?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器研制*

李振北 常連庚 張學鵬 劉高菲 李彥春

(1.中油管道檢測技術有限責任公司 2.國家管網集團工程技術創新有限公司)

0 引 言

為了滿足石油天然氣特別是天然氣干線管網的大輸量、長距離輸送需求，提高管輸效率與經濟性，高壓、大口徑成為天然氣管道的重要發展方向[1]，因而促進了X80高鋼級管道的研發與應用[2]。從2005年西氣東輸-陜京二線(冀寧)聯絡線(?1 016 mm)為起點[3]，X80高鋼級管道新材料和新技術在國內開始全面應用[4]，部分管道在施工過程中因分包工程施工質量失去管控，加之缺少訓練有素的管道焊工和專業嚴謹的檢查監督人員，加劇了在此期間建設的X80高鋼級管道環焊縫施工質量的管控難度。同時，施工單位對施工速度過于重視，忽視了施工環節中的工藝質量管控，為管道環焊縫缺陷的產生埋下了隱患[5-6]。

自中緬天然氣管道“6·10”晴隆事故、“7·2”晴隆事故與西氣東輸二線“7·28”同心事故以來，管道本質安全被提高到了管道運營的首要位置[7-8]，管道環焊縫質量安全事故被提升為管道安全生產的重大安全風險等級響應。根據國務院安委會要求(立即組織開展油氣輸送管道周邊隱蔽致災隱患排查整治，切實加強油氣輸送管道途經人員密集場所高后果區安全風險管控)，中油管道公司采用工程竣工資料復查、數據對齊(焊口工程記錄和內檢測結果)、建設期底片復核、現場開挖復拍等方式，全面排查管道環焊縫質量風險[9-10]。按照既定方案，計劃排查7 724道焊口，但仍有約64萬道環焊縫沒有排查到，需要修復的焊口僅占排查總量的0.019%，亟需找到一種非開挖方式的環焊縫缺陷檢測技術，特別是能精準識別裂紋缺陷類及應力異常疊加作用的重大安全隱患，及時開挖復拍確認，消除在役管道安全隱患，確保管道安全平穩運行[11-13]。因此針對X80高鋼級管道環焊縫缺陷及應力異常檢測的需求變得更加迫切，成為管道內檢測技術發展攻關的一個新方向[14]。同時，渭南成品油支線和寧夏成品油外輸管道等建設完成后，長時間未投產運行導致管道內部產生了極細小針孔腐蝕類缺陷，也成為國際上管道內檢測面臨的另一個技術挑戰[15]。

大口徑油氣管道環焊縫寬度通常為10～20 mm，加之目前國內大部分投產的?1 016 mm管道未全部采用全自動焊，可能會存在不規則的焊縫余高[16]。在檢測器運行過程中，檢測時間窗口較短，不規則的環焊縫形貌導致探頭彈跳，提離增大，缺陷信號難以分辨[17]；獨立的小尺寸針孔腐蝕的金屬缺失量少，投影面積小，普通三軸高清漏磁和超聲檢測信號均不敏感[18-20]。對于這些非常規缺陷，即使能夠檢測到異常信號，但能否有效檢出還取決于判定基準的可靠性[21]。現有三軸高清漏磁腐蝕檢測技術的檢測分辨率還不足以精確分析所有類型的缺陷[22]，表現在：①管體變形及應力異常區域的金屬損失；②環焊縫缺陷，例如周向焊縫的未融合、未焊透、錯邊、咬邊等；③菌致針孔腐蝕、針孔聚集區域、大面積腐蝕中直徑小于1 mm(0.04 in)的極細小針孔腐蝕；④管頂腐蝕(TOLC)；⑤微生物誘導腐蝕(MIC)。

針對上述問題，開發更有效的在役管道非開挖復合缺陷檢測技術，即超高清漏磁腐蝕+幾何測徑+管道中心線測繪和應變檢測+應力檢測構成的復合檢測器，從而有效檢測管道本體及環焊縫缺陷、管道變形、受力位移與應力異常，是檢測管道受外部地質災害影響與環焊縫異常問題是否疊加的有效手段。

