局部埋地輸油管段腐蝕聲發射監測試驗研究

張延兵，周 琦，孫志濤

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210000；2.舟山國家石油儲備基地有限責任公司，浙江 舟山 316000）

0 引言

在油氣站場中，由于地上生產設施較多，地下管網的鋪設又復雜，因此，存在大量的既要避讓地上設施又要避讓地下管網的局部埋地管道[1]。傳統的檢測手段在對埋地管道進行檢測之前往往需要開挖埋地層，使得檢測成本增大，并且開挖過程也容易造成管道結構的破壞。聲發射技術作為一種新的動態檢測技術，是基于聲發射物理現象，通過特制的聲發射傳感器捕捉材料承載所致內部損傷發出的應力波并將其轉換為可釆集電信號，并根據所采集的信號對材料內部結構損傷程度進行判斷的一種無損檢測方法[2]。相較于傳統的管道無損檢測技術，聲發射技術可以對管道進行實時檢測，達到一種動態監測的效果，并且無需企業停產停工，在保障管道運行安全的同時降低企業的檢測成本[3]。關于管道聲發射檢測案例的報道多見于長輸管道的泄漏檢測[4]，對于局部埋地管段腐蝕聲發射檢測報道不多，另外，有關研究也多在實驗室進行，由于聲發射信號傳播的復雜性，試驗研究結果與實際站場埋地管道的聲發射檢測結果相比差異較大。因此，對油氣站場局部埋地管段聲發射檢測技術開展研究具有一定工程應用意義。本文主要通過對舟山國家石油儲備庫的局部埋地管段進行聲發射檢測，研究其聲發射信號傳播特性及腐蝕信號特性，為在線聲發射檢測應用提供技術參考。

1 試驗儀器和設備

聲發射檢測設備為美國PAC公司的Micro-II Express聲發射檢測儀器，傳感器為R3I-AST，前置放大器增益為40dB，濾波器下限10kHz，上限1MHz。試驗用原油管道為兩根L245M鋼制管道，外壁周長2.9m，壁厚9.1mm，埋地段長度20m，管道已服役時間為14年。為驗證埋地層對管道聲發射信號的影響，在管道無埋地層和有埋地層兩種狀態下進行了檢測試驗，兩次試驗現場如圖1、2所示。

圖1 第一次檢測試驗現場圖片

圖2 第二次檢測試驗現場圖片

為了探究局部埋地管段的有效檢測距離，按圖3所示在埋地管段左側出口處的兩根管道外壁上對稱布置2個聲發射傳感器，在埋地管段右側出口處的外壁上布置1個聲發射傳感器。同時，為了研究埋地對管道腐蝕程度的影響，在無埋地層時的埋地段彎管處布置1個聲發射傳感器。然后，在管段有完整埋地層的情況下進行了第二次檢測試驗，同樣在左側埋地出口處布置2個聲發射傳感器，右側出口處布置1個聲發射傳感器。兩次試驗單根管道的具體傳感器布置如圖3所示。

圖3 兩次試驗傳感器布置示意圖

2 試驗過程

（1）第一次試驗

在管道無埋地層時，首先在1#傳感器處斷鉛，統計2#傳感器接收到的斷鉛信號參數，以此來觀察同一截面上的傳感器接收到的信號差距。通過統計3#、4#傳感器接收到的信號參數，來探究彎管對信號傳播的影響，并確定局地埋地管道中信號的可檢測傳播距離。其次在4#傳感器處斷鉛，驗證信號沿不同方向傳播時衰減是否相同。斷鉛試驗之后，進行2h的管道腐蝕監測。

（2）第二次試驗

在埋地管道有完整的埋地層時，在1’#傳感器處斷鉛，統計2’#、3’#傳感器處的聲發射信號參數，其次在3’#傳感器處斷鉛，驗證信號沿不同方向傳播時衰減是否相同，與無埋地層時的信號參數進行對比，探究埋地層對信號傳播的影響。在斷鉛試驗之后，進行2h的管道腐蝕檢測。

