油氣輸送管道超聲測厚技術的現狀和發展

＊費凡 侯鵬 韓銘 趙宏振 何學良

（中石油北京天然氣管道有限公司 北京 100101）

中國石油以管道分公司、西氣東輸管道分公司、西部管道分公司、西南管道分公司和北京天然氣管道公司5個綜合性運營公司為主，西南油氣田公司為補充的國內管道運營管理體系。這些公司的管道系統幾乎遍布西南、西北、華北等各個省市自治區[1-2]。

油氣管道的線路系統顯示油氣管道所處的地理外環境復雜，各種地質的土壤、含不同礦物質、生物及成分的湖泊和河流、干旱的沙漠、變化的地下水位、雜散的電流充斥在線路管道外部，其中的氣溫、含水量、礦物質以及微生物甚至其他生物等都會在一定的時間內造成管道的腐蝕破壞[3]。另外由于油氣來源不同，里面會含有水、氧氣、二氧化碳以及硫化物、甚至微生物等也會造成管道內的腐蝕破壞。這時在線檢測技術手段就顯得很有必要，可以實時反饋腐蝕信息，以便采取有效措施進行及時修復。

而超聲波測厚技術在腐蝕檢測上的應用越來越廣泛了。可以對管道進行定期檢測，了解腐蝕程度，也可以進行在線實時檢測實時監控腐蝕情況。超聲測厚技術的優點是檢測速度快、靈敏度高，而且操作方便，是油氣管道腐蝕領域最主要的腐蝕檢測手段。

1.超聲腐蝕檢測原理

(1)超聲測厚原理

采用超聲進行油氣管道管壁測厚的工作原理是：超聲波探測管道壁表面時，會在管壁表面產生回波信號；而當超聲波信號穿透管道壁后，會在管道壁內表面又會產生一次反射波、二次反射波等回波信號。常溫超聲測厚就是通過計算表面波和一次反射波（反射信號最強的那次）之間的時間差，乘以超聲波聲速，得到被測物體的壁厚值。而高溫超聲測厚的時候需要進行高溫測厚數據轉換處理，超聲波在固體金屬中傳播時，聲速隨溫度升高而變小，導致高溫測量厚度比常溫實際厚度大；故高溫下測試獲得的厚度需要綜合測量溫度，測量材料等因素，建立數據校準模型，轉化成常溫實際剩余厚度。

圖1 超聲波測厚反射的基本原理

圖2 超聲檢測系統示意圖

超聲波定點測厚是指為了解或者監測管道關鍵部位腐蝕情況進行定期或者連續的定點超聲測厚，是一種輔助腐蝕在線監測的常用的有效手段[4-5]。在線監測技術系統主要包括傳感器、現場安裝附件及其無線測厚介電、智能無線網關、軟件系統及數據服務器組成。主要功能是利用傳感器對管道、設備的現時壁厚進行監測，測試金屬的厚度變化，了解金屬的厚度的變薄速度以及走勢，掌握設備的剩余壽命；接收的數據用監測系統的軟件進行處理，繪制腐蝕速率、金屬厚度變化曲線，并采用合適的算法進行擬合，獲取合適的函數關系式，分析腐蝕趨勢，調整工藝參數，開展有效措施進行防腐。

(2)超聲測厚的分類

超聲測厚根據測厚方法可以進行不同的分類。根據測厚原理，超聲測厚可以分為脈沖反射法測厚、脈沖透射法測厚和超聲波共振干涉法測厚。其中超聲波共振測厚依賴于復雜的系統，需要高頻激勵，且該法的測量效率較低[6]。脈沖透射法在測量過程中需要在一個管內放置一個發射探頭，另一個管內放置一個接收探頭，二者同步，屬于點對點測量。

根據與測試工件的接觸情況超聲測厚分為接觸式測厚和非接觸式測厚。最早國內都是使用的接觸式超聲測厚，接觸式測厚實質就是指測厚儀器裝置在整個測量過程中都要與被檢測的材料進行接觸，會導致探頭的磨損，降低使用壽命。非接觸式測量可以避免檢測儀器與被測物質進行直接接觸，避免了磨損，同時非接觸式測厚便于實現自動化測量，測量效率更高，減少人工及工作量。

