張志浩 孫銀娟 楊濤 王潛忠 孫芳萍 羅慧娟

西安長慶科技工程有限責(zé)任公司

因為管道損壞造成的石油、天然氣泄漏或爆炸事故具有危害性大、持續(xù)時間長和不易治理等特點，所以對管道進(jìn)行定向檢測和維護(hù)是十分重要的[1-4]，我國的渦流檢測技術(shù)研究和應(yīng)用始于20世紀(jì) 60 年代[5]。管道運行過程中為了確保正常工作，避免發(fā)生事故和不必要的資源浪費，需要對管道實現(xiàn)損壞排查和維護(hù)。如果對所有管道進(jìn)行普遍排查和維護(hù)，不僅浪費資源而且效率不高，所以研發(fā)必要的管道檢測機(jī)器對管道實現(xiàn)定向的在線監(jiān)控十分重要。在世界范圍內(nèi)，管道的內(nèi)檢測以無損檢測技術(shù)(Non-destructive Testing,NDT)為主[6-7]，但大部分內(nèi)檢測技術(shù)適用于DN200 mm或DN500 mm以上管線。經(jīng)過幾十年發(fā)展，管道的檢測逐漸形成以射線、超聲波、磁粉、滲透、渦流為主的五大常規(guī)無損檢測體系[8-10]。本研究在綜合分析以上技術(shù)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，重點研究了適用于長慶油田CO2驅(qū)等區(qū)域DN100及以下集輸管道的電磁渦流和超聲波2種內(nèi)檢測技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗。

1 管道內(nèi)檢測機(jī)器人研制

管道內(nèi)檢測機(jī)器人的研制過程包括檢測系統(tǒng)探頭、腐蝕情況檢測系統(tǒng)、壁厚檢測系統(tǒng)、采集處理系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、儲存分析系統(tǒng)、里程記錄單元、上位機(jī)成像系統(tǒng)以及整體檢測系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)等內(nèi)容，以下主要介紹腐蝕檢測和壁厚檢測系統(tǒng)研究內(nèi)容。

1.1 腐蝕情況檢測系統(tǒng)的研制

1.1.1 電磁渦流腐蝕檢測系統(tǒng)

根據(jù)DN100電磁渦流內(nèi)檢測機(jī)器人檢測的腐蝕缺陷曲線(見圖1)。當(dāng)某條管道整體腐蝕比較嚴(yán)重時，體現(xiàn)在腐蝕缺陷曲線圖中則是從一端的焊縫開始，曲線出現(xiàn)連續(xù)低凹段直至下一焊縫處，如圖1(a)所示，其縱坐標(biāo)差值即為腐蝕減薄的部分，兩個焊縫之間的長度(即橫坐標(biāo)差值)為腐蝕管段的長度。如果出現(xiàn)裂縫或者孔洞，會在曲線中間出現(xiàn)一個向下的跳躍尖峰，如圖1(b)所示，尖峰的峰值就是裂縫或者孔洞的深度，尖峰的寬度就是裂縫或者孔洞的大小。從曲線中向下波動的峰的寬度可以判斷管線缺陷形貌，一般較寬的峰為孔洞類缺陷，窄而細(xì)的峰為裂縫類缺陷。

1.1.2 超聲波檢測系統(tǒng)

當(dāng)管道內(nèi)腐蝕出現(xiàn)時壁厚整體減薄的情況時，測

試方法參照均勻壁厚檢測方法。當(dāng)管道內(nèi)出現(xiàn)坑點腐蝕時，分以下兩種情況判斷管道壁厚減薄情況[11-13]。

(1) 當(dāng)探頭檢測到內(nèi)壁很淺的小點坑時(深度

(2) 當(dāng)探頭檢測到小于探頭聲束面積的內(nèi)壁很深腐蝕點坑(深度>T0/4)時，即裂紋時，因點坑處的表面波A′已在B1后(見圖2(b))，需要通過相位及一些特殊相關(guān)算法，識別A′、B2的回波，然后計算管壁厚度，得出管壁裂紋的深度。

