光全息無損檢測[16]是利用全息干涉計量技術，把相干性好的激光照射到物體表面，通過熱加載、流體正負壓力加載、機械加載等加載方式使被檢測物體表面產生微小變形，比較被檢測物體在加載前后的兩組光波波前的形狀，根據干涉條紋有無異常變化判斷被檢測物體內是否有缺陷。激光全息干涉光路圖如圖7所示。為數字圖像，經計算機處理后，還原在顯示器屏幕上，可顯示出材料內部的缺陷性質、大小、位置等信息，按照有關標準對檢測結果進行缺陷等級評定。

圖7 激光全息干涉光路圖Fig.7 The laser light path of holographic interferometry

圖8 X射線數字化成像檢測示意圖Fig.8 The schematic diagram of digital imaging testing X－ray system

激光全息無損檢測是一種非接觸式全場實時測量技術，具有靈敏度高、檢測速度快、非接觸式無需耦合劑、對構件形狀和表面狀態無特殊要求等優點，并且將全息干涉條紋圖像轉化為數字圖像，存儲在計算機中進行運算和處理，處理過程實現了數字化、測量自動化和對結果的直觀解釋。但此檢測方式對環境有防震和避光的要求，而且加載條件嚴格。

1.5 射線照相類檢測技術

在無損檢測技術中，射線照相技術有著很大優勢，因為在檢測過程中它可以不移除管道的外防護層，可以在較高溫的環境中進行檢測。射線照相技術可以用來檢測管道局部腐蝕，借助標準的圖像特性顯示儀測量壁厚。

1.5.1 X射線數字化實時成像檢測技術

X射線數字化實時檢測實時成像[17－18]的原理是將光電轉換技術與計算機數字圖像處理技術相結合，把不可見的X射線圖像經增強方法轉換為可見的視頻圖像，再經計算機對圖像進行數字化處理，使視頻圖像的對比度和清晰度達到X射線照相底片的影像質量，從而提高探傷靈敏度和缺陷識別能力。

如圖8所示[19]，X射線穿透管道后被數字平板探測器所接收，探測器進行光電轉換，將光信號轉化為電子信號。圖像采集卡將采集到的數字信號轉換

X射線數字化實時檢測技術的優點是使膠片成像的耗材（膠片）減少，極大降低了檢測費用，提高成像功效。并且檢測記錄可永久性保存，結果比較直觀。檢測技術簡單，輻照范圍廣，檢測時不需去掉管道上的保溫層。

1.5.2 紅外無損檢測技術

紅外無損檢測技術[20]是基于物體的缺陷區域和完整區域不同的熱傳導能力，使工件表面溫度場分布發生異常，通過對工件表面的溫度場分布情況的分析，確定工件缺陷位置和大小。

在檢測過程中，向被測管道內注入熱量，部分熱流向管道內部擴散，并引起管道表面溫度分布的變化。對于無缺陷的管道，當熱流均勻注入時，熱流能夠均勻的向管道內部擴散或沿管道表面擴散，因此表面的溫度場分布均勻；當管道內部存在缺陷（腐蝕或夾雜等）時，熱量的傳播會在缺陷處加強或受阻，造成熱量堆積或流失，因此表面會出現溫度的高低變化。局部溫差的存在會致使紅外輻射強度的變化，借助紅外熱像儀將紅外輻射轉化為可見的熱圖，分析可以得到缺陷情況。

紅外檢測方式有主動式和被動式紅外檢測，區別在于是否需要加載熱源。此外，根據加熱方式、采集圖像方式和處理數據方式的不同，檢測方式也可分為調制輻射測量LT[21]（如下圖9所示）、脈沖輻射檢測PT、脈沖相位輻射檢測PPT、熱層析檢測（類似CT檢測）和階躍光熱輻射檢測。

2 管內無損檢測的發展水平及最新設備

圖9 制輻射測量LT檢測原理示意圖Fig.9 The schematic diagram of modulation radiation measurement

隨著新技術工藝的發展，不同檢測技術之間的互補結合推進了管道內無損檢測技術的發展。內檢測設備也逐漸集合GPS和GIS技術于一體，向著智能化、可視化、集成化、高分辨率方向發展。無損檢測技術逐漸與清管器結合在一起，清管器除了擔負清管作用外，還被改進為具有信息采集、處理、存儲等功能的智能化清管器。目前，結合漏磁檢測技術和超聲波檢測技術的管內智能清管器已經研制出來，并在實際應用中取得良好的效果。

漏磁檢測常用的檢測設備，如美國著名的無損探傷設備制造廠商Tuboscope公司生產的Amalog電磁縱向探傷系統、磁粉探傷儀、Sonoscope電磁橫向探傷系統，以及超聲＋渦流組合式無損探傷系統等；德國的Foerster公司生產的Circoflux旋轉探頭法交流場漏磁探傷儀、Statomatl梳狀探頭法漏磁檢測儀等；英國的British Gas、德國的Pipetronix等公司有成熟的檢測技術和裝備[8]。

超聲波檢測設備有美國GE公司生產的相控陣超聲探傷設備，德國Foerster公司生產的Circoson電磁超聲法測厚儀，美國Tuboscope公司的Truscope、Truscan超聲探傷系統和油田用超聲波探傷設備SpectaSonic UTEAⅡ四通道超聲探傷儀。此外，日本鋼管株式會社（NKK公司）研制的高性能管道超聲波檢測清管器也有較好的檢測效果，應用Teletest技術的英國PI公司和采用WavemaketTM技術的英國GUL公司亦可提供管道導波檢測。

渦流檢測方面常用的有德國Foerster公司生產的DEFECTOMAT C 2.820單通道渦流檢測儀、CIRCOGRAPH S多通道旋轉探頭渦流檢測儀，美國磁性分析公司MAC生產的 MultiMac、ProMac等渦流探傷儀，此外，德國KK公司也有渦流探傷的系列產品。

三維圖像直觀顯示管壁缺陷，也是當前管內檢測技術的發展方向，如采用激光定位、視像機器人的三維電視系統的法國Exavision公司等。

3 結束語

由于埋地管道處于一個非均勻的土壤環境中，周圍環境比較復雜，而管道內的壓力、溫度、管內壁的沉積腐蝕情況等條件也是不斷改變的，并且不同的檢測方法其對噪聲的抵抗程度不同，因此檢測過程受到上述因素影響較大，精度也會受影響而降低。因此，內檢測技術對于缺陷位置的準確定位、缺陷大小的準確量級有待提高。

監測、評估和評價埋地管道的腐蝕缺陷和沉積物的狀況已經變得具有挑戰性，特別是有絕緣層的管道或者是高溫運行下的管道。阻止或減少管道失效的重要步驟是早期檢測、正確診斷和有效的防護措施。因此需要開展油氣管道的無損檢測，完善管道檢測標準。同時要根據實際情況，正確選擇合適的無損檢測方法，并建立管道完整性評價數據庫，完善管道安全評價系統。這些都有助于延長絕大多數管道系統的服務壽命，提高經濟效益。

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