根據所測量的管壁的溫度將測厚分為普通溫度測厚和高溫測厚兩類。一般超聲測厚都是在普通溫度（0～50℃）下進行的，當溫度高于普通溫度即高于50℃時，就是在高溫下進行測厚了，屬于高溫測厚技術。其實主要的測厚方式是超聲波定點測厚，其按照測厚的時間段又分為檢修期定點測厚、定期定點測厚以及在線實時測厚。而滿足現在管道腐蝕的在線監測要求的只有與在線實時定點測厚技術。

那么定點測厚中的點如何選擇呢？一般都是選擇管道中的薄弱位置，即容易發生腐蝕的位置。油氣運輸管道都存在管道變徑處、管道拐彎處、管道分支接口處以及與其他裝置接口處等，在這些特殊位置，液體的流速、高速流體中的雜質以及微生物等都會容易囤積，而且受到的沖擊力度也相對較大，都導致這些特殊位置更容易發生腐蝕。那么在線定點測厚基本都會選擇這些位置進行實時在線監測[5]。

(3)超聲檢測的優點

超聲檢測是常規無損檢測技術之一，在油氣管道腐蝕無損檢測中應用最廣泛、發展也很快，檢測過程中對被測物件不會產生性能的影響。超聲無損檢測不僅可以用于金屬物質的檢測，對于非金屬物質的檢測效果也很好，譬如油氣管道保護層的檢測；另外超聲波穿透力強，還可以對被測件進行深層次的檢測，檢測物件內部小尺寸缺陷，且定位精準。超聲波無損檢測監測成本低、速度快、對人力及環境無害，使用方便，效率高。

這些都是超聲無損檢測技術的優點，檢測結果的質量很高，可以確保油氣管道內管道的健康情況，使管道能夠及時進行修復，確保管道能夠一直使用[7]。

2.國內外管道超聲檢測研究現狀

(1)超聲檢測技術的現狀

人工超聲檢測主要是接觸式超聲檢測，耗費人力，且因探頭與被測物件的接觸壓力不穩導致檢測精度低，數據存儲靠手工記錄。目前，國際上新發展的超聲波檢測方法有超聲波衍射時差法和相控陣超聲檢測法，被廣泛應用于造船、船體檢測以及石化行業，該兩種檢測方法具有很強的實用性和可操作性，安全性高，檢測更迅速準確[8]。

在油氣運輸行業中，運用超聲檢測技術對輸送管道、存儲裝置以及監測站的腐蝕問題進行監測是腐蝕無損檢測的主要手段，可以準確提供腐蝕情況并及時進行相應防護。超聲檢測主要是對管道壁的壁厚進行準確測量，對比壁厚變化來判斷管道的腐蝕情況以及評估后續的使用壽命[4]。油氣管道腐蝕會導致管道泄漏，污染周邊環境，造成能源浪費，不僅帶來環境壓力還造成了巨大的經濟損失，因而油氣管道的腐蝕情況檢測與監測，以及相對應的防護和修復已然成為了該領域的重要研究方向。國內為了方便迅速對管道進行腐蝕情況評估，通常是采用單一的無損檢測技術進行檢測，同時也會進行實時在線監測，實時記錄管道厚度的變化以便計算管道的腐蝕速率，并且根據計算的腐蝕速率預估管道將繼續運行的時間，同時也根據監測數據進行相應的維護修復。但是要準確的對管道的腐蝕情況進行監測，并定位準確，需要同時使用多種檢測手段，多種檢測手段協同，互補，以便全面監測管道的真實腐蝕情況。

國內油氣管道輸送著不同油田的油氣包括大量境外進口的油氣，不同的油氣含有的碳氫以外的元素不同，以及耐高溫的微生物不同，甚至有的含有不少的硫高酸，這些都會給油氣輸送管道以及附屬裝置帶來不可避免的腐蝕問題。這也給油氣管道監測工作帶來了壓力與挑戰，需要更具優勢的管道腐蝕檢測方法以及更高級更靈敏的檢測儀器。超聲波檢測作為無損檢測常用的檢測手段因其使用靈活方便、靈敏度高、準確性好等優勢而經常使用，但是面對復雜的油氣管道內外環境，超聲波測厚儀器也經歷著更新換代以及技術提升。

