姬塬油田管道TEM檢測技術的研究及應用

胡建國 董立超 張榮輝 麻宇杰 韓雪 張婷

1中國石油長慶油田長慶科技工程有限公司

2中國石油長慶油田分公司第八采油廠

3中國石油青海油田分公司第三采油廠

瞬變電磁（TEM）檢測技術主要應用于地球物理勘探，1933年由美國科學家提出，20世紀50年代，前蘇聯基本建立了瞬變電磁法解釋理論與野外施工的方法技術。我國的瞬變電磁研究起始于20世紀70年代初，取得了較好的效果[1]。從20世紀90年代至今，國內TEM法進入了蓬勃發展階段，在地質礦產、煤礦、工程物探等行業廣泛應用。該方法的特點是利用瞬變電磁檢測儀間接檢測管體壁厚損失率，無需開挖，主要適用單根或間距大于2倍埋深的平行管道，檢測數據的可靠性受開挖點數及分布范圍的影響[2]。

1 瞬變電磁檢測技術

管道壁厚TEM檢測方法是基于瞬變電磁原理（圖1），用發射回線向金屬管道發送一次脈沖磁場，用接收回線測量二次渦流磁場（圖2），根據不同規格、材質的管道在瞬變衰減特征上的區別來評估管體金屬損失的一種檢測手段[3]。

1983年，美國地球物理學家推導出中心回線裝置的感應電壓表達式為[4]

式中：V(t)為感應電動勢函數，V；q為接收線圈的面積，m2；L為發射回線邊長，m；I為發射電流強度，A；?(z)為概率積分；z為瞬變場參數；τ為擴散參數，m；t為時間，s；u(t)為單位階躍發射電流的電壓響應函數；dt為時間的微分。

圖1 矩形回線中產生的磁力線Fig.1 Magnetic field lines generated in a rectangular loop

圖2 等效渦流環(Tx磁場強度)Fig.2 Equivalent eddy current ring(Txmagnetic field strength)

瞬間斷電以后，在管道正上方，管體上的二次磁場在接收回線中產生的感應電動勢為[5]

式中：U(τ)為階躍發射電流的電壓響應函數；b為有效線圈的直徑，m；為二次磁場接收回線邊長，m；T、R為管材壁厚度，mm；k為常數；n為線圈匝數；α為v或L與磁感線的夾角；μ為自感電流變化率。

管徑、材質、管內輸送介質相同但管壁厚度不同的管體，脈沖瞬變響應具有時間上的可分性（圖3），它正是實現管道腐蝕（管壁減薄）檢測技術與方法的基礎[6]。

圖3 不同壁厚脈沖瞬變響應幅值對比Fig.3 Comparison of impulse transient response amplitudes of different wall thickness

實測與理論TEM響應曲線對比如圖4所示。

圖4 實測與理論TEM響應曲線對比Fig.4 Comparison of measured and theoretical TEM response curves

圖4 綠色曲線為試驗管道一個測點上的響應曲線，管徑為219 mm，壁厚為5 mm；藍色曲線為相應參數的理論計算值；粉色曲線為實測大地的響應曲線。由圖中可以看出，測點上的響應早期為大地、裝置、管道的綜合響應，響應晚期是與被測管道直接相關的時變信息。試驗結果表明[7]，理論計算與實測相符。

管段長度：每個測點覆蓋的管段長度近似等于所采用的傳感器發射回線邊長與2倍管道中心埋深之和(L +2h)。

檢測精度：一般干擾條件下，誤差可控制在5%以內。

驗證方法：開挖驗證，并采用高精度測厚儀實際測量管道壁厚，測量點應均勻分布并具有統計意義。

符合率：檢測出的剩余管壁平均厚度與管壁實際平均厚度之間的偏差不超出檢測精度范圍時，稱為“檢測結果與實際情況相符”。一般情況下，符合率不低于80%。

2 標定點位置

2.1 選取條件

（1）通過對比分析TEM生成的波形，數據質量較好，沒有干擾的點。

（2）經初步計算壁厚值能夠代表大多數被檢測點。

每個檢測管段應有至少一處已知管道壁厚的標定點[8]，當發現被檢測管段存在管材變化或管道壁厚值變化較大時（通過對比TEM產生的波形變化，壁厚減薄率大于15%），應在管材發生變化的管段或壁厚變化較大的管段增加標定點以提高計算的準確性。

