國外天然氣管道檢測技術現狀及啟示

盧泓方 吳曉南 Tom Iseley John Matthews 彭善碧

1 我國天然氣管道檢測技術的現狀

根據對我國天然氣管道服役年齡的粗略統計，服役年齡不足10年的天然氣管道占71%，服役年齡為10～20年的天然氣管道占11%，服役年齡超過20年的天然氣管道占17%（主要是川渝天然氣管網）[1]。由此可以預見，在未來10～20年，我國天然氣管道將進入高度老齡化階段，管道事故也會隨著時間的推移頻繁發生。根據美國EPA（United States Environmental Protection Agency）編制的《Condition Assessment Technologies for Water Transmission and Distribution Systems》[2]報告，隨著事故頻率的增加，管道失效風險增大，管道更新得越晚，更新所消耗的總費用越少，若管道失效，則更換費用會更高。所以，在某一點處，管道所消耗的總費用最少（圖1）。因此，在進行管道修復或更換之前，應當對管道進行合理的狀態評價，確定何時修復或更換管道最為經濟、成本最低。

圖1 天然氣管道事故頻率、更新費用和失效風險關系圖

獲得精確的檢測數據在管道狀態評價中占有至關重要的地位。通常采用圖2所示的流程去選擇檢測工具。

管道內檢測技術在我國起步較晚，至今只有30年左右的歷史，20世紀80年代初期，我國開始對管道檢測技術進行研究，并取得了一定成果，但并沒有應用于工業中。從1994年中國石油天然氣管道局從美國引進漏磁檢測設備開始，我國才真正著手于漏磁檢測技術的研究和應用[3-4]。我國天然氣管道檢測技術主要集中于漏磁檢測，發展至今已非常成熟，并且軸向漏磁檢測技術水平與世界水平已基本持平。國外管道內檢測技術的研究起步較早，發展至今已形成技術多元化、多功能的格局，涉及的基礎檢測理論包括：遠場渦流、超聲導波、脈沖渦流、射線、電磁和熱成像等。因此，對國外已成熟應用的天然氣管道檢測和監測技術進行介紹，以期為我國未來天然氣管道智能檢測提供參考。

2 國外的天然氣管道檢測技術

天然氣管道檢測技術按照檢測目的進行分類，主要包括：可視化檢測、管道金屬損失檢測和泄漏檢測。

2.1 可視化檢測

2.1.1 管道閉路電視檢測（Closed-Circuit Television，CCTV）

CCTV檢測技術首次出現于20世紀50年代，并在20世紀80年代趨于成熟。在美國，CCTV檢測系統在很早以前就已應用于輸水管道的檢測中。它能夠連續拍攝并記錄管道內部的實際情況，專業人員可根據攝像內容對管道內壁的缺陷、腐蝕等情況進行記錄和評估[2]。

圖2 管道檢測工具的選取流程圖

CCTV檢測技術的主要優勢為：①操作簡便，檢測成本較低；②適用于小口徑和大口徑管道；③能夠生成管道內壁的全景圖像，檢測速度快，拍攝圖像清晰；④無需大范圍開挖路面。

CCTV檢測技術的局限性主要體現在：檢測結果需要專業人員進行判讀和解釋，且檢測結果的準確度會基于判讀人員的專業技能高低而有所不同[2]。

CCTV檢測系統的基本設備主要包括攝影機、燈光、電線及錄影設備、攝影監視器、電源控制設備、承載攝影機的支架、牽引器及長度計算器。爬行器可搭載不同規格和型號的攝像頭，通過電線與主控系統連接后響應操作命令。操作人員可在地面以上對CCTV檢測系統發出指令，控制爬行器的前行和后退以及攝像頭的方位。圖3所示為美國ULC Robotics公司開發的可用于天然氣管道的CCTV在線檢測設備，它僅需開挖較小的路面即可將該設備放入天然氣管道實施在線不停輸檢測。圖3-a設備爬行器較小，適用于管徑較小（305～406 mm）的管道，圖3-b適用于管徑較大（457～1 219 mm）的管道，它們的最大工作壓力均為0.68 MPa。因此該套系統僅適用于城鎮燃氣系統的中低壓管道。