1 國內外研究現狀

德國ROSEN公司、美國Baker Hughes公司和加拿大Novi tech公司等極少數國際知名檢測公司研發并掌握了基于超高清漏磁腐蝕的復合檢測技術，且已完成?219 mm(8 in)、?273 mm(10 in)、?610 mm(24 in)、?1 219mm(48 in)等多個管徑的超高清漏磁檢測設備研制。其中，ROSEN公司研發出基于超高清漏磁復合檢測技術的超高密度檢測單元，具有1.6 mm周向傳感器排列密度和1.0 mm軸向分辨率，用于高精度的周向及軸向測量，霍爾傳感器到管體的距離也被極大地減小，雙層霍爾傳感器的設計增強了數據及腐蝕成長率分析的準確度，因此可大幅度提高腐蝕檢測的精確性和準確度[23]。Baker Hughes公司的最新一代MagneScan SHR超高清漏磁腐蝕檢測器憑借2 mm的采樣分辨率，除了在檢測和量化均勻腐蝕/點蝕和軸向/周向溝槽方面表現出色外，還可以檢測到直徑2 mm的針孔，窄到1 mm的軸向凹溝以及包含開口大于等于0.25 mm的環焊縫裂紋及環向凹溝。特別適用于包含大量復雜腐蝕的臨界管道，具有較高失效后果的管道以及有可能遭受軸向缺陷或針孔腐蝕侵蝕的管道[24]。

國內，中國石油大學(北京)、沈陽工業大學2所高校的科研團隊也開展了超高清漏磁腐蝕檢測技術開發和設備的研制[25]。其中，中國石油大學(北京)董紹華團隊研制的?323 mm(12 in)管道超高清漏磁腐蝕檢測器，周向相鄰傳感器之間的邊緣間距為0.6 mm，與業界普遍采用傳感器中心距定義分辨率方式不同，因此與國外檢測公司同類設備的技術指標無法進行精確比對[26]。但是適用于?1 016 mm管徑的超高清漏磁檢測器屬于高流速、大口徑主干線天然氣管道用檢測器。在滿足超高清檢測指標的前提下，還必須搭載檢測器速度控制單元，同時兼具幾何測徑、管道中心線測繪和彎曲應變檢測、應力檢測等復合檢測的能力，研發成本和難度極大。因此，目前國內尚無技術成熟、可工業化應用的?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器。

2 檢測器設計

2.1 總體方案設計

在國內，?1 016 mm的天然氣管道主要分布在西氣東輸、中緬管道、中俄東線、中-貴聯絡線和陜-京聯絡線等干線管網中，且均具有壓力高、輸量大、介質流速高等特點。因此在?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器研發階段，進行了針對性的研究和設計，如研發安全可靠的速度控制單元，耐壓倉受外部氣壓可靠性設計，歐盟ATEX高防爆安全等級要求及認證，超高清漏磁腐蝕檢測、幾何測徑檢測、應力檢測、管道中心線測繪和應變檢測多種檢測功能集成化設計，制定了檢測器的總體方案及重點攻關技術領域。根據?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器的總體設計方案，進行了檢測器的各功能模塊及子系統的開發、兼容集成及詳細設計，最終完成了檢測器總體方案的研制，如圖1所示。

圖1 ?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器設計方案Fig.1 Design of the ?1 016 mm ultra-high definition magnetic flux leakage composite pipeline detector

2.2 速度控制單元設計

速度控制單元作為?1 016 mm大口徑管道檢測器必備的功能模塊，其速度調控原理為：通過速度控制單元執行機構的開閉，在檢測器內部建立泄流面積大小可調的泄流通道，讓檢測器后端的部分管輸介質能夠通過泄流通道到達前端(見圖2a)，從而降低檢測器前后的壓差，使檢測器的運行速度低于管輸介質的速度，并降低到一個合理的范圍內(通常基于漏磁原理的檢測器要求運行速度低于4.3 m/s)適合檢測(見圖2b)。

圖2 ?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器速度控制單元調控原理及范圍Fig.2 Control principle and range of the speed control unit of the ?1 016 mm ultra-high definition magnetic flux leakage composite pipeline detector

速度控制單元的降速能力研究及驗證。本文采用計算流體動力學仿真方法模擬不同工況下檢測器速度控制單元結構的降速能力(見圖3a)。模擬在不同管輸壓力、天然氣介質流速、泄流面積等條件下檢測器速度控制單元的調速能力，進而得到在泄流面積最大時，不同管輸壓力(3～15 MPa)，不同檢測器前后壓差條件下的檢測器速度調控能力(見圖3b)。

