油氣管道內檢測技術研究進展

鮑慶軍，帥健

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

油氣管道內檢測技術研究進展

鮑慶軍，帥健

（中國石油大學（北京）， 北京 102249）

管道內檢測技術可在管道運行狀態下對管道進行檢測，能夠及時發現管道存在的缺陷，對保證管道安全具有不可替代的作用。介紹了油氣管道內檢測技術的原理和方法，以及內檢測技術的發展狀況和最新研究進展。對內檢測技術進行了具體的分類，目前已形成四類特定功能的管道內檢測：金屬損失、裂紋、幾何、測繪，通過研究各種內檢測技術的發展現狀，提出了內檢測技術的局限性和發展方向。

內檢測器；油氣管道；金屬損失；缺陷；可靠性

管道在運輸液體和氣體時，相對于其他運輸方式更安全、高效和經濟，是目前輸送石油和天然氣的主要方式。但隨著管道運行時間的增長，各種隱患出現的概率不斷增大，管道的安全運行成為亟待解決的問題。根據浴盆曲線理論和統計分析結果，管道運行的早期和后期事故發生的概率較大，特別是后期，由于運行時間過長，管道腐蝕破壞的程度較大，更易發生泄漏事故[1]。目前，我國很多管道都已運行了 30余年，進入了事故高發期，為了避免管道事故的發生，定期的對管道進行內檢測是行之有效的方法。本文通過研究目前主要內檢測技術的發展現狀，分析內檢測技術存在的問題，指出了進一步的發展方向。

1 內檢測的必要性

為了保障管道的安全運行，國內外都頒布了各自的實用性準則和法律文件，強制管道運營商進行定期檢測，維護管道安全[2]。油氣管道作為國家的特殊重要設施，一旦發生事故，往往造成嚴重后果，不僅會造成油氣運輸間斷，影響人們生活，由于運輸物質的特殊性，往往還會造成嚴重的環境污染，并伴隨重大經濟損失。管道運營商應對管道進行基線檢測和周期性檢測，基線檢測可以建立管道的基本資料，為全面掌控管道提供數據保障，周期性檢測是對缺陷監控的重要手段。綜上所述，內檢測為管道安全運行和合理維護提供科學依據。

2 內檢測技術

內檢測技術結合管道特性和輸送介質的情況來確定所用的檢測計劃，并根據檢測結果對管道進行安全評價，是一個系統工程[3]。它可以在管道正常運行狀態下，利用類似清管器的裝置對管道進行無損檢測，并自動采集、分析、存儲所獲得的數據,進而獲得管道的缺陷狀況。目前已形成四類特定功能的管道內檢測：金屬損失——腐蝕缺陷、劃傷等；裂紋——疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋等；幾何——管壁凹陷、壓扁、橢圓度等；測繪——路徑[4]。針對上述四類缺陷，各大內檢測公司及科研機構發展了基于不同原理的內檢測技術，實現不同的功能。目前的檢測技術主要有：漏磁檢測技術、超聲波檢測技術、渦流檢測技術、射線檢測技術、熱像顯示技術、幾何變形檢測技術和測繪檢測等。

2.1 漏磁檢測技術

漏磁內檢測器的工作原理可描述為：當檢測器在管道內部運行時，被檢管道被磁化，若管壁是完好和均勻的，則磁力線在管壁內穩定通過，沒有泄露。若管道含有腐蝕或裂紋等缺陷，則缺陷處管壁的磁導率發生變化，磁力線發生泄露形成漏磁場，內檢測器能檢測到這種變化，通過分析就能獲得缺陷的具體信息。