圖3 ULC Robotics公司的CCTV檢測設備圖

圖4 CCTV檢測管道內圖像

如圖4-a所示，CCTV檢測圖像可顯示管道內壁的缺陷、泄漏或腐蝕狀況。除此之外，它還能應用于事故原因排查，對于一些低壓燃氣管道，在暴雨或洪水后，由于管道泄漏可能會導致雨水灌入管道。2017年7月，美國Newburgh市發生了一起由暴雨引起的燃氣管道中斷事故，事故排查人員采用CCTV進入管道實施檢測并找到了泄漏點的準確位置（如圖4-b所示）。

2.1.2 管道內窺鏡（Videoscope）

在美國，城鎮燃氣用戶很大一部分的老舊管道（鋼管）已被塑料管（PE管）所替代，通常用戶端PE管的管徑僅有12.7 mm，塑料管上的配件通常采用熱熔焊的方法焊接，會在管道內部產生較大的焊接接頭，從而減小管道的實際內徑，此時，較大的檢測設備無法進入管道。然而，對于城鎮用戶的燃氣管道，缺陷和磨損是主要的檢測對象，較高的清晰度是檢測結果的保障，因此，可采用管道內窺鏡進行檢測[5]。

管道內窺鏡的功能與CCTV類似，用于查看天然氣管道內部缺陷和腐蝕狀況。圖5為Fiberscope.NET公司開發的管道內窺鏡產品實物圖，它由一端具有目鏡的剛性或柔性管和另一端的物鏡組成，通過中繼光學系統連接在一起，是一種非常先進的管道鏡，其內置了一個非常小的電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）芯片，嵌入在示波器的頂端。視頻鏡頭的直徑通常為10 mm或更小，長度可達15.24 m。該裝置包括插入探頭部分、鉸接尖端、照明束、高強度外部光源、電纜接口以及外部媒體記錄裝置，視頻圖像通過內部布線回傳到顯示器[2]。

圖5 管道內窺鏡技術配套設備圖

管道內窺鏡檢測技術的優勢在于：①可以查看其他檢測設備無法訪問的區域，可以進入較小管徑的管道；②可以提供高質量的圖像，具有高速拍攝能力，并且能夠實現對檢測設備的高質量控制。

管道內窺鏡檢測技術的局限性在于：①檢測結果需要人工讀取和解釋，對人員專業程度要求較高；②僅能檢測距離較短且管徑較小的管道。

2.2 管壁金屬損失檢測

2.2.1 脈沖渦流檢測系統（Pulsed Eddy Current System）

脈沖渦流檢測技術用于確定絕緣鋼管和非絕緣鋼管的壁厚并判斷管道外的腐蝕狀況，其工作原理如圖6所示，發射線圈產生矩形渦流，每個循環由一個正脈沖和負脈沖組成，通過量化接收器線圈捕捉到的磁反應場測量距管壁一定距離的渦流強度，渦流強度與壁厚有關，它通過比較某些信號特征與類似校準信號的瞬態時間來計算金屬的平均厚度。磁場和被檢查部件之間接觸產生的覆蓋區即表明壁厚的計算區域。根據壁厚、絕緣層厚度和傳感器尺寸，覆蓋區域直徑范圍通常為25～150 mm[2,6-7]。

圖6 脈沖渦流檢測技術原理圖[6]

脈沖渦流檢測技術的優勢在于：①結構緊湊，可以通過遠程操作的車輛輕松部署；②無需去除絕緣涂層即可進行測量，并且可用于海底輸氣管道。

脈沖渦流檢測技術的局限性在于[2]：①得到的數據需要專業人員進行解釋；②測量結果易受到外部因素的影響，如溫度等；③儀器的占地面積不可避免地會遮擋局部鋼管損失面積，且必須選擇合適的傳感探頭（探頭直徑為30～200 mm）。

2.2.2 蛇形探測工具（See Snake Tool）

See Snake Tool是一種基于遠場渦流技術的檢測工具，它用于天然氣管道內部和外部腐蝕坑檢測，并可測量管道剩余壁厚和管道的應力。遠場渦流技術是一種能夠穿透金屬管壁的低頻渦流檢測技術，其檢測原理如圖7所示，檢測系統包括一個激勵線圈和一個或多個檢測線圈，激勵線圈和檢測線圈之間的距離是管徑（D）的2～3倍。激勵線圈發出的磁場線向外擴散穿過管壁，并在遠場區向管壁擴散，檢測線圈拾取渦流信號，從而有效檢測管道內和外壁缺陷[2]。

圖7 遠場渦流檢測技術原理圖[2]

