靖西二線天然氣管道漏磁內檢測技術及應用*

付曉東 張永健 戈新銳 任鳳 王茜

中國石油工程建設有限公司華北分公司

大多數油氣管道材料都選用鋼制材料,且皆采取埋地方式敷設,因受到土壤中水分、酸性物質、微生物、周邊電氣化裝置以及輸送介質等因素的影響,油氣管道內外壁極易發生各種腐蝕,從而在內外壁出現大量的凹坑缺陷;另外,由于受施工質量的影響,管道也極易出現各種應力損傷.因此,及時發現管道內外壁缺陷,并采取必要的措施進行修補十分重要,而管道內檢測正是發現管道內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,2005年11月建成投產,主要用于輸送天然氣.截至目前,該條管道已連續運行超過12年,為了及時掌握此管道腐蝕和損傷狀況并及時對其進行修補,以保障天然氣的安全輸送,必須對其進行有效的管道內檢測.

經過多年的發展,各種類型的管道內檢測技術和內檢測機器人不斷涌現,目前應用最廣的內檢測技術主要有漏磁內檢測技術和超聲波內檢測技術.高松巍等人針對管道漏磁內檢測缺陷識別的問題,提出了利用閾值分析方法對漏磁檢測數據進行處理,進而生成可視化漏磁內檢測曲線,便于圖像識別;同時利用Delphi編程軟件,實現對管道焊縫和缺陷的自動識別[1].楊理踐等人針對管道漏磁內檢測缺陷信號重構問題,利用管道漏磁內檢測有限元仿真軟件分析半橢圓型缺陷數據,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.通過擬合計算表明,二元二次擬合函數能更準確地描繪出缺陷大小與檢測數據之間的函數關系,為管道漏磁內檢測缺陷信號重構提供了函數支持[2].彭揚介紹了中國石化與沈陽工業大學共同開發的Φ711 mm管道漏磁內檢測器在榆濟管道汾陽至平遙段試驗成功[3].于剛等人為保障港滄輸氣管線安全運行,應用了三維高清漏磁內檢測技術,對82.6 km管道進行內腐蝕檢測.開挖結果表明,管道實際發生的缺陷與三維高清漏磁檢測技術檢測結果基本吻合[4].田野等人為了識別和量化管道漏磁內檢測的缺陷信號特征,利用有限元分析方法對缺陷特征量與漏磁信號的關系進行仿真,分析了缺陷長度、缺陷深度對缺陷漏磁場的影響規律,建立了漏磁內檢測中金屬損失的信號識別和量化模型[5].馬鋼等人針對管道漏磁內檢測信號識別不準確的問題,采用經驗模態分解理論,對管道漏磁內檢測信號做分解和重構.分析表明,處理后的管道漏磁信號可以獲得更好的信噪比,能更準確地識別管道中的缺陷[6].

綜上所述,近些年來國內相關機構和科研單位對內檢測技術的研究較為深入,尤其是在管道漏磁內檢測領域,研發出多種漏磁內檢測機器人.但由于漏磁內檢測技術中所形成的漏磁場極易受到客觀因素的影響,使漏磁內檢測技術的檢測精度受到了極大的限制.實際應用中,缺陷的定量分析往往依賴于大量的實驗和人為的成熟經驗,這嚴重阻礙了漏磁內檢測技術的進一步發展[7-9].文章介紹了靖西二線天然氣管道內檢測技術原理,對內檢測機器人的組成和檢測過程進行分析,探討缺陷識別的難點所在;并根據檢測結果,分析、判斷管道的主要缺陷及其形成原因,同時進行開挖驗證.

1 漏磁內檢測及缺陷識別影響因素

1.1 漏磁內檢測機器人

圖1為最常見的漏磁內檢測機器人.該管道檢測機器人由驅動機構、檢測機構和供電機構組成.漏磁內檢測機器人在油壓或者氣壓的推動下前進,而驅動機構的主要作用是對橡皮碗進行驅動.在整個機器人的結構中,橡皮碗在管道中會有一定的余量,橡皮碗的直徑將大于管道直徑,對橡皮碗進行驅動后更有利于機器人在管道內前進.檢測機構由勵磁系統、漏磁信號檢測探頭、漏磁信號采集系統和漏磁信號存儲系統組成.漏磁信號的儲存系統由計算機獨立構成.供電機構由不同儲量的電池構成,供電系統為計算機采集與儲運系統提供電能,供電系統可以維持72 h的電量,即漏磁內檢測機器人可以連續工作72 h.

