白港生，李衛(wèi)全，馬寧，王馨饒，于超

（中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司 管道檢測(cè)技術(shù)研究所，河北 065000）

我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道總里程已超過(guò)130 000 km，長(zhǎng)輸油氣管道的安全運(yùn)營(yíng)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。管道安全已引起了業(yè)界的高度關(guān)注，如何保障管道的安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成為非常重要的課題。為避免管道事故發(fā)生，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)油氣管道開(kāi)展清管、變形、腐蝕、裂紋、管道走向等基于管道內(nèi)檢測(cè)的完整性管理是當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)各大管道公司確保管道安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段[1-4]。

1 變形檢測(cè)

變形檢測(cè)是管道內(nèi)檢測(cè)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，它的應(yīng)用表現(xiàn)在三個(gè)不同的檢測(cè)窗口期。一是新建管道進(jìn)行介質(zhì)投產(chǎn)前的管道通徑和驗(yàn)收檢測(cè)：目的是在新建管線全線聯(lián)通后且投產(chǎn)前，利用壓縮空氣或水作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行管道變形檢測(cè)，判斷新建管道是否有超過(guò)驗(yàn)收規(guī)定的變形，便于在投產(chǎn)前進(jìn)行維修，否則一旦投產(chǎn)后就只能在線封堵維修，費(fèi)用將大幅增加[5-7]。二是在役管道的在線變形檢測(cè)：管道運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，業(yè)主發(fā)現(xiàn)管道運(yùn)行壓力增加，輸送管容下降，則需要通過(guò)清管及變形檢測(cè)來(lái)疏通管道，查找管道變形點(diǎn)并維修，以增大管道介質(zhì)輸送效率[8-12]。三是在役管道在投運(yùn)腐蝕檢測(cè)器前的變形檢測(cè)：目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛和成熟的內(nèi)腐蝕檢測(cè)工具是漏磁腐蝕檢測(cè)器，由于采用漏磁原理，為了磁化管道壁厚需要攜帶永磁體、鐵芯和鋼刷形成磁回路，因此磁鐵節(jié)直徑較大，通過(guò)能力比變形檢測(cè)器弱很多，如表1所示。因此，漏磁腐蝕檢測(cè)器在發(fā)送前必須要發(fā)送變形檢測(cè)器，以便檢測(cè)管道的實(shí)際變形，作為是否繼續(xù)發(fā)送腐蝕檢測(cè)器的條件。一旦有接近或超過(guò)腐蝕檢測(cè)器通過(guò)能力允許的變形量，就需要對(duì)管道進(jìn)行改造，減少卡堵風(fēng)險(xiǎn)[13]。

管道走向的中心線信息是管道完整性管理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)在管道檢測(cè)器上搭載慣性測(cè)量單元（IMU），就可獲得管線中心線的位置，位移情況，進(jìn)行管線的應(yīng)變分析；對(duì)管道發(fā)生彎曲變形及變化的區(qū)域進(jìn)行跟蹤和評(píng)價(jià)；對(duì)不同地域的管線進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控，保障管線的安全運(yùn)營(yíng)。將此數(shù)據(jù)與GIS（地理信息系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）等數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)管道的數(shù)字化、可視化管理，符合當(dāng)前數(shù)字化管道建設(shè)的理念。我國(guó)大部分老管道以及相當(dāng)一部分新建管道未實(shí)施過(guò)精確的管道走向測(cè)繪檢測(cè)，加之管道改造和人員流動(dòng)，造成管道信息大量流失，管理人員只知道管道的大概位置與走向，這給管道事故的預(yù)防與維修維護(hù)帶來(lái)了極大不便。另外，一些山區(qū)管道，由于地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)烈，如滑坡、水毀、沉降、崩塌、泥石流、地震等，多會(huì)引起管道發(fā)生位移或者彎曲。產(chǎn)生較大彎曲變形及應(yīng)力集中，若發(fā)生位移的管段存在焊縫質(zhì)量缺陷、管體缺陷，即可能形成二次影響，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管道斷裂或者應(yīng)力集中開(kāi)裂，從而影響管道正常安全運(yùn)行，對(duì)人們生活、財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損失[14-18]。

