基于聲發射的油氣管道腐蝕檢測

楊洪銀 王澤旭 陳祎平 代召衛 梁春宇

1海南大學材料與化工學院2北京郵電大學計算機學院3華北油田采油二廠

基于聲發射的油氣管道腐蝕檢測

楊洪銀1王澤旭2陳祎平1代召衛3梁春宇3

1海南大學材料與化工學院2北京郵電大學計算機學院3華北油田采油二廠

目前常用的油氣管道腐蝕檢測大多采用無損檢測技術，包括超聲檢測、渦流探傷、漏磁檢測等。這類無損檢測方法需要對管道進行逐段式掃描，而油氣管道距離長，進行無損檢測有一定困難。在油氣管道的腐蝕過程中，一直會產生聲發射信號，油氣管道不同的腐蝕形式、腐蝕強度，將會產生不同頻率、幅值的聲發射信號。因此，通過檢測油氣管道腐蝕時所釋放的聲發射信號，分析信號的特征，提取出跟油氣管道腐蝕狀態相關的信號特征數據，就可以判斷出油氣管道的腐蝕損傷狀態。根據計算得到對應的聲發射信號的時域特征參數，觀察油氣管道在不同的腐蝕條件、腐蝕性質及強度下的各參數的變化情況，從而確定正確的管道維護策略，以預防油氣管道發生泄漏等事故。

油氣管道；管道腐蝕；聲發射檢測；頻率

引言

管道運輸是目前運用最廣、輸送量最大、最可靠、最有效的油氣運輸方式。我國也大量采用油氣管道運輸石油和天然氣。油氣管道在投入運營后，隨著服役時間的增長，油氣管道自身受到環境的影響越來越大，管道的腐蝕問題就越嚴重。當油氣管道腐蝕發展到一定程度時，如果不能及時發現和處理，可能會導致油氣管道出現腐蝕泄漏、管道爆炸等生產事故。因此，對油氣管道腐蝕狀態的檢測是目前亟待解決的問題，及時發現和處理管道腐蝕具有重要的經濟效益和社會效益。

目前常用的油氣管道腐蝕檢測大多采用無損檢測技術，包括超聲檢測、渦流探傷、漏磁檢測等[1]。這類無損檢測方法需要對管道進行逐段式掃描，而油氣管道距離長，進行無損檢測有一定困難。隨著聲發射技術的發展，聲發射檢測方法越來越多地應用于材料的腐蝕、疲勞、裂紋檢測等。聲發射技術靈敏度高，監測效率高[2]，可以同時監測一定范圍內的管道工作狀態。

1 聲發射檢測機理

如果建筑結構或者部件在受到一定力作用時，該結構或者部件會出現變形，此時因結構變形而產生的應變能會以彈性波的形式釋放出去。聲發射技術就是通過檢測這種彈性波，識別結構或者部件是否發生變形、損傷。材料或結構發生變形時，不同彈性波的頻率也將不同，變形越大，甚至出現斷裂、裂紋等現象，則釋放的彈性波越強，聲發射設備檢測到這些彈性波時，就會記錄下來，從而進一步判斷結構或者材料損傷狀態。根據聲發射技術的檢測原理可知，聲發射技術是一種材料或者結構損傷狀態的無損檢測，而且可以檢測一定范圍內材料或者結構的損傷狀態[3]。

油氣管道的腐蝕存在著多種方式。管道由于途徑地域、服役環境的原因，與環境中的水、氣、礦物質成分等發生接觸和反應，其中，管道材料的電化學腐蝕可以認為是一種化學或者電化學的反應。油氣管道發生電化學腐蝕時，管道的材料會出現變化，這種變化會釋放能量，產生彈性波，聲發射設備檢測到該彈性波后，輸出聲發射信號。管道發生其他腐蝕現象（如氫鼓泡），也伴隨著能量的釋放，也產生聲發射信號。

除了油氣管道的多種腐蝕過程會釋放能量，產生聲發射信號之外，由管道的腐蝕引起的其他現象，也會導致產生聲發射信號。例如，隨著管道服役時間的增加，因油氣管道的腐蝕，管道表面會形成腐蝕層，當腐蝕層增加到一定程度時，腐蝕層會出現脫落，此時會伴隨著聲發射信號。另外，在油氣管道腐蝕過程中，管道表面所產生的化合物、氣泡的吸附、脫附等，均會產生聲發射信號，據測算，大概可以產生幾百微伏聲發射信號。從材料的微觀結構分析，當油氣管道發生腐蝕現象時，管道材料微觀結構結晶轉化或結晶脫落，都會產生幾十毫伏的聲發射信號。

綜上所述，在油氣管道的腐蝕過程中，一直會產生聲發射信號，而油氣管道不同的腐蝕形式、腐蝕強度，將會產生不同頻率、幅值的聲發射信號。因此，通過檢測油氣管道腐蝕時所釋放的聲發射信號，分析信號的特征，提取出跟油氣管道腐蝕狀態相關的信號特征數據，就可以判斷出油氣管道的腐蝕損傷狀態。圖1所示為油氣管道腐蝕的聲發射檢測原理。

