靖西二線天然氣管道漏磁內(nèi)檢測技術(shù)及應(yīng)用*

付曉東 張永健 戈新銳 任鳳 王茜

中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司

大多數(shù)油氣管道材料都選用鋼制材料,且皆采取埋地方式敷設(shè),因受到土壤中水分、酸性物質(zhì)、微生物、周邊電氣化裝置以及輸送介質(zhì)等因素的影響,油氣管道內(nèi)外壁極易發(fā)生各種腐蝕,從而在內(nèi)外壁出現(xiàn)大量的凹坑缺陷;另外,由于受施工質(zhì)量的影響,管道也極易出現(xiàn)各種應(yīng)力損傷.因此,及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外壁缺陷,并采取必要的措施進(jìn)行修補(bǔ)十分重要,而管道內(nèi)檢測正是發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外壁缺陷最成熟的一種方式.靖西二線天然氣管道始于靖邊首站,終于西安末站,該條管道于2003年6月開工建設(shè),2005年11月建成投產(chǎn),主要用于輸送天然氣.截至目前,該條管道已連續(xù)運(yùn)行超過12年,為了及時(shí)掌握此管道腐蝕和損傷狀況并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ),以保障天然氣的安全輸送,必須對(duì)其進(jìn)行有效的管道內(nèi)檢測.

經(jīng)過多年的發(fā)展,各種類型的管道內(nèi)檢測技術(shù)和內(nèi)檢測機(jī)器人不斷涌現(xiàn),目前應(yīng)用最廣的內(nèi)檢測技術(shù)主要有漏磁內(nèi)檢測技術(shù)和超聲波內(nèi)檢測技術(shù).高松巍等人針對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測缺陷識(shí)別的問題,提出了利用閾值分析方法對(duì)漏磁檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)而生成可視化漏磁內(nèi)檢測曲線,便于圖像識(shí)別;同時(shí)利用Delphi編程軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)管道焊縫和缺陷的自動(dòng)識(shí)別[1].楊理踐等人針對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測缺陷信號(hào)重構(gòu)問題,利用管道漏磁內(nèi)檢測有限元仿真軟件分析半橢圓型缺陷數(shù)據(jù),建立徑向磁通密度特征的二元一次方程組和二元二次方程組.通過擬合計(jì)算表明,二元二次擬合函數(shù)能更準(zhǔn)確地描繪出缺陷大小與檢測數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系,為管道漏磁內(nèi)檢測缺陷信號(hào)重構(gòu)提供了函數(shù)支持[2].彭揚(yáng)介紹了中國石化與沈陽工業(yè)大學(xué)共同開發(fā)的Φ711 mm管道漏磁內(nèi)檢測器在榆濟(jì)管道汾陽至平遙段試驗(yàn)成功[3].于剛等人為保障港滄輸氣管線安全運(yùn)行,應(yīng)用了三維高清漏磁內(nèi)檢測技術(shù),對(duì)82.6 km管道進(jìn)行內(nèi)腐蝕檢測.開挖結(jié)果表明,管道實(shí)際發(fā)生的缺陷與三維高清漏磁檢測技術(shù)檢測結(jié)果基本吻合[4].田野等人為了識(shí)別和量化管道漏磁內(nèi)檢測的缺陷信號(hào)特征,利用有限元分析方法對(duì)缺陷特征量與漏磁信號(hào)的關(guān)系進(jìn)行仿真,分析了缺陷長度、缺陷深度對(duì)缺陷漏磁場的影響規(guī)律,建立了漏磁內(nèi)檢測中金屬損失的信號(hào)識(shí)別和量化模型[5].馬鋼等人針對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測信號(hào)識(shí)別不準(zhǔn)確的問題,采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論,對(duì)管道漏磁內(nèi)檢測信號(hào)做分解和重構(gòu).分析表明,處理后的管道漏磁信號(hào)可以獲得更好的信噪比,能更準(zhǔn)確地識(shí)別管道中的缺陷[6].