圖8 為Russel NDE Systems公司開發的See Snake Tool實物圖，它適用于管徑為50～400 mm、500～700 mm且最大壁厚為25.4 mm的管道。該檢測工具可以自由移動或拴在電線上移動，可自由移動的See Snake Tool單次檢測長度可達4.5 km，而拴在電線上的單次檢測長度可達910 m，該檢測工具的檢測速度為1～2 km/h[8-9]。

圖8 See Snake Tool實物圖

See Snake Tool的優勢在于[2]：①能夠穿過多個90°焊接彎頭；②可以在地面控制其檢測進程；③可完成在線檢測，半自動分析數據。

See Snake Tool的局限性在于它不適用于大口徑的天然氣管道。因此，該技術較適用于城鎮燃氣管道。

2.2.3 渦流陣列檢測技術（Conformable Eddy Current Array）

渦流陣列檢測技術能夠生成天然氣管道外腐蝕的等高線圖，用于測量腐蝕坑深度。它基于最傳統的渦流理論，線圈阻抗（相位和幅度）的變化反映了被測物體的性質，對于天然氣管道的點蝕，可使用渦流探頭測量探頭與腐蝕凹坑底部的距離。渦流陣列檢測技術還能夠將離散測量轉換為二維掃描圖像，通常測量精度為±0.5 mm，單張覆蓋面積為157 mmh157 mm[2,10-11]。

渦流陣列檢測技術操作簡便，僅需將渦流陣列板貼合在管道表面的腐蝕位置（圖9），將傳感器與計算機相連即可進行測量，配套的計算機軟件可顯示腐蝕的等高線圖，如圖10所示。

圖9 陣列板安裝示意圖[10]

圖10 腐蝕坑檢測結果（樣本）圖

渦流陣列檢測技術的優勢為：①可較容易地適應管道表面曲率并貼合在管道表面；②測量系統可輕松操作；③管道表面無需噴砂處理，但是管道表面越干凈，測量越方便；④掃描圖像無需使用其他設備。

如圖9所示，由于渦流陣列檢測技術需將陣列板貼合在管道外壁。因此，該技術在已建設埋地輸氣管道上的應用較為局限（需開挖管道，經濟性較差），適用場合主要有：架空敷設輸氣管道、場站內管道。除此之外，該技術對于較深的腐蝕坑深度測量具有局限性。

2.2.4 射線檢測技術（Radiographic Testing）

射線檢測技術用于測量管道壁厚，可顯示管壁的腐蝕、磨損和缺陷情況，也可用于檢測閥門狀況[2]。射線檢測使用放射源（X射線或γ射線）穿過材料，有缺陷部位和無缺陷部位對射線的吸收能力不同，從而判斷是否存在缺陷。該技術多在油氣處理廠的工藝管道中使用，也可在埋地管道安裝階段對焊縫進行檢測。

圖11為VIDISCO公司用射線檢測管道焊縫和閥門的射線照片，可以看到材料結構的細節，較暗的區域對應較薄或密度較小的部位。

圖11 射線照片

射線檢測技術的優勢在于：①能夠應用于大多數管道材料；②能夠看到非常精細的結構內部狀況。

其應用局限性在于：①具有輻射安全問題，需要專業操作人員進行檢測；②對于埋地天然氣管道僅能用于安裝階段。

2.3 管道泄漏檢測

2.3.1 機載泄漏檢測技術（Airborne Leak Detection）

機載泄漏檢測技術是一種根據目標氣體物理特性，采用機載儀器對目標氣體的物理特性進行捕捉并識別的新型檢測方法。天然氣的主要成分為甲烷，目前能夠用于天然氣管道的機載泄漏檢測技術主要分為3種：機載激光檢測、機載紅外檢測和機載嗅探器檢測[12-13]。

機載激光檢測基于光譜吸收的原理，氣體分子對光譜具有選擇性吸收的特性，通過分析激光的初始功率和回波功率來獲得氣體的濃度。帶有激光發射裝置的飛行器在空中沿天然氣管道飛行，將激光調諧到被檢測氣體的吸收波長，一部分激光能量被氣體吸收，并用接收到的激光回波信號測量大氣中甲烷的濃度。具有代表性的技術公司主要有：ITT、Aviation Technology Services、Pergam Technical Services、LASEN。

機載紅外檢測基于氣體吸收紅外光譜的原理，帶有紅外光譜濾波器的攝像機在空中沿管道線路拍攝，在一定的波長范圍內，被檢測氣體吸收紅外線輻射并在視頻圖像中顯示出不同顏色[13]。具有代表性的技術公司主要有FLIR。

