防打孔盜油用管道內(nèi)檢測器的研制與應(yīng)用

胡 朋，祝興輝，張 洋，陳金忠，馬義來，康小偉，王 鋒

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100026)

隨著管網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展，我國逐步建成了一套龐大的管道運(yùn)輸系統(tǒng)，成為國家重要的“能源大動脈”，其安全運(yùn)行對國家戰(zhàn)略具有重要意義。近年來，打孔盜油事件頻繁發(fā)生，已成為油氣管道安全生產(chǎn)的一大隱患[1]。當(dāng)前打孔盜油現(xiàn)象具有時間地點(diǎn)多變、人員隊(duì)伍專業(yè)化、技術(shù)工具更先進(jìn)的特點(diǎn)；作業(yè)方式主要有隱蔽式、閃電式、地道式、偽裝式等[2]。打孔盜油會對管道產(chǎn)生開放式的破壞，一旦管道發(fā)生泄漏，可能會對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、公共安全等領(lǐng)域帶來重大危害。

為應(yīng)對頻繁發(fā)生的打孔盜油事件，管道運(yùn)行公司的措施采取從“人防”逐步升級到“技防”方式。管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是打孔盜油檢測的主要方式，但由于打孔盜油分流量較小，其靈敏度較低、識別誤差大；管道光纖預(yù)警系統(tǒng)是新興起的一種檢測技術(shù)，但其受外部干擾大，漏報或者誤報概率大，且部分老管道沒有伴隨光纖；管道外檢測技術(shù)結(jié)合開挖驗(yàn)證的方式進(jìn)行檢測，但工作量大，識別率低，檢測周期長，且時效性較差；漏磁內(nèi)檢測技術(shù)是打孔盜油檢測相對比較有效且成熟的一種方式，但是其施工流程復(fù)雜，費(fèi)用較高，檢測間隔長，時效性較差[3-4]。因此，迫切需要研發(fā)一種檢測效果好、成本低、作業(yè)方便且流程簡單的檢測設(shè)備，而基于渦流檢測技術(shù)的打孔盜油專用管道內(nèi)檢測器恰恰能夠滿足以上需求。

1 打孔盜油的形式及特點(diǎn)

1.1 抱箍式

該盜油方法一般將規(guī)格較大的扁形鋼板卷成環(huán)形管箍狀，然后把盜油閥門及連接管安裝到管箍上，通過擰緊管箍兩端的螺栓將盜油裝置及較軟的鉛塊貼合在管道表面，從而實(shí)施鉆孔盜油，[見圖1(a)]。其特點(diǎn)為實(shí)施難度大，過程復(fù)雜，易發(fā)生泄漏事故，近些年使用很少。

1.2 鋼釬式

該盜油方法一般采用一定長度且?guī)в绣F度的高強(qiáng)度鋼管，在有錐度的一端加工進(jìn)油孔，另一端焊接閥門，將有錐度的一端直接插入管道內(nèi)部進(jìn)行盜油[見圖1(b)]。其特點(diǎn)為作業(yè)簡單，隱蔽性強(qiáng)，對管道損傷大，近些年使用很少。

1.3 焊接式

該盜油方法通常將帶有鉆孔控制閥的接管焊接到管道上，鉆孔完成后再焊接上短管和盜油控制閥。通過這兩個閥門實(shí)現(xiàn)盜油操作[見圖1(c)]。其特點(diǎn)是裝置簡單，隱蔽性強(qiáng)且能夠反復(fù)使用，是近些年普遍采用的一種方式，也是目前盜油孔檢測的主要對象[5]。

圖1 3種不同的打孔盜油方法示意

2 渦流內(nèi)檢測原理

與其他管道缺陷檢測技術(shù)相比，渦流檢測是一種靈敏度高、精度高且非接觸測量的無損檢測方法，非常適用于管道盜油孔的檢測。其檢測原理為：當(dāng)通有交變電流的線圈靠近被檢測的導(dǎo)體試塊時，在激勵線圈產(chǎn)生的主磁場作用下，導(dǎo)體試塊在變化的磁場中會產(chǎn)生漩渦狀電流，也就是渦流；同時渦流也會形成一個磁場，當(dāng)導(dǎo)體試塊中有缺口時，渦流的分布會發(fā)生變化，產(chǎn)生的磁場也會隨之發(fā)生變化，繼而影響檢測線圈的阻抗；而通過檢測線圈輸出的電信號變量，可以判斷被測試塊的性能以及是否有缺陷[6-7]。