1.2 壁厚檢測系統(tǒng)的研制

1.2.1 電磁渦流檢測

電磁渦流檢測技術(shù)發(fā)展至今已從傳統(tǒng)電磁渦流檢測技術(shù)發(fā)展為多頻渦流檢測技術(shù)、遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)和脈沖渦流檢測技術(shù)等[14-16]；渦流檢測信號的處理技術(shù)結(jié)合著信號和信息處理技術(shù)的發(fā)展，由單頻信號變化分析向阻抗平面分析技術(shù)、差分信號處理技術(shù)和陣列信號處理技術(shù)發(fā)展。本研究的電磁渦流內(nèi)檢測機(jī)器人總共有1個主探測傳感器和2個輔助探測傳感器，如圖3所示。它主要采用內(nèi)插式自感式線圈，發(fā)射線圈和接收線圈在一個繞組上制作，減少了其他模式探頭的偽峰的產(chǎn)生，制作簡單，模型建立相對容易，比較適應(yīng)長慶油田小管道多彎頭的檢測。主探測傳感器主要根據(jù)接收到的感生電動勢去判斷管壁的壁厚、腐蝕情況。主探測傳感器一共采集5條壁厚腐蝕曲線，然后根據(jù)曲線的形狀、特性去判斷曲線類型、深度等信息，它的精度可以達(dá)到0.3 mm。輔助探測傳感器采用2個相互垂直的探頭，并且都跟主探測傳感器垂直，每個輔助探測傳感器采集3條壁厚腐蝕曲線，分別從不同的角度驗證主探測傳感器測量的結(jié)果。

1.2.2 超聲波檢測

如圖4所示，由于均勻腐蝕面積大大超過探頭的聲束面積，超聲波探頭在腐蝕區(qū)域內(nèi)只接收到腐蝕區(qū)表面波信號A和底波信號B?？筛鶕?jù)接收的回波信號正確地計算出管道的壁厚值。輸油管道腐蝕部位可能發(fā)生在管壁外表面，也可能在管壁內(nèi)表面。超聲波腐蝕檢測機(jī)器人檢測時，探頭都垂直于管道內(nèi)壁沿軸向方向以速度v前進(jìn)。 在前進(jìn)過程中不斷發(fā)射超聲波脈沖測量油程L和厚度T。當(dāng)超聲探頭到達(dá)內(nèi)表面均勻腐蝕部位時，管壁厚度減少，探頭與內(nèi)管壁間距離增大；當(dāng)探頭前進(jìn)到管壁的外表面缺陷時,管壁厚度減少，但探頭與內(nèi)管壁間距離沒有變化?？衫肔和T的變化判斷缺陷到底是內(nèi)缺陷還是外缺陷。

1.3 檢測機(jī)器人功能特點

1.3.1 電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測機(jī)器人

電磁渦流檢測機(jī)器人由勻量動力水推動沿管道行進(jìn)，渦流傳感器產(chǎn)生的強(qiáng)磁場在管壁形成對應(yīng)磁力線，當(dāng)管壁存在缺陷時，磁力線會出現(xiàn)相應(yīng)畸變，同時傳感器將畸變信號記錄下來。檢測完成后，從機(jī)器人下載數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件進(jìn)行判讀，形成相應(yīng)波形曲線。將管道腐蝕、壁厚減薄甚至盜油孔等隱患進(jìn)行檢測、定位，為后續(xù)管道的安全使用提供一個清晰而科學(xué)的判據(jù)。

圖5為電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測機(jī)器人的樣機(jī)，具體包括傳感器單元、數(shù)據(jù)分析單元、電池單元、里程記錄，該檢測機(jī)器人，可用于Φ89 mm、Φ114 mm、Φ133 mm管徑的腐蝕檢測，可以通過4D彎頭。