管線的管徑和材質相同，通過對TEM采集獲得的瞬變電磁檢測波形圖進行分析，并參考現場檢測時對檢測數據的受干擾程度以及對檢測數據的初步計算，再結合現場地形確定標定點。

2.2 標定點壁厚值的分析

標定點壁厚值測量時1個坑道應至少測量4個環周，每個環周間距為20 cm（圖5）。在每一個環周上選取8個檢測點，每個檢測點至少讀取8個數值。將標定點探坑內所有檢測數據取平均值作為該標定點的壁厚值。

如表1所示，第1個環周的平均值為4.49 mm，同樣測算出其他3個環周的平均值為4.42、4.4、4.40 mm，通過計算得知這4個數值的平均值為4.44 mm，作為該標定點的壁厚值。

圖5 學27增至學8增集油管線標定基點照片（直接檢測對比分析TEM間接檢測）Fig.5 Picture of calibrated base points of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z(comparative analysis of direct detection and TEM indirect detection)

表1 學27增至學8增集油管線250 m（標定點）處超聲波測厚值Tab.1 Ultrasonic thickness values at 250 m(marked point)of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z mm

3 管線瞬變電磁檢測波形分析

圖6中的波形是將各測點的檢測數據帶入數據分析軟件后生成的，波形相對平緩說明檢測數據質量好，波形若無規則說明檢測數據質量差。學27增至學8增集油管線1～600 m段管道瞬變電磁檢測數據質量較好，1～4 m管道出站上翻點數據不可用，5～81 m（圖6中綠色橢圓部分）管道出站穿馬路前可能有其他管道并行。

圖6 學27增至學8增集油管線1～600 m段瞬變電磁檢測波形圖Fig.6 TEM waveform diagram of 1～600 of the oil gathering pipeline from Xue27z to Xue 8z

圖7中紅色橢圓部分壁厚值變化較小，選為基準點開挖段。圖7中綠色橢圓部分壁厚值較兩側明顯變化較大，初步判斷該管段管材規格不同[8]。因此決定選取2處標定點，驗證TEM檢測。

圖8中學27增至學8增集油管線601～1 100 m段管道瞬變電磁檢測數據612～628、641～651、664～681、 704～721、 912～919、 920～929、943～949、963～969 m是以916.5 m處的超聲波測厚值為基準點計算，其他點均以250 m處的超聲波測厚值為基準進行計算。

TEM檢測環境中若存在較大的電磁干擾，如高壓線、金屬體等都會對瞬變電磁產生影響，將造成數據結果不準確。學27增至學8增集油管線1 146～1 201 m（圖9中紅色橢圓部分）、2 126、2 129～2 150 m（圖9中綠色橢圓部分）檢測數據受高壓線電磁干擾，數據失真，1 429 m受公路護樁中金屬體干擾數據不可用。

學27增至學8增集油管線1 101～2 150 m段管道瞬變電磁檢測數據1 146～1 153、1 279～1 286、1 321～1 328、1 511～1 517、1 527～1 536、1 739～1 746、1 814～1 822、1 834～1 840、1 851～1 859、1 971～19 79、1 993～2 008、2 022～2 030 m是以916.5 m處的超聲波測厚值為基準點計算，其他點均以250 m處的超聲波測厚值為基準點進行計算（圖10）。

4 管線管壁減薄點分析

圖7 學27增至學8增集油管線1～600 m段管道瞬變電磁檢測壁厚Fig.7 TEM wall thickness diagram of the 1～600 m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

圖8 學27增至學8增集油管線601～1 100 m段瞬變電磁檢測波形圖Fig.8 TEM waveform of 601～1 100 m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

圖9 學27增至學8增集油管線1 101～2 150 m段瞬變電磁檢測波形圖Fig.9 TEM test waveform of the oil gathering pipeline from 1 101 to 2 150m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