3 防打孔盜油管道內(nèi)檢測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

防打孔盜油用管道內(nèi)檢測器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其機(jī)械系統(tǒng)由電源節(jié)、萬向節(jié)和計(jì)算機(jī)節(jié)三部分組成。電源節(jié)通過柔性萬向節(jié)與計(jì)算機(jī)節(jié)相連[8]。

圖2 防打孔盜油用管道內(nèi)檢測器結(jié)構(gòu)示意

3.1.1 電源節(jié)

電源節(jié)的密封防爆倉裝有電池組，為檢測器在管道中長時間運(yùn)行提供電能。同時該設(shè)備裝有開槽的直板皮碗和帶有耐磨釘?shù)牡ね?，依靠皮碗兩端的壓差產(chǎn)生的動力驅(qū)動檢測裝置在管道中運(yùn)行。其中開槽的直板皮碗和帶有耐磨釘?shù)牡ね氪蟠笱娱L了裝置的檢測里程，節(jié)省了成本，且能夠保障檢測器在管道中的安全運(yùn)行。

前端的防撞頭起緩沖作用，可防止檢測器速度過快撞擊盲板。高精度低頻發(fā)射機(jī)裝在前端的防撞頭中以免撞擊時發(fā)生損壞，其主要作用是通過地面上匹配的接收機(jī)來確定檢測器在管道中的位置或者記錄檢測器經(jīng)過定標(biāo)點(diǎn)的時間，為后期盜油孔的精確定位提供支撐。

3.1.2 萬向節(jié)

電源節(jié)和計(jì)算機(jī)節(jié)之間采用柔性萬向節(jié)連接，以保證管線中彎頭的通過能力。萬向節(jié)可在電源節(jié)帶動計(jì)算機(jī)節(jié)前行的同時確保整體同步環(huán)向旋轉(zhuǎn)，以保護(hù)兩節(jié)之間的電纜線不受破壞。

3.1.3 計(jì)算機(jī)節(jié)

計(jì)算機(jī)節(jié)是整個檢測器系統(tǒng)的核心單元，包括支撐碟皮碗、渦流檢測探頭、轉(zhuǎn)接線盒、里程測量單元和筒體內(nèi)部的機(jī)芯單元。支撐碟皮碗可使計(jì)算機(jī)節(jié)在管道中平穩(wěn)行走；渦流檢測探頭可以檢測盜油孔及管道內(nèi)壁缺陷、閥門、三通、焊縫、彎頭等部位；轉(zhuǎn)接線盒的作用是將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接傳輸給機(jī)芯；里程測量單元通過磁編碼器測量管線的里程距離和特征長度，結(jié)合定標(biāo)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)盜油孔及其他特征的軸向精確定位；機(jī)芯單元用于過程控制和檢測數(shù)據(jù)的處理與存儲。

3.2 電子硬件系統(tǒng)

防打孔盜油用管道內(nèi)檢測器電子硬件系統(tǒng)主要包括以ARM為核心模塊的處理單元、電源模塊、數(shù)據(jù)傳輸和存儲模塊、串口模塊等，用于存儲渦流探頭、里程測量單元、碼盤測量單元、MEMS(微電動系統(tǒng))陀螺儀單元等數(shù)據(jù)的采集和存儲單元[9-10]。其電子硬件系統(tǒng)總體框架如圖3所示；渦流探頭電子系統(tǒng)框架及探頭結(jié)構(gòu)示意分別如圖4，5所示，其中單個渦流探頭的通道數(shù)為4個，每個通道的采樣頻率為2 kHz。

圖3 防打孔盜油用管道內(nèi)檢測器電子硬件系統(tǒng)總體框架

圖4 防打孔盜油管道內(nèi)檢測器渦流探頭電子系統(tǒng)框架

圖5 防打孔盜油管道內(nèi)檢測器渦流探頭結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)的基本工作過程如下：①使用上位機(jī)(筆記本電腦)通過RS-232接口與電子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和配置操作；②確認(rèn)設(shè)備工作正常后將檢測器放入管道，將渦流探頭檢測到的管壁上的磁場信號、里程輪和碼盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖信號和陀螺儀采集的三軸加速度數(shù)據(jù)送入MCU(微控制單元)主控單元；③完成檢測后上位機(jī)可通過 USB 接口下載系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。