綜上所述,近些年來國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和科研單位對(duì)內(nèi)檢測技術(shù)的研究較為深入,尤其是在管道漏磁內(nèi)檢測領(lǐng)域,研發(fā)出多種漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人.但由于漏磁內(nèi)檢測技術(shù)中所形成的漏磁場極易受到客觀因素的影響,使漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的檢測精度受到了極大的限制.實(shí)際應(yīng)用中,缺陷的定量分析往往依賴于大量的實(shí)驗(yàn)和人為的成熟經(jīng)驗(yàn),這嚴(yán)重阻礙了漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[7-9].文章介紹了靖西二線天然氣管道內(nèi)檢測技術(shù)原理,對(duì)內(nèi)檢測機(jī)器人的組成和檢測過程進(jìn)行分析,探討缺陷識(shí)別的難點(diǎn)所在;并根據(jù)檢測結(jié)果,分析、判斷管道的主要缺陷及其形成原因,同時(shí)進(jìn)行開挖驗(yàn)證.

1 漏磁內(nèi)檢測及缺陷識(shí)別影響因素

1.1 漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人

圖1為最常見的漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人.該管道檢測機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)和供電機(jī)構(gòu)組成.漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人在油壓或者氣壓的推動(dòng)下前進(jìn),而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用是對(duì)橡皮碗進(jìn)行驅(qū)動(dòng).在整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中,橡皮碗在管道中會(huì)有一定的余量,橡皮碗的直徑將大于管道直徑,對(duì)橡皮碗進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后更有利于機(jī)器人在管道內(nèi)前進(jìn).檢測機(jī)構(gòu)由勵(lì)磁系統(tǒng)、漏磁信號(hào)檢測探頭、漏磁信號(hào)采集系統(tǒng)和漏磁信號(hào)存儲(chǔ)系統(tǒng)組成.漏磁信號(hào)的儲(chǔ)存系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)獨(dú)立構(gòu)成.供電機(jī)構(gòu)由不同儲(chǔ)量的電池構(gòu)成,供電系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)采集與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)提供電能,供電系統(tǒng)可以維持72 h的電量,即漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人可以連續(xù)工作72 h.

圖1 漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人Fig.1 Magnetic leakage internal inspection robot

對(duì)于靖西二線,管道直徑為610 mm,因此,可以使用610 mm管道漏磁檢測器進(jìn)行檢測.該型檢測器可以分為4節(jié):第1節(jié)由驅(qū)動(dòng)裝置和電池裝置兩部分構(gòu)成;第2節(jié)由檢測裝置和計(jì)算機(jī)裝置兩部分構(gòu)成;第3節(jié)由檢測裝置和電池裝置構(gòu)成;第4節(jié)由里程輪構(gòu)成.此機(jī)器人采用多節(jié)結(jié)構(gòu)可以有效地提高其在復(fù)雜管道中的通行能力.最長節(jié)的距離相對(duì)越短,則機(jī)器人在管道中的通行能力就相對(duì)越強(qiáng).目前,我國常見管道彎頭部位的直徑約為管道直徑的6倍,一些舊管道彎頭部位的直徑約為管道直徑的1.5倍;因此,漏磁內(nèi)檢測機(jī)器人在管道中的通行能力必須滿足1.5倍管道直徑的要求.

1.2 缺陷識(shí)別影響因素

1.2.1 管道缺陷形狀

當(dāng)缺陷的長度發(fā)生變化時(shí),顯現(xiàn)漏磁信號(hào)突變點(diǎn)之間的尺寸也會(huì)產(chǎn)生變化;當(dāng)缺陷的長度增大時(shí),漏磁信號(hào)突變點(diǎn)之間的尺寸也會(huì)隨之增大,但信號(hào)的變化幅度會(huì)逐漸減小,因此漏磁信號(hào)較為平穩(wěn).在缺陷長度相對(duì)較小的前提下,缺陷的長度發(fā)生變化,則漏磁信號(hào)突變點(diǎn)之間的尺寸、信號(hào)的變化幅度都相對(duì)較大;在缺陷長度相對(duì)較大的前提下,缺陷的長度發(fā)生變化,則漏磁信號(hào)突變點(diǎn)之間的尺寸、信號(hào)的變化幅度都相對(duì)較小.