圖1 漏磁內檢測機器人Fig.1 Magnetic leakage internal inspection robot

對于靖西二線,管道直徑為610 mm,因此,可以使用610 mm管道漏磁檢測器進行檢測.該型檢測器可以分為4節:第1節由驅動裝置和電池裝置兩部分構成;第2節由檢測裝置和計算機裝置兩部分構成;第3節由檢測裝置和電池裝置構成;第4節由里程輪構成.此機器人采用多節結構可以有效地提高其在復雜管道中的通行能力.最長節的距離相對越短,則機器人在管道中的通行能力就相對越強.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,漏磁內檢測機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 缺陷識別影響因素

1.2.1 管道缺陷形狀

當缺陷的長度發生變化時,顯現漏磁信號突變點之間的尺寸也會產生變化;當缺陷的長度增大時,漏磁信號突變點之間的尺寸也會隨之增大,但信號的變化幅度會逐漸減小,因此漏磁信號較為平穩.在缺陷長度相對較小的前提下,缺陷的長度發生變化,則漏磁信號突變點之間的尺寸、信號的變化幅度都相對較大;在缺陷長度相對較大的前提下,缺陷的長度發生變化,則漏磁信號突變點之間的尺寸、信號的變化幅度都相對較小.

由于管道內缺陷的寬度與管道被磁化的方向之間呈垂直關系,所以當管道內缺陷的寬度增大時,只有周向的漏磁場會產生增大現象,從而使產生的漏磁信號幅度逐漸增大.在管道內缺陷寬度相對較小的前提下,缺陷的寬度發生變化,周向的漏磁場、漏磁信號幅度的變化都相對較大;在管道內缺陷寬度相對較大的前提下,缺陷的寬度發生變化,周向的漏磁場、漏磁信號幅度的變化都相對較小.

1.2.2 檢測器速度

漏磁內檢測器在管道內的行進速度將直接影響磁感應線在管道內的穿透時間和檢測器通過缺陷的時間,因此,要想提高漏磁內檢測精度,就必須充分考慮檢測速度對信號的影響.當漏磁檢測器的通行速度過快時,顯現漏磁信號的基準線就會下降;同時,其波動幅度也會相對降低,缺陷信號前后方的形狀都會改變.如果缺陷的深度相對較大,或者管道材料被磁化的狀態相對較強,則檢測器的速度變化對信號所產生的影響就相對較小;如果缺陷的深度相對較小,或者管道材料被磁化的狀態相對較弱,則檢測器的速度變化對信號所產生的影響就相對較大.

1.2.3 管道材質

管道材料的變化會引起管道內磁導率的不同,從而使缺陷部位處的漏磁信號也將發生變化.管道材質對漏磁信號的影響相對較為復雜,只有通過準確計算管道的磁導率,才能確定管道材質與漏磁信號之間的關系.如果管道材料的磁導率相對較高,則顯現缺陷信號的基準線就會下降,同時其波動幅度也會相對增大;如果管道材料的磁導率相對較低,則顯現缺陷信號的基準線就會上升,同時其波動幅度也會相對降低.

2 管道漏磁內檢測應用

2.1 檢測前準備工作

2.1.1 檢測過程工程量評估

在進行實際管道檢測之前,首先應對檢測過程的工程量進行評估.靖西二線天然氣管道總長為476.3 km,為了方便實施漏磁內檢測,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

進行漏磁內檢測之前,對清管器進行準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是否產生了卡球事故.目前清管器的跟蹤和定位技術有TracMaster技術和TDW GEO2000?技術.TracMaster技術是最常用的清管器跟蹤和定位技術.該技術是在清管器中放置預先調好頻率的發射器,通過地面上設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,由此就可以判斷清管球的位置,并可以判斷管道內是否出現了卡球問題;同時,該技術還可以記錄清管器在管道每個位置上的通過日期和時間.TDW GEO2000?技術主要通過放大運動中的清管器所發出的聲音即可以判斷清管球的位置;同時,控制盒可以放大清管器在管道中運行時與焊縫、三通、閥門及其他管件接觸的聲音,以判斷清管器的運動情況.通過對比發現,TracMaster技術應用時間較長,應用面相對較廣,且技術相對成熟;因此,在對靖西二線天然氣管道進行清管作業時,采用TracMaster技術對清管球進行跟蹤和定位.