對城市綠地系統進行科學管理。城市綠化是城市現代化的重要基礎設施之一，應確立生態環境在城市規劃及管理中的首要地位，只有改變城市規劃及管理理念，把綠地系統規劃納入城市總體規劃之中，才能使生態綠地系統規劃變被動為主動，使城市綠地布局趨于合理。

超聲波檢測技術在油氣管道腐蝕檢測中的廣泛應用也促進了超聲波檢測儀的發展。從19世紀開始，超聲波檢測技術成為重要的無損檢測手段之一。經過近兩百年的發展，超聲檢測技術已經與電子成像技術、數字電子技術等進行有效結合，成為了石油化工領域、船舶領域、航空航天領域等必用的一項無損檢測技術，為上述領域中的產品檢測和監測提供了有力支撐。超聲波檢測在油氣管道中的使用主要是進行管道壁厚的超聲測厚，保證油氣管道在安全可靠的厚度范圍內穩定運行。油氣管道的腐蝕監測是油氣運輸領域中對油氣管道及其附屬裝置進行管理維護的重要手段，超聲波檢測測厚技術的進步與發展，也促使油氣管道監測技術的更為成熟。

目前超聲在線測厚技術在油氣管道檢測中應用時間較長，經驗也較多，是應用很成熟的檢測技術。但是超聲檢測技術在油氣管道腐蝕檢測領域仍然存在兩個待解決的問題，首先是將超聲波測厚技術與其他檢測技術聯用，各取所長，做出最佳聯用檢測方案，以便對油氣管道及附屬裝置的腐蝕情況進行更全面更準確更及時的監測。其次就是研究在特殊環境或者特殊條件下對油氣管道進行腐蝕檢測的超聲波檢測儀器，使超聲波測厚技術更廣泛地使用。通過對探頭改進升級、光電子技術的發展及應用等，升級改進或開發更高級地超聲波檢測設備。

目前各監測單位已經將之前單獨保存備份檢測結果的情況進行改善，開始注重聯網，將超聲波腐蝕監測技術與其他檢測技術以及其他網絡信息化技術等進行聯用，實現數據共享，在線監測技術的快速獲取，以便實現科學化腐蝕監測。據了解有不少學者研究科學測厚系統，來對油氣管道及附屬裝置進行在線測厚，實現在線腐蝕監測，并能夠將信息處理、網絡管理等技術應用于此實現對監測數據的快速處理，使用數據庫和相關標準對處理結果進行分析，以了解管道腐蝕情況，并根據經驗做出更合理的應對措施，對腐蝕位置進行評估或者修復，確保油氣管道及附屬裝置能夠安全運行。

對油氣輸送管道管壁的減薄檢測即壁厚檢測的最快速有效手段就是超聲波定點測厚檢測，可以實現實時在線監測油氣管道壁厚情況。在油氣管道腐蝕檢測領域，超聲波定點測厚技術得到越來越廣泛的應用[4]。

(2)超聲檢測儀器的現狀

近些年來，超聲衍生技術快速發展，應用于油氣管道檢測的超聲檢測測厚儀主要有三種即壓電超聲波測厚儀、電磁超聲測厚儀以及激光超聲測厚儀。這三種測厚儀以及對應的技術都有很大的進步和更新，可以滿足非接觸、特殊溫度現場操作等檢測要求。

壓電超聲波測厚儀主要是超聲波探頭也就是超聲波換能器以壓電晶體為材料，能夠激發超聲波。是超聲腐蝕檢測中應用最廣泛地一項，可以直接用來測試油氣管道壁厚，還能夠檢測判斷缺陷為管道內還是管道外，且檢測精度高、腐蝕情況分析準確。德國ROSEN和NDT公司，以及美國GE-PII公司所研制的管道超聲波檢測器大部分為壓電超聲檢測儀器，對腐蝕缺陷的檢測精度都很高。國內一些高校和科研院所也開展了關于管道壓電超聲檢測的研究，可以實現對管壁周向掃查，可以及時檢測和采集管道數據，還開發了內檢測機器人，實現定量檢測。近來，管道壓電測厚儀還借助其他高科技技術如信號處理技術、傳感器技術等，自動化水平和檢測技術水平都明顯提高。此外壓電超聲測厚儀還可以測量除金屬以外的塑料、陶瓷、玻璃以及其他任何非金屬的超聲波良導體的厚度。壓電超聲測厚儀經過多年發展，檢測速度慢以及操作復雜問題都有很大改善，但是需要耦合劑這一點還無法解決，不過超聲測厚耦合劑也是現在研究的一個方向，不少優質耦合劑在被研發和生產，壓電超聲波測厚在管道檢測中仍會被廣泛使用，且技術會越發成熟。