由于管道內(nèi)缺陷的寬度與管道被磁化的方向之間呈垂直關(guān)系,所以當(dāng)管道內(nèi)缺陷的寬度增大時(shí),只有周向的漏磁場會(huì)產(chǎn)生增大現(xiàn)象,從而使產(chǎn)生的漏磁信號(hào)幅度逐漸增大.在管道內(nèi)缺陷寬度相對(duì)較小的前提下,缺陷的寬度發(fā)生變化,周向的漏磁場、漏磁信號(hào)幅度的變化都相對(duì)較大;在管道內(nèi)缺陷寬度相對(duì)較大的前提下,缺陷的寬度發(fā)生變化,周向的漏磁場、漏磁信號(hào)幅度的變化都相對(duì)較小.

1.2.2 檢測器速度

漏磁內(nèi)檢測器在管道內(nèi)的行進(jìn)速度將直接影響磁感應(yīng)線在管道內(nèi)的穿透時(shí)間和檢測器通過缺陷的時(shí)間,因此,要想提高漏磁內(nèi)檢測精度,就必須充分考慮檢測速度對(duì)信號(hào)的影響.當(dāng)漏磁檢測器的通行速度過快時(shí),顯現(xiàn)漏磁信號(hào)的基準(zhǔn)線就會(huì)下降;同時(shí),其波動(dòng)幅度也會(huì)相對(duì)降低,缺陷信號(hào)前后方的形狀都會(huì)改變.如果缺陷的深度相對(duì)較大,或者管道材料被磁化的狀態(tài)相對(duì)較強(qiáng),則檢測器的速度變化對(duì)信號(hào)所產(chǎn)生的影響就相對(duì)較小;如果缺陷的深度相對(duì)較小,或者管道材料被磁化的狀態(tài)相對(duì)較弱,則檢測器的速度變化對(duì)信號(hào)所產(chǎn)生的影響就相對(duì)較大.

1.2.3 管道材質(zhì)

管道材料的變化會(huì)引起管道內(nèi)磁導(dǎo)率的不同,從而使缺陷部位處的漏磁信號(hào)也將發(fā)生變化.管道材質(zhì)對(duì)漏磁信號(hào)的影響相對(duì)較為復(fù)雜,只有通過準(zhǔn)確計(jì)算管道的磁導(dǎo)率,才能確定管道材質(zhì)與漏磁信號(hào)之間的關(guān)系.如果管道材料的磁導(dǎo)率相對(duì)較高,則顯現(xiàn)缺陷信號(hào)的基準(zhǔn)線就會(huì)下降,同時(shí)其波動(dòng)幅度也會(huì)相對(duì)增大;如果管道材料的磁導(dǎo)率相對(duì)較低,則顯現(xiàn)缺陷信號(hào)的基準(zhǔn)線就會(huì)上升,同時(shí)其波動(dòng)幅度也會(huì)相對(duì)降低.

2 管道漏磁內(nèi)檢測應(yīng)用

2.1 檢測前準(zhǔn)備工作

2.1.1 檢測過程工程量評(píng)估

在進(jìn)行實(shí)際管道檢測之前,首先應(yīng)對(duì)檢測過程的工程量進(jìn)行評(píng)估.靖西二線天然氣管道總長為476.3 km,為了方便實(shí)施漏磁內(nèi)檢測,將靖西二線分為3段,具體劃分如表1所示.

表1 靖西二線分段檢測Tab.1 Segmental detection of No.2 Jingxi pipeline

2.1.2 清管器跟蹤及定位

進(jìn)行漏磁內(nèi)檢測之前,對(duì)清管器進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤和定位不僅可以了解清管器的位置所在,而且有利于工作人員判斷管道內(nèi)是否產(chǎn)生了卡球事故.目前清管器的跟蹤和定位技術(shù)有TracMaster技術(shù)和TDW GEO2000?技術(shù).TracMaster技術(shù)是最常用的清管器跟蹤和定位技術(shù).該技術(shù)是在清管器中放置預(yù)先調(diào)好頻率的發(fā)射器,通過地面上設(shè)置接收相同頻率的接收器,從而接收聽覺及視覺方面的信號(hào),由此就可以判斷清管球的位置,并可以判斷管道內(nèi)是否出現(xiàn)了卡球問題;同時(shí),該技術(shù)還可以記錄清管器在管道每個(gè)位置上的通過日期和時(shí)間.TDW GEO2000?技術(shù)主要通過放大運(yùn)動(dòng)中的清管器所發(fā)出的聲音即可以判斷清管球的位置;同時(shí),控制盒可以放大清管器在管道中運(yùn)行時(shí)與焊縫、三通、閥門及其他管件接觸的聲音,以判斷清管器的運(yùn)動(dòng)情況.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),TracMaster技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較長,應(yīng)用面相對(duì)較廣,且技術(shù)相對(duì)成熟;因此,在對(duì)靖西二線天然氣管道進(jìn)行清管作業(yè)時(shí),采用TracMaster技術(shù)對(duì)清管球進(jìn)行跟蹤和定位.