圖3 ?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器速度控制單元降速能力分析及結果Fig.3 Analysis and results of the speed reduction performance of the speed control unit of the ?1 016 mm ultra-high definition magnetic flux leakage composite pipeline detector

由仿真分析結果可知，設計的?1 016 mm管道復合檢測器速度控制單元在一定的管輸介質壓力范圍(3.95～8.85 MPa)，最大介質流速范圍為8～9 m/s的工況下，可將復合檢測器的運行速度控制在要求的4.3 m/s內。

2.3 腐蝕檢測探頭結構設計

腐蝕檢測探頭結構單體主要由探頭殼體、前臂、后臂、板簧和支座等零部件組成(見圖4a)。整個探頭結構采用平行四邊形結構，保證探頭殼體能夠進行徑向位移，適應不同管道壁厚變化及管道凹陷變形(見圖4b)。

圖4 超高清漏磁腐蝕檢測探頭結構示意圖Fig.4 Schematic structure of the ultra-high definition magnetic flux leakage corrosion detection probe

徑向運動過程中靠前臂和后臂與支座之間的板簧提供回復力使其恢復自然狀態，始終讓探頭殼體能夠與管道內壁保持貼合。

研究采用“S”形單個異形探頭結構設計，利用“S”形結構沿管道軸向方向傾斜布置4排傳感器陣列，每排傳感器陣列內部沿管道周向依次布置多個傳感器，每排傳感器陣列上的傳感器沿管道周向方向交錯布置，保證探頭內部的傳感器周向采樣間距滿足不大于1.6 mm的需求。此外，在檢測器上周向均布安裝有多個異形探頭結構，可保證周向上探頭間采樣間距同樣滿足不大于1.6 mm的指標要求。優選新型磁傳感器，具有小型化(長、寬為1.35 mm)、低功耗、分辨率高(采樣位數可達16 Bits)、抗干擾能力強(微弱漏磁信號的拾取不被噪聲淹沒)、更新頻率塊(大于10 kHz)、線性范圍廣等優點，滿足超高清漏磁腐蝕檢測對傳感器的要求。

2.4 測徑及IDOD探頭結構設計

測徑及IDOD探頭在同一探頭結構中集成幾何測徑，內外腐蝕區分(IDOD)功能于一體。探頭結構主要由IDOD探頭、探頭臂、角度傳感器、底座和輔簧臂等零部件組成，結構如圖5a所示。

圖5 測徑及IDOD探頭結構示意圖Fig.5 Schematic structure of the diameter measurement and IDOD probe

利用IDOD探頭中的渦流傳感器判別內、外腐蝕所在位置；利用探頭臂底端的角度傳感器測量因管道內壁幾何尺寸變化引起的角度變化，將管道的幾何尺寸變化轉化為角度傳感器測量的角度變化值，如圖5b所示。

2.5 應力檢測探頭設計

為了檢測管道上的應力變化及可能存在的應力異常，在檢測器輔助節的后端周向均布安裝有8個應力檢測探頭。基于電磁感應原理的交變磁場應力測量方法(Alternating Current Stress Measurement，簡稱ACSM)，研究了當管壁內部微觀組織發生變化，區域磁導率/電導率等參數發生改變條件下，通以交變信號的ACSM探頭(一種基于隧道磁電阻TMR傳感器的探頭)磁化管壁，表面感應電流分布及電磁場擾動的變化規律，建立了在應力區域產生感應磁場的磁力學模型。

設計了一種新型管道應力檢測系統及高精度陣列應力檢測探頭。可對周向間隔45°的不同區域進行應力檢測，同時隨著檢測器在管道內的運行，按照設定的軸向采樣間距對管道沿線進行應力檢測。應力檢測探頭，主要由傳感器殼體、主支撐臂、輔助支撐臂、底座、主簧、輔簧等零部件組成，結構如圖6a所示。

圖6 應力檢測探頭示意圖Fig.6 Schematic diagram of the stress detection probe

整個探頭機構采用類平行四邊形的結構設計方案，具有一定的徑向變形適應能力，可完成對不同管道壁厚、管道變形處的應力測量(見圖6b)。測量的應力數據與里程信息一起存儲在檢測器搭載的電子系統存儲單元中，待檢測器從管道內收出后，下載存儲記錄的測量數據，通過數據分析軟件分析，得到管道沿線的管道應力數值變化及存在的應力異常情況。通過該探頭的使用，可連續測量高壓長輸油氣管道及焊縫處的應力變化。這對于幫助分析油氣管道上的應力分布，判別和查找因應力集中導致的管道本體及焊縫處的應力異常高危險區，降低因管道局部應力集中導致的安全風險極為有效。