3 試驗結果分析

3.1 傳播特性分析

特征參數是聲發射檢測結果中信號的表述主要方式之一，可以應用幅度、計數、能量、持續時間、上升時間等主要參數對信號進行分析。無埋地層時在1#傳感器處斷鉛，有埋地時在1’#傳感器處斷鉛，各傳感器的特征參數值如表1所示。

表1 左側斷鉛各傳感器特征參數統計表

無埋地層時在4#傳感器處斷鉛，有埋地時在3’#傳感器處斷鉛，各傳感器的特征參數值見表2。

表2 右側斷鉛各傳感器特征參數統計表

由統計出的特征參數可知，有埋地層和無埋地層狀態下，信號從一端傳到另外一端，幅值下降都在20～30db，并無較大差距。根據現場管道環境，在原油管道埋地段布置有一層套管，套管將管壁與土壤隔開，使得聲發射信號的傳播距離沒有因埋地層的存在而產生較大影響，提升了埋地管段聲發射檢測的可行性。在聲發射信號傳播的過程中，無論是否存在埋地層，隨著傳播距離的增大，信號的上升時間都逐漸增大，能量逐漸減弱，但是平均頻率并沒有發生較大的改變。并且處于同一截面上的傳感器，如1#與2#、1’#與2’#傳感器接收到的信號，各項特征參數都近似相同，信號傳播衰減可以忽略。

聲發射信號在傳播過程中的幅值衰減是非線性的[5]，高幅值時衰減快，幅值越低衰減速率逐漸變緩，對無埋地層時斷鉛信號從1#傳到4#處的幅值進行曲線擬合，擬合結果如圖4所示。從圖中可以看出，在60db之后，管道中的信號幅值衰減逐漸平緩。根據實驗室所做的鋼材腐蝕試驗，當門檻為30db時，腐蝕信號的幅值為30db～60db，現場兩端傳感器相距24.1m，兩端傳感器的中間位置距傳感器12.05m，根據衰減曲線所示該距離幅值衰減很小，所以該局部埋地管道的傳感器布置方案能夠實現埋地段腐蝕信號監測的全覆蓋。

圖4 管道中斷鉛信號的衰減曲線

3.2 腐蝕狀態評價

在腐蝕監測的過程中，采集到了腐蝕的管內聲發射信號，截取兩次試驗各傳感器30min的監測結果如圖5所示。

圖5 兩次試驗腐蝕幅度分布歷程圖

參照JB/T 10764-2007對常壓儲罐底板腐蝕嚴重度的分級方法[6]，統計各通道的聲發射信號撞擊數與平均幅值來對管道的腐蝕狀態進行評價。各通道聲發射撞擊數與平均幅值表3。

表3 兩次試驗各通道聲發射撞擊數統計

信號采集結果顯示，兩次試驗所采集的受腐蝕管信號撞擊數與平均幅值均較低。通過進行實驗室管道腐蝕嚴重度模擬試驗，對不同腐蝕狀態的聲發射撞擊數及平均幅值進行統計，實驗室模擬結果表明，舟山國儲管道監測區域內腐蝕聲發射信號撞擊數小于500個/h，平均幅值低于40dB時，管壁尚未形成明顯點蝕坑，腐蝕活性較低，腐蝕等級為Ⅰ級，無需維修。兩次實驗的撞擊數與平均幅值均在Ⅰ級范圍內，因此評定舟山國儲局部埋地管道的腐蝕等級為I級，無明顯局部腐蝕現象。

3.3 評定結果對比

管道現場布置有超聲導波，聲發射監測結果與超聲導波檢測結果相同，如圖6所示，驗證了聲發射技術的準確性。

圖6 局部埋地管道超聲導波監測

4 結論

（1）在有無埋地層兩種情況下，由于管壁對信號傳播的約束作用，信號的衰減幅度不大，為聲發射技術在局部埋地管段的監測過程中無需開挖埋地層提供了條件。

（2）聲發射監測結果顯示，舟山國儲的局部埋地管道腐蝕等級為I級，無明顯局部腐蝕現象，與現場超聲導波檢測結果一致。

（3）通過在埋地出口兩端布置聲發射傳感器，能夠有效采集管道中的腐蝕聲發射信號，驗證了聲發射技術在局部難開挖管道監測應用中的可行性。