目前漏磁檢測技術主要發展了三軸高清漏磁檢測技術、周向勵磁漏磁內檢測技術、三維脈沖漏磁內檢測技術、旋轉漏磁內檢測技術等。三軸高清漏磁內檢測器增加了探頭中傳感器的數量，能同時記錄泄漏磁場的三維分量，可提高對缺陷的位置、類型、形狀和尺寸等識別能力和測量精度[5]。周向勵磁漏磁內檢測技術通過管道周向分布的磁化場對管壁進行檢測，可改變管壁的磁場分布，提高檢測軸向延伸缺陷的準確率。三維脈沖漏磁內檢測技術是將具有一定占壓比的脈沖電壓（流）加載至激勵線圈來實現對測試件的局部磁化，如果被測試件存在缺陷，其漏磁場發生變化，感應電壓也隨之變化。旋轉漏磁內檢測技術將周向漏磁技術和軸向漏磁技術相結合，解決了檢測器很難檢測很淺、長且寬的金屬損失缺陷的問題，提高了對狹長裂縫的檢測精度（圖 1）[5]。

圖1 SpirALLTM 螺旋漏磁內檢測技術Fig.1SpirALLTM Spiral MFL technology

2.2 超聲波內檢測技術

超聲內檢測的工作原理可描述為：由超聲波傳感器向管壁垂直發射的超聲波脈沖，經過管道內外壁的反射后被探頭接收，根據超聲波在管壁材質中的傳播速度和兩次脈沖回波的時間差，計算出管道壁厚。根據超聲波的反射角度，計算出管壁缺陷的形狀和尺寸等參數。

美國 GE 公司利用相控陣超聲波技術(Phased Array Technology)研發的產品 UItraScanTM Duo，探頭環是采用探頭組的形式來布置的，通過控制探頭組內探頭的激發順序即可產生聚焦的超聲波脈沖。彈性波檢測器發射的彈性波信號能在氣體介質中傳播，可用于對焊縫缺陷的檢測，特別是對應力腐蝕裂紋和長焊縫有較好的檢測效果[6]。德國 AG 公司使用電磁換能器（EMAT）技術研發了 Line Explorer 3TM-tool（圖 2），可發射和接收超聲波信號，同時也可產生電磁渦流信號，該檢測器因其特殊的構造，可對氣體和液體管道進行檢測，以及對不同管徑的管道進行檢測，綜合分析不同檢測信號的檢測結果，可提高對腐蝕尺寸和缺陷的檢測精度。壓電超聲波檢測器是利用壓電晶體的壓電效應產生和接收超聲波信號，對管道進行內檢測。激光超聲檢測技術將強度被調制的脈沖激光束照射在被測件表面產生超聲波來實現管道內檢測，可不接觸管壁進行檢測，掃描成像速度快，檢測過程中產生的超聲波抗干擾能力強，檢測精度和分辨率都很高，能夠檢測很小的缺陷。GE公司在其研制的第二代超聲波腐蝕檢測器的前端加入三個注入水的隔離密封塞，由于密封塞提供了超聲波檢測的液體耦合環境，故該檢測器可對液體和氣體管道進行檢測[7]。

圖2 多功能管道缺陷檢測器實物圖Fig.2 Multi-functionpipeline defect detectorphysical map

2.3 渦流檢測技術

渦流檢測的基本原理可以描述為：用載有正弦波交變電流的實驗線圈靠近被測管道時，線圈周圍的交變磁場會在管壁導體中產生渦流。如果管壁存在缺陷或材質和尺寸變化，渦流的大小、相位和流動形式將會發生改變，引起感應電磁場發生變化，進而使耦合后的阻抗發生變化，通過測量儀器測量檢測線圈阻抗的變化，就可分析出被測試件的缺陷情況。

目前提出的基于渦流檢測理論的技術主要包括單頻渦流檢測技術、多頻渦流檢測技術、遠場渦流技術、脈沖渦流檢測技術、阻抗平面顯示技術、深層渦流技術和磁光渦流成像技術。傳統的渦流檢測技術是用單一頻率的正弦波電壓或電流作為其激勵信號的單頻渦流檢測技術，對管壁進行內檢測。多頻渦流檢測技術是采用多種頻率的正弦波電壓或電流作為激勵信號，由于獲得的檢測失真較少，檢測精度較高。遠場渦流檢測技術采用的是低頻渦流，能夠穿透管壁，檢測探頭主要有激勵線圈和檢測線圈組成，其克服了趨膚效應，能夠對管壁外表面的缺陷進行檢測。目前遠場渦流內檢測器主要有Russell公司 See Snake，如圖 3 所示[8]。脈沖渦流檢測技術采用的是占空比一定的方波號，通過激勵線圈在被測管壁上感生出脈沖渦流，引起檢測器上或檢測線圈上的電壓變化，通過分析電壓變化的波形曲線可得到管壁的缺陷情況。