機載嗅探器檢測通常需要飛行器低空飛行穿過氣體團，嗅探器提取空氣樣本進行分析，從而確定空氣中天然氣的濃度。具有代表性的技術公司主要為 Apogee Scientific，Iac。

圖12為美國ITT公司開發的機載天然氣發射激光 雷 達 （Airborne Natural Gas Emission Lidar，ANGEL）檢測技術所配套的飛行器和傳感器，ANGEL檢測技術的檢測速度可達160 km/h，檢測精度較高，并能提供地理信息系統（Geographic Information system, GIS）數字影像。圖13為采用ANGEL技術對某輸氣管道的泄漏檢測結果，飛行器上配置的差異吸收光達的掃描寬度能夠完全覆蓋管道，并能提供甲烷的分布云圖及濃度。

機載泄漏檢測技術的優勢主要有：①檢測速度快，能夠快速提供檢測報告；②檢測精度較高，并能準確定位泄漏位置；③能夠快速發現泄漏位置，降低因天然氣泄漏對社會和環境造成的風險；④極大地減少人工成本。

圖12 ITT公司ANGEL技術配套飛行器和傳感器示意圖

圖13 采用ANGEL技術對某輸氣管道的泄漏檢測結果圖

該技術的局限性在于：①該技術需要由具有特殊資質的航空公司配合完成；②檢測結果可能會受風速的影響；③運行成本較高。

2.3.2 智能球（Smart Ball）

圖14 智能球結構及實物圖[15]

智能球用于定位和估計天然氣管道泄漏的大小，它是一種基于聲學的檢測技術（圖14）。智能球包括一系列聲學傳感器、加速度計、磁力計、超聲波發射器、溫度傳感器等，隨著天然氣流向在管道內滾動[14]。最早該技術僅能用于輸水管道，2010年以后論證了智能球可用于油氣管道，在技術論證期間，Pure Technologies公司進行了19次實驗，定位漏點誤差的范圍為±2 m。智能球可用于管徑大于100 mm的管道，可通過天然氣場站內的清管裝置放入管道。為了更好地使用智能球技術，Pure Technologies公司配套設計了SmartBall Analyst軟件，為了能夠將智能球應用于長輸天然氣管道，Pure Technologies公司主要針對電池容量和數據存儲能力進行了改進，改進后的電池續航能力能達到110 h，數據存儲容量達到16 GB（直徑為100 mm的智能球）和32 GB（直徑大于100 mm的智能球）[15]。

智能球技術的優勢在于：①能夠用于任何材料的管道；②可以帶壓不停輸檢測；③泄漏檢測的敏感性較高，能識別泄漏量為0.11 L/min的天然氣。

智能球的局限性在于：①與泄漏相關的聲學活動來自管壁上的壓力差，若壓差很小，智能球將不會檢測到泄漏；②所有泄漏檢測技術的靈敏度是幾個變量的函數，因而不能建立固定的閾值，在不同的工作壓力下，智能球的最小可探測泄漏量是不一樣的，因此，最小可識別泄漏量需要進行更多的實驗；③其他的環境噪聲可能會影響測量結果。

2.3.3 探地雷達泄漏檢測（Ground-Penetrating Radar，GPR）

探地雷達技術通常用來探測地面以下的設施，在天然氣工業中用于探管，其工作原理如圖15所示，探地雷達天線將電磁脈沖波傳輸到地面以下，脈沖波碰到管道反射后由接收天線接收。

圖15 探地雷達技術原理圖[16]

除此之外，探地雷達還可用于天然氣管道泄漏檢測。當輸氣管道泄漏時，覆蓋在管道上方土壤的物理性質會發生變化，管道的泄漏率發生變化，土壤孔隙率、飽和含水率等參數也會隨之發生變化（土壤會變得干燥）。而探地雷達對土壤的濕度變化非常敏感，它能夠檢測出非常細微的差別，土壤變干燥后，能夠觀察到以下4種接收信號發生變化[17]：①土壤電導率的降低會提高探地雷達信號的穿透深度；②土壤電導率的降低會增加管道信號的反射強度；③土壤含水率的降低會降低介電性能，將會縮短脈沖的反射時間；④管道泄漏后，管道上方的土體波速會發生變化。