電磁超聲（EMA）是利用電磁感應的原理來激發產生超聲波的。使用其進行超聲波無損檢測不需要耦合劑，而且可以現場檢測，高溫和低溫下均正常工作，而且不受管道表面情況（如粗糙度、防腐涂層、污垢等）的影響。油氣管道一般表面會有防腐層，這樣還是很適合進行電磁超聲檢測，屬于非接觸檢測。其缺點是容易受電磁的干擾，僅適用于金屬材料[9]。電磁超聲測厚儀作為相對較新的無損檢測儀器，存在一定的技術壁壘，國際上電磁超聲發展很快，國內這方面研究起步晚，但是也有不少企業可以提供超聲測厚儀，如滄州市歐譜檢測儀器有限公司、武漢中科創新技術股份有限公司、零聲科技公司、廣東汕頭超聲電子股份有限公司。國外的電磁超聲測厚儀主要有美國Innerspec Technologies公司和Panametrics公司、俄羅斯ACS公司、韓國RAYNAR公司等。EMAT電磁超聲測厚是油氣管道腐蝕在線檢測與長期監測的重要手段。特別是隨著高硫、高酸原油的輸送，輸送管道和附屬裝置的腐蝕也會加快，油氣輸送管網的長期腐蝕監測越來越受到人們的重視[9]。

激光超聲測厚就是利用上下對射方式的兩個激光位移傳感器發生激光對射時，放置其中的被測物體會被測到兩個表面的位置，這樣就可以計算出被測物體的厚度。該檢測方法是屬于電、光、聲等多學科交叉而發展起來的非接觸超聲檢測的新分支。適用于金屬材料、非金屬材料、金屬與非金屬材料結合的檢測，在高溫下也可以進行檢測。但是在油氣管道檢測領域使用激光超聲測厚檢測還存在不少問題，亟需解決。但是激光超聲技術應用于管道檢測，還有諸多問題需要解決。現在應用于管道檢測的激光超聲測厚設備大部分裝置復雜，不太適合現場檢測。但也有不少專利和文章中報道對該裝置的改進，提供了現場檢測的激光超聲測厚的裝置[9]。

3.超聲檢測的前景

超聲測厚檢測儀器盡管分辨率已達微米級，且管道檢測高溫可滿足600℃以上，但是該技術的非接觸檢測距離受到管道結構、所處外部環境的影響較大。且每一類超聲測厚儀都不是萬能的，不同測厚儀應用于現場檢測的效果也不一樣，會受操作人員的影響、超聲波傳送速度的影響。需要加強該方面人員的技術水平，另外需要提高超聲測厚的智能化、自動化以及便攜化。未來幾年其發展趨勢也主要體現在技術和產品方面。不僅需要高精度的探頭，還需要精密控制探頭的掃描步進。同時，不同超聲測厚儀的測試標準也會建立并健全。更全面、更準確及時了解油氣輸送管道和附屬裝置的腐蝕問題需要將超聲測厚技術與其他無損檢測技術進行交叉融合，發揮所長，彌補不足[9]。

4.結語

綜上所述，超聲無損檢測主要是通過測試金屬管道或者儲存罐等的壁厚來了解和確定油氣輸送管道及附屬裝置的腐蝕情況。國內外現在相關設備及檢測手段都有在更新，且該檢測手段是使用最廣泛的。對超聲檢測儀器進行開發以及對監測技術進行研究是未來發展趨勢，此外實行在線自動化實時監測、超聲與其他檢測手段聯合快速了解油氣管道腐蝕信息，及時采取有效措施進行修復也是未來趨勢。