1.3.2 超聲波內(nèi)腐蝕檢測機(jī)器人

超聲波內(nèi)腐蝕檢測機(jī)器人(見圖6)，同樣依靠勻量動力水推動沿管道行進(jìn)。在行進(jìn)過程中，超聲波傳感器不斷發(fā)出超聲波信號，對輸油管道進(jìn)行全程檢測和數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)超聲波測距數(shù)據(jù)確定管壁缺陷數(shù)值，同時由內(nèi)置的三軸加速度計傳感器記錄探頭位移數(shù)據(jù)，并確定缺陷在管道上的位置。檢測完成后，從機(jī)器人下載數(shù)據(jù)，再通過上位機(jī)軟件進(jìn)行判讀，形成相應(yīng)波形曲線。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2018年9月，在長慶油田選取了長度為2.97 km，管徑為Φ114 mm，壁厚為4.5 mm的管線進(jìn)行了檢測試驗，檢測用時6小時13分，檢測曲線如圖7所示。結(jié)果顯示，該段管線基本上無明顯腐蝕，其基本厚度都在4 mm以上，但輕微的坑點腐蝕現(xiàn)象較為普遍，個別地方有0.5～1.0 mm的腐蝕坑點。每根管道相互之間的厚度有差別，基本為0.5 mm左右腐蝕，管線的整體壁厚為4.0～4.5 mm。此外，準(zhǔn)確檢測到了多處由于法蘭或推力制動樁等造成的管線壁厚陡然增加信號，進(jìn)一步驗證了內(nèi)檢測機(jī)器人的靈敏度和準(zhǔn)確性。

缺陷分析發(fā)現(xiàn)，0～149 m處，焊縫比較明顯，每根管線清晰可見。其中：坐標(biāo)22.3 m處異常，長度1 m左右，厚度比周圍厚1 mm左右，類似于法蘭連接，其他地方尚無明顯缺陷；坐標(biāo)327～608 m處，焊縫比較明顯，每根管線清晰可見；坐標(biāo)338～348 m處異常，長度10 m左右，類似于法蘭連接；坐標(biāo)567～580 m處異常，長度13 m左右，類似于法蘭連接；坐標(biāo)420～431 m處異常，長度11 m左右，有大致1 mm的腐蝕。

對坐標(biāo)22.3 m異常處進(jìn)行了開挖驗證，發(fā)現(xiàn)此處為管線推力制動樁，導(dǎo)致管線壁厚增加，與分析結(jié)果一致。 坐標(biāo)420～431 m處，現(xiàn)場開挖斷管、剖片后，可見管線內(nèi)壁腐蝕點明顯。經(jīng)超聲波測厚儀測量，最嚴(yán)重坑點處實際剩余厚度為3.2 mm，與檢測分析得出的數(shù)據(jù)基本一致。

運用電磁渦流原理完成了2條共6.2 km舊管道的內(nèi)腐蝕檢測任務(wù)，完整獲取了管道電磁渦流的波形曲線，對應(yīng)發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕狀況及缺陷信息；檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場開挖驗證比對，管道實際腐蝕狀況與曲線波形判斷吻合，驗證了電磁渦流技術(shù)在管道內(nèi)腐蝕檢測的可行性。

通過對上述2條管線進(jìn)行管道內(nèi)腐蝕缺陷檢測，基本可以判定被測管道的腐蝕缺陷情況較為嚴(yán)重，腐蝕缺陷的表現(xiàn)主要為全線大面積坑點腐蝕，其中有3處1級腐蝕，須立即維修更換，但未發(fā)現(xiàn)穿孔腐蝕；建議使用壽命為3年以上的管道，每年進(jìn)行一次內(nèi)腐蝕檢測，可預(yù)估管道使用壽命，消除原油泄露安全隱患；進(jìn)行在用管線不停輸狀態(tài)下的內(nèi)腐蝕檢測試驗，推進(jìn)電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測在輸油管道安全檢查的應(yīng)用。

3 結(jié)語

通過對電磁渦流信號和超聲波信號的研究，研發(fā)了電磁渦流內(nèi)腐蝕檢測機(jī)器人，并成功應(yīng)用于管道的腐蝕檢測,同時完成了超聲波檢測的可行性方案和超聲波腐蝕檢測機(jī)器人樣機(jī)的裝配調(diào)試。本研究結(jié)合了渦流技術(shù)和長慶油田管道現(xiàn)狀，在小型化的基礎(chǔ)上增加了柔性短節(jié)和封水皮碗，在利用水或者原油做動力的情況下實現(xiàn)DN80和DN100管道、多彎頭管道的內(nèi)腐蝕檢測。檢測人員可直觀看出每條管道中的缺陷，能快速統(tǒng)計出管道的使用情況。如果能夠每年檢測一次，通過數(shù)據(jù)庫的對比，就可以判斷出管線的腐蝕速率和剩余使用年限，對于管道的安全使用具有指導(dǎo)意義。