2.2 管道內(nèi)檢測操作步驟

2.2.1 發(fā)送變形/漏磁檢測工具

發(fā)送漏磁檢測工具之前,首先應(yīng)完成以下工作:

(1)檢查收發(fā)球筒.對(duì)管道沿線的閥門進(jìn)行檢查,保證閥門處于全開狀態(tài)且不存在泄漏;收發(fā)球點(diǎn)的設(shè)置必須考慮周圍的安全與環(huán)境問題;對(duì)管道沿線的壓縮機(jī)進(jìn)行檢查,確保處于可操作狀態(tài);將卸載變形檢測工具和漏磁檢測工具的設(shè)備運(yùn)往發(fā)球筒區(qū)域.

(2)現(xiàn)場對(duì)檢測設(shè)備進(jìn)行調(diào)試.將相應(yīng)的檢測工具及其所使用的托架運(yùn)往現(xiàn)場,并在收發(fā)球筒部位將托架安裝好;在發(fā)送檢測設(shè)備的1 h內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查,確保檢測工具的功能處于正常狀態(tài);將檢測工具放置于發(fā)球筒內(nèi),將發(fā)球筒的管線打開,并向發(fā)球筒內(nèi)注入天然氣,在天然氣充滿后將閥門打開,在氣壓的作用下推動(dòng)清管器前進(jìn),實(shí)時(shí)確認(rèn)檢測器是否離開發(fā)球筒;在檢測工具檢測的過程中,實(shí)時(shí)掌握收球筒的工作狀態(tài),并確保整個(gè)收球筒作業(yè)區(qū)處于正常狀態(tài),能及時(shí)完成檢測器回收作業(yè);實(shí)時(shí)掌握管道沿線的壓縮機(jī)工作狀態(tài),確保相關(guān)設(shè)備可滿足連續(xù)作業(yè)要求,同時(shí)要保證管道內(nèi)的天然氣流量處于穩(wěn)定狀態(tài).

(3)準(zhǔn)確掌握檢測器的工作狀態(tài).在檢測器進(jìn)入管道內(nèi)之后,在管道入口處的相關(guān)工作人員每隔15 min記錄入口處的壓力、溫度以及流量等數(shù)據(jù);壓縮機(jī)站的工作人員需要對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況與燃料和潤滑油量的關(guān)系進(jìn)行記錄;設(shè)置合適地面標(biāo)記盒,確認(rèn)檢測器何時(shí)能通過標(biāo)記盒;各站工作人員之間保持實(shí)時(shí)通訊,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道檢測過程中的問題,并采取緊急方案進(jìn)行解決.

2.2.2 接收變形/漏磁檢測工具

在檢測工具到達(dá)管道末端1 h前,檢測器的接收人員就應(yīng)該到達(dá)收球筒位置,負(fù)責(zé)沿程追蹤檢測器的工作人員應(yīng)實(shí)時(shí)匯報(bào)檢測器的位置,并提前預(yù)估檢測器的到達(dá)時(shí)間.在接收檢測器的過程中,應(yīng)確保收球筒沒有堵塞和密封,可以順利完成回收檢測器的任務(wù),并保證管道沿線的閥門處于打開狀態(tài);在檢測設(shè)備到達(dá)管道末端時(shí),應(yīng)對(duì)收球筒進(jìn)行隔離,并排空收球筒內(nèi)的天然氣,對(duì)其進(jìn)行減壓處理,排空作業(yè)時(shí)可以打開收球筒的閥門,將氮?dú)庾⑷?用氮?dú)庵脫Q出天然氣;及時(shí)預(yù)測檢測器的到達(dá)時(shí)間,在檢測器成功進(jìn)入收球筒后,將檢測器從收球筒后方的支架上取出,并檢查檢測工具是否被損壞以及今后是否可使用.檢測器從管道內(nèi)取出清洗后,應(yīng)立即送到車間內(nèi)下載管道檢測數(shù)據(jù),收集管道沿線地面標(biāo)記盒內(nèi)的數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載,以及檢查數(shù)據(jù)是否齊全.