圖3 Russell公司See SnakeFig.3 Russell company See Snake

2.4 射線檢測技術

射線檢測技術的原理是利用射線（如X射線、γ射線、同位素和高能射線等）穿透管壁過程的衰減規律，根據穿透被測管壁后的射線強度來判斷管道的內部缺陷情況。檢測原理如圖4所示。根據圖中穿透管壁前的射線強度IO和穿透后的射線強度I′之間的差值，就可計算出管道的缺陷ΔΤ。

圖4 射線檢測原理圖Fig.4 Ray detector Schematic

目前射線檢測技術主要可分為射線照相、實時成像和射線層析3種。射線技術早期采用膠片照相法，檢測的工序多周期長，得到的圖像質量偏低，成本高且受檢測人員影響較大，這些缺點阻礙了射線膠片照相法的擴展應用。科研人員借助于數字圖像處理技術、電子測量技術和計算機技術的發展成果，研發出工業計算機斷層掃描成像技術（ICT）、數字化射線成像技術、射線實時成像技術和X射線工業電視等一些新技術?！癤 射線工業電視”采用工業 CCD攝像機，采用監視器（工業電視）顯示檢測圖像。

2.5 熱像顯示技術和基于光學原理的無損檢測技術

熱像顯示技術也叫紅外熱成像檢測，使用紅外探測系統對被測管道表面的溫度及溫度場的變化進行測量，通過測量結果來掌握管道的材料缺陷、力學性能和腐蝕的原因及影響深度。

基于光學原理的無損檢測技術可對管壁內表面的斑點、裂紋和腐蝕進行快速測量和定位，檢測精度較高，在實際應用中較之其他檢測技術有很多優勢。目前基于光學原理的無損檢測技術主要有激光反射檢測技術、CCTV 攝像技術（圖 5）和工業內窺鏡檢測技術等，其檢測原理可描述為：基于光學原理的內檢測器對管壁進行檢測，將檢測信息轉化為電信號，通過影像顯示終端將檢測結果直觀的顯示出來。

圖5 CCTV攝像技術原理示意圖Fig.5 Schematic camera technology

2.6 幾何變形檢測

幾何變形檢測器主要采用機械爪或者有機械爪的輻射架，機械爪緊挨著管道內壁運行，當管壁存在凹陷、偏圈、褶皺或附著在管壁上的碎屑等引起管道橫斷面變化的缺陷時，機械爪就會發生偏移，檢測器將這些偏移轉化為相應的電信號并儲存起來，后期通過對電信號的分析就可確定影響管道完整性的幾何異常情況。圖6為檢測示意圖。

圖6 幾何變形檢測示意圖Fig.6 Geometric Deformation Monitoring schematic

目前變形檢測器能夠檢測的管道直徑范圍主要為 100～1500 mm，檢測靈敏度通常約為管道直徑的 0.2%～1%，精度大約為 0.1%～2%。如表 1和表2所示。

表1 幾何檢測性能規格Table 1Geometric detectionperformance specifications

表2 幾何檢測定位精度Table 2 Localization accuracy of geometric detection

2.7 測繪檢測

路徑測繪就是對管道的位置進行檢測，獲得管道中心線的精確坐標值。通過分析管道的坐標信息，可以發現因環境因素導致的管道變形，獲得管道整體的曲率變化和相對應彎曲應變[9]。利用測繪信息和內檢測數據可計算出管道所有參考環焊縫的 GPS坐標，以此繪出工程圖，能夠幫助制定完善的維修方案并確定缺陷的位置。結合衛星遙感影像數據，可對管道進行風險評價、缺陷定位和高后果區識別。