圖1 聲發射檢測油氣管道腐蝕原理

2 聲發射信號分析

油氣管道腐蝕可以產生聲發射信號，當檢測到聲發射信號后，需要對信號進行分析、處理，根據聲發射信號的特征，提取出不同腐蝕狀態、腐蝕強度下的聲發射信號的特點。

由油氣管道腐蝕時聲發射信號的特點可見，腐蝕所釋放的聲發射信號屬于一種波形信號，目前大部分的波形信號分析方法也可以用于聲發射信號的分析中。在本文中，將采用兩種方法來分析油氣管道腐蝕的聲發射信號：①聲發射信號的時域特征分析；②聲發射信號的頻域特征分析。

2.1 聲發射信號時域特征分析

根據發射信號的時域分析方法，提取時域特征參數。時域特征參數分為有量綱參數和無量綱參數兩種，表1列出了一些常用的時域特征參數的概念和計算方法。

表1 聲發射信號的時域特征參數

采用表1所示的參數計算方法，可以計算得到對應的管道聲發射信號的時域特征參數，觀察油氣管道在不同腐蝕條件、腐蝕性質和腐蝕強度下的各參數的變化情況。

2.2 聲發射信號頻域特征分析

油氣管道的聲發射信號頻域分析主要是對不同腐蝕情況下聲發射信號的頻率信息進行分析。根據管道腐蝕時聲發射信號的產生機理，可以確定不同程度的腐蝕狀態下所產生的聲發射信號在信號幅值、頻率、能量等方面存在的區別。

在波形信號的頻域分析方法中，常用的頻域分析方法主要有傅里葉變換和小波分析，傅里葉變換的定義為

式中f(t)為原始信號。

經過變換之后，就可以得到聲發射信號在頻域上的分布情況，從而獲取聲發射信號的頻率信息。應用傅里葉變換的前提條件是聲發射信號能夠滿足狄里赫利條件，即在一個周期內具有有限個間斷點，而且在這些間斷點上，函數是連續的；在一個周期內有有限個極值點，而且絕對可積。本文所采集到的油氣管道聲發射信號符合進行傅里葉變換的條件。

3 腐蝕檢測應用

采集實際油氣傳輸管道在不同的腐蝕狀態下的聲發射信號數據。選擇某區段油氣管道，管道規格為?720 mm×10 mm，該油氣管道的初始壁厚為8.0 mm。分別測量了該管道3種腐蝕狀態下的聲發射信號數據：①管道腐蝕深度為1.0～2.5 mm；②管道腐蝕深度為2.5～4.5 mm；③管道腐蝕深度為4.5～5.5 mm。在油氣管道檢測過程中，當檢測到管道腐蝕深度大于5 mm時，管道就被認定為嚴重腐蝕，需要更換和維護。

對于3種不同的油氣管道腐蝕聲發射信號，分別進行了時域分析和頻域分析[4]。根據時域分析結果，3種狀態下的聲發射信號區別并不明顯，無法有效區分。而3種聲發射信號的頻域分析結果顯示，在不同的腐蝕狀態下，3種腐蝕狀態的聲發射信號頻率存在很大的差異，因此可以根據聲發射信號的頻率信息，判斷出油氣管道的腐蝕狀態。利用油氣管道在3種不同的腐蝕狀態下的聲發射信號及其頻率信息，可以成功地檢測出油氣管道的腐蝕情況，并可以根據聲發射信號的分析結果，確定油氣管道具體的腐蝕狀態，從而確定正確的管道維護策略，預防油氣管道發生泄漏等事故。

4 結語

為了預防和避免油氣管道泄漏事故的發生，在石油、天然氣的運輸過程中，油氣管道的腐蝕檢測非常重要。在現代無損檢測技術中，針對油氣管道管線長、環境復雜、管道封閉的情況，聲發射技術是非常有效、實用、性價比高的油氣管道腐蝕檢測技術。本文分析了油氣管道腐蝕過程中聲發射信號產生原理和聲發射信號分析方法，利用現場實際采集的聲發射信號數據，分析油氣管道的腐蝕情況，證明聲發射技術可以有效地應用于油氣管道的腐蝕檢測。

[1]馮小剛，張紹鵬，單國平，等．埋地管道PCM及超聲導波檢測技術[J]．油氣田地面工程，2015，34（1）：79-80.

[2]張偉成．無損檢測新技術[J]．油氣田地面工程，2008，27（2）：76-77.

[3]張虹．管道腐蝕及泄漏的聲發射檢測技術研究[D]．天津：天津大學，2007：11-12.

[4]王朝暉，張來斌，辛若家，等．聲發射技術在管道泄漏檢測中的應用[J]．中國石油大學學報：自然科學版，2007，31（5）：87-90.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.016

2015-06-11