3 管道漏磁內(nèi)檢測結(jié)果

3.1 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析

由于靖西二線天然氣管道的長度相對(duì)較長,在對(duì)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),整個(gè)分析的數(shù)據(jù)量較大,因此僅對(duì)黃陵-涇河段管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.黃陵-涇河段管道的總長為160 659 m,發(fā)球端發(fā)射檢測器的時(shí)間為2018年10月11日23:36:00,接收檢測器的時(shí)間為2018年10月12日15:52:00,檢測器運(yùn)行時(shí)間為16.27 h.檢測器在管道內(nèi)運(yùn)行期間,管道的設(shè)計(jì)壓力為6 300 kPa,管道的最大運(yùn)行壓力為6 299.9 kPa,管道平均溫度為15℃,檢測器的平均運(yùn)行速度為2.74 m/s,檢測工具的數(shù)據(jù)采樣頻率為780 s-1.

根據(jù)ASME B31G:Original管道評(píng)估方法,在該段管道中共發(fā)現(xiàn)5 183個(gè)金屬缺陷.其中,管道內(nèi)部缺陷3 639個(gè),管道外部缺陷1 529個(gè),管道出廠缺陷15個(gè),出廠缺陷全部位于管道內(nèi)部,缺陷的最大深度為壁厚的51%(表2、表3、表4).在檢測過程中,未發(fā)現(xiàn)深度超過壁厚80%的異常缺陷,也未超過預(yù)估維修因子曲線的特征點(diǎn).通過內(nèi)檢測表明,該管道滿足最大運(yùn)行壓力6 300 kPa的要求.

表2 內(nèi)部缺陷深度狀況Tab.2 Status of internal defect depth

表3 外部缺陷深度狀況Tab.3 Status of external defect depth

表4 制造缺陷深度狀況Tab.4 Status of manufacturing defect depth

3.2 內(nèi)檢測管道開挖驗(yàn)證

從該段管道的漏磁內(nèi)檢測結(jié)果中選擇10處開挖點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行開挖驗(yàn)證,本次漏磁內(nèi)檢測的結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確,缺陷位置誤差不超過0.5 m,缺陷深度誤差較小(表5).靖西二線沿線管道敷設(shè)坑內(nèi)存在大量的石塊,這些石塊的存在會(huì)將管道外圍的防腐保溫層破壞,嚴(yán)重時(shí)將造成管道外壁缺陷.對(duì)于直管段管道,管道上的缺陷相對(duì)較少;而在管道環(huán)焊縫的周圍,缺陷的數(shù)量相對(duì)較多,且缺陷的深度相對(duì)較大,這說明環(huán)焊縫周圍的防腐措施并不完善.

表5 內(nèi)檢測與開挖數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.5 Comparison of internal detection and excavation data

4 結(jié)論

(1)漏磁內(nèi)檢測技術(shù)與其他內(nèi)檢測技術(shù)相比具有自動(dòng)化水平高、無污染、速度快、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),且應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較廣,不僅可用于原油管道,而且可用于天然氣管道,十分適合對(duì)靖西二線天然氣管道進(jìn)行內(nèi)檢測.通過漏磁內(nèi)檢測結(jié)果可以看出,靖西二線天然氣管道內(nèi)已形成了較多的缺陷,但缺陷的深度并不深,并不會(huì)影響管道運(yùn)行.通過管道開挖可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確.

(2)對(duì)靖西二線天然氣管道進(jìn)行內(nèi)檢測結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn),管道內(nèi)產(chǎn)生缺陷的原因主要集中在第三方破壞、管道腐蝕、工作人員失誤操作、管道制造與施工缺陷,以及地質(zhì)災(zāi)害5個(gè)方面,靖西二線天然氣管道單位應(yīng)從這些問題出現(xiàn)的原因入手,采取多項(xiàng)措施,提高管道運(yùn)行的可靠性和安全性.