油氣管道慣性測繪內檢測技術使用慣性器件對管道的三維相對位置坐標進行測繪，以地面高精度參考點GPS坐標加以修正，可繪制出管道中心線的三維走向圖。

3 內檢測技術存在的問題和發展趨勢

內檢測技術存在的問題：①所有內檢測器對于缺陷的探測、描述、定位及確定大小的可靠性仍不穩定；②由于工作環境存在高壓和低/高溫等特殊條件，會影響檢測器的檢測精度甚至會造成設備的損壞；③檢測結果的分析方法不一致；④完成檢測是一個多步驟的過程，取決于實施過程控制及相關人員的經驗。⑤目前還沒有如何診斷和分析缺陷三維大小的推薦做法。

內檢測技術的發展趨勢：①用三維圖像直觀顯示管壁缺陷；②將多種檢測技術結合使用，開發適用于多種環境條件及多種檢測功能的檢測設備；③開發多樣化、尺寸規格系列化、高分辨率及智能化管道內檢測器；④加大對管道裂紋的研究；⑤提高內檢測器探頭的質量和數量，進而提高了分析結果的精確性；⑥提高內檢測技術在缺陷檢測、定位、描述的精確度；⑦形成統一認可的評價標準，完善檢測標準，編制國家權威認可的管道內檢測的相關規范。

4 結束語

作為管道完整性管理的必備手段，內檢測技術能夠在線檢測管道的各種數據，識別出管道存在的缺陷，是管道完整性評價的前提和基礎。目前的檢測技術存在檢測結果精確度不夠高等缺點，未來隨著科研水平的提升和其他高科技的發展，將研制出結合多種檢測技術，能夠檢測多種缺陷的多功能內檢測器。

［1］張健,謝輝,曹謝東,胡勤耕,江茂德,唐蘇明.油氣管道漏檢測技術及發展趨勢[J].儀器儀表與分析監測,2011,04:39-41.

［2］宋生奎,宮敬,才建,胡利明. 油氣管道內檢測技術研究進展[J]. 石油工程建設,2005,02:10-14+2.

［3］戴波,盛沙,董基希,謝祖嶸,湯東梁.原油管道腐蝕內檢測技術研究[J].管道技術與設備,2007,03:15-18.

［4］石永春,劉劍鋒,王文娟. 管道內檢測技術及發展趨勢[J]. 工業安全與環保,2006,08:46-48.

［5］馮慶善．在役管道三軸高清漏磁內檢測技術[J]. 油氣儲運，2009，10:72-75+84+93-94．

［6］王文明,王曉華,張仕民,曾鳴,王會坤.長輸管道超聲波內檢測技術現狀[J].油氣儲運,2014,01:5-9.

［7］周燕,董懷榮,周志剛,謝慧.油氣管道內檢測技術的發展[J].石油機械,2011,03:74-77.

［8］曹建樹,李楊,林立,李魁龍. 天然氣管道在線無損檢測技術[J]. 無損檢測,2013,05:20-25.

［9］王富祥,馮慶善,楊建新,周利劍,陳健.油氣管道慣性測繪內檢測及其應用[J].油氣儲運,2012,05:372-375+407.

Researchprogress in the Inner Detection Technology of Oil and Gaspipeline

BAO Qing-jun, SHUAI Jian
（China University ofpetroleum, Beijing 102249, China）

Thepipeline inner detection technology can detect thepipeline when it is in operation, which can find flaws of thepipeline timely, andplay an important role in the safety running ofpipeline. In thispaper, theprinciple and methods of oil and gaspipeline inner detection technology were introduced as well as the latest researchprogress and development status of the detection technology. Then and the detection technology was classified into four types with special functions: metal loss, crack, geometry, surveying and mapping. At last, existingproblems and development trend of the detection technology wereput forward.

Inner detector; Oil and gaspipeline; Metal loss; Defect; Reliability

TE 832

： A

： 1671-0460（2017）02-0298-04

國家科技支撐計劃課題（編號：2015BAK16B02）課題名稱：城鎮油氣管道安全完整性管理技術方法研究。

2016-07-22

鮑慶軍（1989-），男，河南省商丘市人，研究生，碩士，研究方向：油氣裝備失效分析與完整性管理。E-mail：baoqj0420@163.com。