探地雷達技術的優勢在于：①能夠適用于所有材料的管道；②檢測速度相對較快；③無需開挖管道，無需接觸管道。

其應用的局限性在于：①土壤的特性會影響檢測結果；②檢測數據需要專業人員解釋。

3 國外的天然氣管道監測技術

天然氣管道的智能監測也是今后的發展趨勢，實施管道監測可以根據管道的異常對危險進行預判，并實時掌握管道的運行狀況。

3.1 可彎曲超聲換能器（Flexible Ultrasonic Transducer，FUT）

FUT技術主要用于天然氣管道結構健康的監測和在線診斷。它由金屬箔、壓電陶瓷膜和頂部電極組成。頂部電極可以由銀或鉑膏制成，而金屬箔（如不銹鋼）可用作基底或底部電極。壓電薄膜的孔隙率和金屬薄片的厚度為該傳感器提供了足夠的靈活性，適用于彎曲和不規則的表面。通過將許多電極放置在所需的配置中，FUT可較容易形成陣列（圖16）[2,18-20]。

圖16 FUT陣列板圖[21]

FUT技術的優勢為：①可以在寬泛的溫度范圍（－80～500 ℃）內工作；②可以自對準到物體表面；③可進行天然氣管道長距離缺陷評估；④成本低廉，操作設備可小型化；⑤可使用無線網絡進行操作；⑥可電子掃描或成像。

FUT技術應用的局限性體現在陣列板只能覆蓋較小面積的區域，對于一段較長的管道需要很多陣列板才能完成。

3.2 光纖傳感器（腐蝕和彎曲變形監測）

光纖傳感器可用于直接測量管道壁厚，還可用于監測管道的腐蝕和彎曲變形。管壁厚度的變化將導致管道外表面應變發生變化，壁厚可通過光纖傳感器監測和記錄應變變化而測出。計算管壁厚度需要3個光纖傳感器，1個用來測量由內部壓力引起使管壁變薄的應變，另外2個用來補償溫度和壓力的操作變化。該技術的靈敏度取決于壁厚、壓力和管道材料，根據Morison在2007年的報道，靈敏度可高達50.8 μm[22]。1個監控單元可與多達8個光纖傳感器同時工作，監控單元可以聯網進行遠程訪問。客戶端可以通過基于網絡的應用程序訪問實時數據，也可以使用電池供電的便攜式儀器。除此之外，光纖傳感器還可用于測量由于地面運動引起的管道彎曲[2,23]。光纖傳感器實物安裝如圖17所示。

光纖傳感器的技術優勢包括：①能夠檢測一些較難檢測的位置；②擁有存儲管道壁厚的數據庫；③能夠基于網絡實現不間斷監控。

光纖傳感器的局限性在于：①由于內部腐蝕是一個非常緩慢的過程，將壁厚損失的信號與背景信號分開過程較慢，可能需要30多天；②如圖17所示，需要在管道外部安裝光纖傳感器，可能需要開挖。

光纖傳感器對于已建管道而言需要開挖進行安裝，因此建議在新管道的建設中直接安裝，以避免后續的開挖操作。除此之外，光纖傳感器還可應用于架空敷設管道和場站內管道。

圖17 光纖傳感器安裝實物圖[24]

4 結論及啟示

1）國外天然氣管道檢測技術主要針對腐蝕坑、缺陷、剩余壁厚和泄漏，很多技術都是以管道機器人為載體，配合其他技術理論（如聲學、渦流理論等），并配合有多種傳感器行使技術功能，因此，管道檢測技術和設備必將朝著綜合檢測（檢測多種數據）的方向發展。

2）國外天然氣管道的一些檢測技術僅可應用于小口徑管道，能夠在城鎮燃氣管道中得以應用，但是對于大口徑管道具有一定局限性，這主要取決于設備的尺寸，所以，提高檢測設備的適應性是必然趨勢。

3）國外天然氣管道檢測技術在我國應用的難點主要體現在：①我國目前尚未形成檢測技術實施和驗收的標準體系；②很多檢測數據需要人為解釋，而我國暫時缺乏相關專業的培訓。

4）檢測數據的解釋會耗費大量的人力，在一些特殊情況下，若檢測報告不能快速生成，會為天然氣管道的運行增加風險并造成巨大損失。因此，自動解讀數據成為管道檢測的一個新興發展方向，屆時機器可自動識別管道內缺陷、腐蝕狀況等參數并提供可靠性較高的檢測報告。

5）為了將檢測技術更好地應用于長輸天然氣管道，提高檢測設備的續航能力、數據存儲能力和遠傳能力是技術改進的發展方向。

6）天然氣管道檢測技術可與完整性管理更加緊密地結合，配套完整性管理平臺的研發能夠促進管道的智能化管理。

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