表1 漏磁腐蝕檢測(cè)器與變形檢測(cè)器的通過(guò)能力對(duì)比Table 1 Comparison of passing capacity between MFL corrosion detector and deformation detector

2 檢測(cè)器研制

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

搭載IMU 的管道高精度變形檢測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由設(shè)備骨架、驅(qū)動(dòng)皮碗、變形探頭系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、IMU 及采集處理系統(tǒng)等部件組成。

2.2 功能模塊描述

圖1 搭載IMU 的變形檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of deformation detector equipped with IMU

（1）驅(qū)動(dòng)皮碗：由聚氨酯彈性體澆注而成，皮碗外緣緊密接觸管道內(nèi)壁，在介質(zhì)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生壓差驅(qū)動(dòng)設(shè)備前進(jìn)。

（2）骨架：鋼制材料的焊接組合體，連接和承載設(shè)備的各個(gè)功能單元。

（3）標(biāo)記系統(tǒng)：變形檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，需要在管道地面每1 千米進(jìn)行跟蹤和標(biāo)記，以便檢測(cè)特征和變形缺陷的定位。

（4）探頭系統(tǒng)：采用高精度的傳感器，高密度的周向探頭布置，形成高精度變形探頭系統(tǒng)。

（5）電源系統(tǒng)：采用高能量鋰電池組，給系統(tǒng)和探頭提供供電電源。

（6）IMU 及采集處理系統(tǒng)：將IMU 集成到電氣系統(tǒng)中，包括信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

（7）外部信息采集傳感器：搭載有壓力、壓差、溫度等傳感器，采集介質(zhì)信息，便于集成數(shù)據(jù)的綜合分析。

（8）里程輪系統(tǒng)：記錄設(shè)備運(yùn)行的里程，一般搭載3 組里程輪，根據(jù)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，保證里程采集準(zhǔn)確性。

2.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

2.3.1 高精度變形探頭系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)原理：采用高精度的磁敏傳感器感應(yīng)探頭臂沿管道徑向上的起伏變化。在探頭臂的轉(zhuǎn)軸中心布置周向充磁磁場(chǎng)的磁鐵，探頭的高低變化帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸中心的磁鐵周向旋轉(zhuǎn)，從而磁敏傳感器采集磁鐵周向磁場(chǎng)變化量信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件便可以識(shí)別和量化管道特征及變形缺陷。

與傳統(tǒng)的變形探頭系統(tǒng)相比，本次研發(fā)的復(fù)合變形檢測(cè)器探頭系統(tǒng)具有高精度、高密度的特點(diǎn)。單個(gè)探頭結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，探頭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新度高，將高精度的磁敏傳感器置于結(jié)構(gòu)中間，而不是底座的側(cè)面，這種結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在寬度尺寸上大幅減小，使得探頭周向布置的空間需求更小。探頭與管道壁的接觸件摒棄了以往結(jié)構(gòu)的鋼件噴耐磨涂層結(jié)構(gòu)，而是采用非金屬的滾輪，大大減少了與管道的磨損。

圖2 單個(gè)探頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of single probe

采用這種高精度探頭結(jié)構(gòu)，φ1 219 mm 高精度變形檢測(cè)器在周向上可以布置80 個(gè)探頭，并能通過(guò)直管段20%DO的變形。圖3 為高精度高密度探頭陳列系統(tǒng)在管道內(nèi)壁的狀態(tài)，以及直管段縮徑20%DO的狀態(tài)。

2.3.2 融合IMU 的電子系統(tǒng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

圖3 高精度高密度探頭系統(tǒng)周向陣列布置示意圖Fig.3 Circumferential array layout of high precision and high density probe system