2.6 電子存儲系統研制

研制的?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器電子存儲系統如圖7所示，可實現超高傳輸速度和超高存儲帶寬的存儲容量。針對超高清漏磁數據采集管理單元(SMU)與電子存儲系統間的大數據傳輸，進行通信傳輸協議的自定義開發。在數據傳輸準確可靠的基礎上對協議不斷優化，降低協議占用的物理資源，達到低功耗的目的。基于移植優化完成后的自定義通信傳輸協議，采用并行數據處理技術，在多路數據傳輸通道中實現自定義通信傳輸協議，最終完成并行傳輸，滿足1.6 Gb/s的傳輸速度。對電子存儲系統的存儲管理機制進行研究，通過高速陣列存儲技術，實現超高存儲帶寬10 TB以上的存儲容量。

圖7 ?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器電子存儲系統框架圖Fig.7 Block diagram of the electronic storage system of the ?1 016 mm ultra-high definition magnetic flux leakage composite pipeline detector

3 檢測器測試與應用

3.1 檢測器性能測試

?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器的牽拉測試在油氣管道輸送安全國家工程實驗室進行。該實驗室擁有世界領先技術水平的油氣管道檢測器整機動態測試標定中心，是目前國內功率最大、載荷能力最強、牽引速度最高的雙道牽引測試系統。檢測器牽引試驗系統最大牽引力235.2 kN，牽引速度0.2～8.0 m/s，最大牽引功率2 MW，可實現對?114.3～?1 422.0 mm(4～56 in)全系列口徑檢測器的牽引測試。驗證檢測器的機械動態性能和缺陷檢測能力，保證其在工業現場應用前的安全可靠性。

通過對?1 016mm管道超高清漏磁復合檢測器在不同牽引速度(1、2、3和4 m/s)條件下的牽引測試檢測數據分析，檢測器能夠準確識別和量化管道上的極細小針孔類(直徑2 mm)、周向凹槽、周向和軸向凹溝、一般和坑狀等金屬損失缺陷，同時可識別管體周向和環焊縫上的類裂紋缺陷(開口寬度大于0.2 mm)；能夠對人工加載的管道應力異常區進行有效識別，對管道變形處的腐蝕復合人工缺陷能夠進行識別和量化(見圖8)。在5 m/s以上速度條件的測試過程中，檢測器速度控制單元能夠按照設置參數值執行指令，控制執行機構進行開閉。

圖8 牽拉測試缺陷實物及拾取和量化分析結果Fig.8 Photo of the pipeline defect for the traction test and results of defect extraction and quantitative analysis

3.2 現場工業應用

?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器于2021年5月12日成功在陜京三線榆林-陽曲段完成現場工業試驗，運行歷時23 h，檢測安全平穩，采集數據里程完整，經過檢測數據分析和后期依據分析結果進行開挖復核，驗證了檢測器各項技術指標滿足設計要求，工業現場應用取得預期效果。2022年5月，在中緬天然氣管道安順-貴陽段圓滿完成現場工業應用。

4 結論及認識

(1)?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器利用搭載的速度控制單元，可在管輸介質壓力3.95～8.85 MPa，最大介質流速為8～9 m/s的工況下，完成在役管道的復合檢測。

(2)檢測器能夠準確識別和量化管道上的極細小針孔類、周向凹槽、周向和軸向凹溝、一般和坑狀等金屬損失缺陷，可識別管體周向和環焊縫上的類裂紋缺陷。

(3)能夠對管道上的應力異常區進行有效識別，對管道變形處的腐蝕復合人工缺陷能夠進行識別和量化。

通過?1 016 mm管道超高清漏磁復合檢測器研制，對發現和識別X80高鋼級?1 016 mm管道上可能存在的裂紋類缺陷和極細小針孔類缺陷等重大安全隱患，及時開挖復拍確認；按照風險嚴重程度制定科學合理的方案進行處置，減少不必要的工作量和成本費用；消除在役管道安全隱患，確保管道安全平穩運行，具有重大的現實意義。