4 牽拉試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該內(nèi)檢測器的檢測效果，研究盜油孔的信號特征，在有人工制作盜油孔的試驗(yàn)樣管上對設(shè)備進(jìn)行牽拉試驗(yàn)。牽拉完成后，利用數(shù)據(jù)分析軟件對牽拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀，通過分析渦流信號，對盜油孔的特征進(jìn)行識別，從而建立基于渦流檢測的盜油孔缺陷識別與判定方法。

4.1 環(huán)焊縫特征識別

根據(jù)管道環(huán)焊縫施工工藝要求，焊口位置的厚度一般比管材本身厚度要大一些，表面上呈現(xiàn)出有一定寬度的環(huán)向凸起，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為金屬增加。筆者截取了部分環(huán)焊縫的渦流特征多通道信號(見圖6)，然后從中隨意選取一條通道信號，并將其放大，發(fā)現(xiàn)其變化特點(diǎn)都是先向下再向上再向下，呈現(xiàn)出一個大波峰和兩個小波谷(見圖7)。

圖6 環(huán)焊縫渦流特征多通道信號

圖7 環(huán)焊縫渦流特征單通道信號

4.2 盜油孔特征識別

焊接式盜油孔是現(xiàn)今最常見的一種盜油方式。在管道結(jié)構(gòu)上的變化表現(xiàn)為外接管金屬增加，鉆孔后金屬損失。人工制作的焊接式盜油裝置實(shí)物如圖8所示。焊接式盜油孔渦流特征通道信號變化趨勢整體上和環(huán)焊縫的類似，都是先向下再向上再向下，呈現(xiàn)出一個大波峰和兩個小波谷，其渦流特征多通道信號如圖9所示。

圖8 人工制作的焊接式盜油裝置實(shí)物

圖9 焊接式盜油孔的渦流特征多通道信號

從所有通道中選取一條最具代表性的通道(信號見圖10)，其呈現(xiàn)出波谷-波峰-波谷-波峰-波谷的變化趨勢，與盜油孔結(jié)構(gòu)保持一致，可見，通過該典型特征能夠?qū)崿F(xiàn)盜油孔的識別與判定。

圖10 焊接式盜油孔的渦流特征單通道信號

5 工程應(yīng)用

基于渦流技術(shù)的防打孔盜油內(nèi)檢測器已在多條輸油管道上進(jìn)行了工程應(yīng)用。該設(shè)備在檢測環(huán)焊縫、閥門、彎頭、三通等管道基本特征的基礎(chǔ)上，能夠有效識別打孔盜油信號和內(nèi)壁金屬損失信號。依據(jù)數(shù)據(jù)分析給出的檢測成果，結(jié)合高精度低頻跟蹤定位系統(tǒng)，已成功檢測出了某條管線的多處打孔盜油點(diǎn)。該管線的打孔盜油點(diǎn)信號和開挖驗(yàn)證現(xiàn)場分別如圖11，12所示。

圖11 某管線焊接式打孔盜油點(diǎn)信號

圖12 焊接式打孔盜油裝置開挖驗(yàn)證現(xiàn)場

6 結(jié)語

(1) 基于渦流檢測的防打孔盜油專用管道內(nèi)檢測技術(shù)，研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、通過能力強(qiáng)、檢測里程長、檢測效果好且施檢方便快捷的內(nèi)檢測器，該檢測器能夠有效檢測出管道上的打孔盜油特征，同時也能夠檢測一些典型的內(nèi)壁缺陷，減少了檢測成本，縮短了檢測周期，能夠及時響應(yīng)檢測計(jì)劃。

(2) 可通過多輪次打孔盜油內(nèi)檢測數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，將歷次檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊和比對，建立盜油孔信號特征模型，以更好地提高盜油孔的識別概率和檢測效率，減少經(jīng)濟(jì)損失及其引發(fā)的次發(fā)性危害。