圖10 學27增至學8增集油管線1 101～2 150 m段管道瞬變電磁檢測壁厚圖Fig.10 TEM wall thickness diagram of the 1 101～2 150 m of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

壓力管道經過一段時間的運行，最常見的缺陷就是局部管壁減薄。對因腐蝕凹陷及介質沖刷所造成的局部壁厚減薄應采用補焊或局部換管處理。全面性壁厚減薄的管道，如減薄量超過設計的腐蝕余量，就會因強度不夠而存在安全問題。當測出的實際壁厚普遍小于管道允許的最小壁厚時，管道應降壓使用或作報廢處理[9]。通過油氣管道腐蝕與防護的研究與應用[4]和基于馬爾可夫理論油氣管道腐蝕壽命預測[10]實驗數據總結分析，減薄率≤10%時，腐蝕程度定義為“輕”，10%＜減薄率≤25%時，腐蝕程度定義為“中”，減薄率＞25%時，腐蝕程度定義為“重”。

通過TEM間接評價分析，根據基準點計算生成管道壁厚圖，學27增至學8增集油管線發現有29處管壁減薄點，其中10處統計結果詳見表2。

表2 學27增至學8增集油管線10處管壁減薄點統計Tab.2 Xue 27 to xue 8 found 10 thinning points on the pipe wall

各減薄點曲線與標定曲線對比情況如圖11、圖12所示。

圖11中管道規格為Φ 89 mm×4.5 mm，250 m處壁厚值為4.44 mm，1 856 m處壁厚值為3.00 mm。

圖12中管道規格為Φ 89 mm×4.5 mm，250 m處壁厚值為4.44 mm，2 007 m處壁厚值為3.98 mm。

圖11 340 m處曲線與基準點曲線的對比圖Fig.11 340-meter curve and reference point curve

圖12 2 007 m處曲線與基準點曲線的對比Fig.12 Comparison between the 2007 meter curve and the reference point curve

5 TEM技術評價

學27增至學8增集油管道管徑為89 mm，在待評管線的管徑60～89 mm范圍內屬于最大的口徑，但仍能保證輸送介質在管道內部的正常流動，固相沉積風險均較低。該管道沿里程流態在分層流和段塞流間變化較頻繁[6]。從管道全里程來看，風險部位不會出現類似的集中情況。

通過瞬變電磁間接評價分析發現該管段存在29處壁厚減薄位置，選取其中2處使用超聲波測厚儀直接測量管體壁厚，以驗證瞬變電磁檢測技術的準確性和管體腐蝕檢測直接評價結論（表3）。

表3 學27增至學8增集油管線管道直接檢測評價結論Tab.3 Conclusion of pipeline direct detection and evaluation of the oil gathering pipeline from Xue 27z to Xue 8z

6 結束語

（1）TEM檢測方法實現了管體地面檢測不開挖、不破壞管道外防腐，不影響管道運行，可應用于管道內檢測和其他無損探傷手段不便實施的管道。對于高風險區，可以將信號采集間隔設置小于1 m，對架空管道（人員可以到達）或單一埋設管道重點檢測[8]，可準確定位管段的薄弱位置。

（2）管道內壁腐蝕的規模較大時，可以利用TEM技術檢測管道壁厚變薄部位，評價管體腐蝕程度，查找腐蝕風險點。

（3） TEM檢測方法管線篩選困難。姬塬油田埋地管線多為同溝鋪設，而同溝鋪設的管道間距不能滿足TEM檢測的要求。由于地處黃土高原，管線沿山鋪設，部分管段埋深大于2 m或大于10 D（D為管徑）時，數據采集質量差，無法進行檢測。

（4）TEM檢測受影響因素較大。檢測環境存在一定的電磁干擾，高壓線、附近存在金屬體等都會對瞬變電磁產生影響，造成數據結果不準確[9]。如學27增至學8增管線全長2.25 km，其中并線管段、電磁干擾管段、數據不能采集管段等合計近280 m，TEM有效數據不足2 km，這樣對整個管線的評價存在一定缺陷。