在高精度變形檢測(cè)器設(shè)備上搭載IMU 單元，以實(shí)現(xiàn)管道變形缺陷檢測(cè)的同時(shí)，完成對(duì)管道地理位置以及偏移軌跡的檢測(cè)。檢測(cè)到管道的三維相對(duì)位置坐標(biāo)，再通過(guò)地面參考點(diǎn)GPS 坐標(biāo)加以修正，得到管道中心線坐標(biāo)后，即可有效識(shí)別由于環(huán)境因素等誘發(fā)的管道變形和管道位移，評(píng)估管道的曲率以及與曲率變化相關(guān)的彎曲應(yīng)變。同時(shí)，將慣性測(cè)繪獲得的位置參數(shù)與變形檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，能夠計(jì)算出各種管道變形缺陷及管道特征的GPS 坐標(biāo)，從而極大地方便管道維修方案的制定與開(kāi)挖定位，提高維修效率，節(jié)省維修費(fèi)用。

在變形電子采集處理系統(tǒng)中，將小型化的IMU進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，高度集成變形及IMU 模塊，融合壓力、壓差、變形、里程及中心線等多數(shù)據(jù)的采集、通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理等，研發(fā)集成化的電子處理系統(tǒng)，如圖4 所示。通過(guò)一次檢測(cè)可以同時(shí)采集變形數(shù)據(jù)和管線位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)齊，避免由于時(shí)鐘同步產(chǎn)生的誤差。

2.4 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

圖4 融合IMU 的集成化電子處理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Integrated electronic processing system framework with IMU

搭載IMU 的φ1 219 mm 高精度變形檢測(cè)器技術(shù)指標(biāo)如表2。

3 測(cè)試試驗(yàn)

表2 φ1 219 mm 高精度變形檢測(cè)器技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of φ1 219 mm high precision deformation detector

3.1 高精度探頭測(cè)試

高精度變形探頭在直徑2 m 的耐磨損旋轉(zhuǎn)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了超過(guò)350 km 的疲勞試驗(yàn)，非金屬滾輪結(jié)構(gòu)的耐磨損性能得到很好的驗(yàn)證。另外，在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，還設(shè)置了人工模擬變形塊，測(cè)試高精度變形探頭的變形檢測(cè)能力。

3.2 牽拉測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)牽拉管道：螺旋管，外徑φ1 219 mm，不包括進(jìn)口管和出口管，牽拉有效管線長(zhǎng)度83.18 m。牽拉管道由8 節(jié)管道通過(guò)法蘭連接而成，具體布管如圖5 所示。

在管3 的管道內(nèi)布置有2 處人工預(yù)制的凹陷變形，分別為1%DO凹陷，2.5%DO凹陷。

將設(shè)備裝入牽拉管道，分別以1 m/s、3 m/s、5 m/s 三種速度進(jìn)行3 次牽拉試驗(yàn)。牽拉試驗(yàn)完成后，讀取牽拉數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到變形缺陷的牽拉數(shù)據(jù)報(bào)告，如表3 所示。

圖5 φ1 219 mm 變形檢測(cè)器牽拉布管圖Fig.5 Drawing pipeline diagram of φ1 219 mm deformation detector

表3 牽拉試驗(yàn)驗(yàn)證變形技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of deformation verification by pull test

4 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

搭載IMU 的φ1219 mm 高精度變形檢測(cè)器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多段的工業(yè)應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)論

將IMU 與高精度變形檢測(cè)器進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，研制了一套φ1 219 mm 口徑的管道走向+高精度變形的復(fù)合檢測(cè)器，通過(guò)一次投運(yùn)檢測(cè)器，可以得到壓力、壓差、溫度、管道特征、變形缺陷、彎頭大小、管道走向、里程等多種數(shù)據(jù)，結(jié)合多數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析將能更好為管道業(yè)主提供全方位高端化的變形檢測(cè)服務(wù)。牽拉試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，這種研制模式效果良好，正在管道局檢測(cè)公司進(jìn)行系列化的推廣設(shè)計(jì)。