2.2 管道內檢測操作步驟

2.2.1 發送變形/漏磁檢測工具

發送漏磁檢測工具之前,首先應完成以下工作:

(1)檢查收發球筒.對管道沿線的閥門進行檢查,保證閥門處于全開狀態且不存在泄漏;收發球點的設置必須考慮周圍的安全與環境問題;對管道沿線的壓縮機進行檢查,確保處于可操作狀態;將卸載變形檢測工具和漏磁檢測工具的設備運往發球筒區域.

(2)現場對檢測設備進行調試.將相應的檢測工具及其所使用的托架運往現場,并在收發球筒部位將托架安裝好;在發送檢測設備的1 h內對設備進行檢查,確保檢測工具的功能處于正常狀態;將檢測工具放置于發球筒內,將發球筒的管線打開,并向發球筒內注入天然氣,在天然氣充滿后將閥門打開,在氣壓的作用下推動清管器前進,實時確認檢測器是否離開發球筒;在檢測工具檢測的過程中,實時掌握收球筒的工作狀態,并確保整個收球筒作業區處于正常狀態,能及時完成檢測器回收作業;實時掌握管道沿線的壓縮機工作狀態,確保相關設備可滿足連續作業要求,同時要保證管道內的天然氣流量處于穩定狀態.

(3)準確掌握檢測器的工作狀態.在檢測器進入管道內之后,在管道入口處的相關工作人員每隔15 min記錄入口處的壓力、溫度以及流量等數據;壓縮機站的工作人員需要對壓縮機的運行狀況與燃料和潤滑油量的關系進行記錄;設置合適地面標記盒,確認檢測器何時能通過標記盒;各站工作人員之間保持實時通訊,以便及時發現管道檢測過程中的問題,并采取緊急方案進行解決.

2.2.2 接收變形/漏磁檢測工具

在檢測工具到達管道末端1 h前,檢測器的接收人員就應該到達收球筒位置,負責沿程追蹤檢測器的工作人員應實時匯報檢測器的位置,并提前預估檢測器的到達時間.在接收檢測器的過程中,應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,并保證管道沿線的閥門處于打開狀態;在檢測設備到達管道末端時,應對收球筒進行隔離,并排空收球筒內的天然氣,對其進行減壓處理,排空作業時可以打開收球筒的閥門,將氮氣注入,用氮氣置換出天然氣;及時預測檢測器的到達時間,在檢測器成功進入收球筒后,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.檢測器從管道內取出清洗后,應立即送到車間內下載管道檢測數據,收集管道沿線地面標記盒內的數據,并對數據進行下載,以及檢查數據是否齊全.

3 管道漏磁內檢測結果

3.1 內檢測數據分析

由于靖西二線天然氣管道的長度相對較長,在對內檢測數據進行分析時,整個分析的數據量較大,因此僅對黃陵-涇河段管道的內檢測數據進行分析.黃陵-涇河段管道的總長為160 659 m,發球端發射檢測器的時間為2018年10月11日23:36:00,接收檢測器的時間為2018年10月12日15:52:00,檢測器運行時間為16.27 h.檢測器在管道內運行期間,管道的設計壓力為6 300 kPa,管道的最大運行壓力為6 299.9 kPa,管道平均溫度為15℃,檢測器的平均運行速度為2.74 m/s,檢測工具的數據采樣頻率為780 s-1.

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

表2 內部缺陷深度狀況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 內檢測管道開挖驗證

從該段管道的漏磁內檢測結果中選擇10處開挖點,對其進行開挖驗證,本次漏磁內檢測的結果相對較為準確,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坑內存在大量的石塊,這些石塊的存在會將管道外圍的防腐保溫層破壞,嚴重時將造成管道外壁缺陷.對于直管段管道,管道上的缺陷相對較少;而在管道環焊縫的周圍,缺陷的數量相對較多,且缺陷的深度相對較大,這說明環焊縫周圍的防腐措施并不完善.

表5 內檢測與開挖數據對比Tab.5 Comparison of internal detection and excavation data

4 結論

(1)漏磁內檢測技術與其他內檢測技術相比具有自動化水平高、無污染、速度快、結果準確等優點,且應用領域相對較廣,不僅可用于原油管道,而且可用于天然氣管道,十分適合對靖西二線天然氣管道進行內檢測.通過漏磁內檢測結果可以看出,靖西二線天然氣管道內已形成了較多的缺陷,但缺陷的深度并不深,并不會影響管道運行.通過管道開挖可以發現,內檢測結果較為準確.

(2)對靖西二線天然氣管道進行內檢測結果分析后發現,管道內產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,以及地質災害5個方面,靖西二線天然氣管道單位應從這些問題出現的原因入手,采取多項措施,提高管道運行的可靠性和安全性.