孫艷彬，梁思維

(陜西省天然氣股份有限公司 陜西 西安 710016)

0 引 言

管道內(nèi)檢測是指利用在管道內(nèi)運行的可實時采集并記錄管道信息的檢測器所完成的檢測，也叫智能檢測、智能清管，是管道完整性管理工具之一。新建管道應在投產(chǎn)后3 a內(nèi)進行首次內(nèi)檢測(也稱基線檢測)，可作為管道驗收的依據(jù)，也可獲取管道原始信息，為后期管道運行管理提供基礎數(shù)據(jù)。再檢測間隔根據(jù)內(nèi)檢測及完整性評價結果確定，最長不應超過8 a，可根據(jù)管道運行年限、運行環(huán)境、防腐層損壞程度等影響因素適當縮短檢測周期。周期性的內(nèi)檢測可以掌握管道缺陷的分布和變化規(guī)律，制定科學合理的檢修計劃[1-3]，為管道安全運行提供依據(jù)。為了研究漏磁檢測技術在天然氣管道中的應用，以咸陽-寶雞天然氣輸氣管道(以下簡稱“咸寶線”)內(nèi)檢測作業(yè)為例，從前期準備工作、漏磁檢測法的應用、檢測數(shù)據(jù)處理、檢驗結果驗證4個方面對漏磁檢測技術全過程進行分析研究。

1 前期準備工作

檢測前檢測服務方對咸寶線管道建設、維修及維護情況進行了全面細致的現(xiàn)場勘察，充分了解管道的物理特性，包含管道規(guī)格及材質(zhì)、收發(fā)球筒適用性、清潔程度及有無內(nèi)涂層等；了解輸送流體的特性，包含管道運輸流體類型、壓力、溫度、流量等。檢測服務方根據(jù)勘察結果和檢測要求從檢測精度和能力、靈敏度、目標缺陷類型識別能力、量化精度、定位精度及評價要求等多方面考慮選擇確定了檢測器，并明確提出檢測器運行的各項工藝要求?？辈爝^程中如果發(fā)現(xiàn)不滿足檢測器通過性能指標的管道及附屬設施，檢測服務方應提出改造意見，或?qū)z測器進行改造，使得檢測器滿足要求[4]。經(jīng)過對咸寶線勘察后發(fā)現(xiàn)咸寶線除運行工藝條件需調(diào)整外，其他方面均滿足檢測器運行要求，我公司通過調(diào)整干支線連接狀態(tài)、管道下載量等多種方式使咸寶線工藝條件滿足檢測器運行要求。

2 漏磁檢測法的應用

2.1 檢測前清管作業(yè)

內(nèi)檢測作業(yè)前，由于管道內(nèi)部狀況尚不清楚，會使運行檢測器存在很多不確定因素。天然氣長輸管道中的黑粉會導致管道內(nèi)徑減少、摩阻力增大，造成檢測器卡堵、偏磨，而黑粉覆蓋檢測器探頭會造成檢測精度降低；管道建設時施工不規(guī)范、管道管件制造不達標、運行過程中第三方施工導致管道變形等情況都會影響檢測器通過，造成檢測器卡堵甚至損傷。因此，在投運檢測器前需利用清管器清除管道內(nèi)黑粉等雜質(zhì)，通過清管器在管道內(nèi)運行狀況的分析、運行前后數(shù)據(jù)的對比、磨損部位和程度的判斷，初步了解管道內(nèi)部狀況，為保障檢測器順利運行、檢測數(shù)據(jù)完整可靠提供保障[5-6]。

2.1.1 投運通過能力強的清管器

每條管道運行年限、輸氣量、氣質(zhì)等情況各不相同，選擇的清管器類型和清管次數(shù)也有所不同，但首次清管一般使用通過性能高、不宜造成卡堵的清管器，以便初步判斷管道清潔度以及通過能力。為了保險起見，咸寶線采用先運行泡沫清管器，再運行該線路常用的皮碗清管器的方式，通過清管初步判斷管道內(nèi)沒有大量變形等影響清管器通過的情況，但黑粉量較大。

2.1.2 投運鋼刷磁力清管器

初步確認管道通過能力后，需要清除管道內(nèi)雜質(zhì)使管道內(nèi)清潔度達到漏磁檢測器運行要求，可以通過鋼刷清管器刮除附著在管壁上的雜質(zhì)，利用磁力清管器吸附管道內(nèi)鐵磁性雜質(zhì)。為了提高清管效率，咸寶線采用的是將鋼刷清管器與磁力清管器結合的方式一次性完成刮除和吸附，但如果是有內(nèi)涂層的管道則需用尼龍刷替換鋼刷，防止鋼刷損傷管道內(nèi)涂層。

2.1.3 投運測徑清管器

在漏磁檢測前至少需投運一次帶測徑板的清管器，測徑板的直徑不應小于檢測器的最小通過直徑，通過測徑板損傷情況，及時分析損傷原因，進一步判斷管道通過能力[7-8]。咸寶線通過測徑清管器判斷出可能存在影響檢測器通過的情況，但影響因素有很多種，可能是管道變形、閥門閥位不正、干線放空管伸入量過大等原因，可投運幾何變形檢測器精準定位并進一步分析。

2.2 幾何變形檢測器

投運幾何變形檢測器費用較高，但可避免盲目投運漏磁檢測器帶來的風險，為了保證漏磁檢測作業(yè)順利進行同時獲得管道幾何變形缺陷數(shù)據(jù)，我公司決定在咸寶線漏磁檢測作業(yè)前投運幾何變形清管器進一步了解管道內(nèi)部狀況。幾何變形檢測器不僅能精確定位管道變形的部位、時鐘方位，同時可以測得管道的幾何參數(shù)，如曲率半徑、橢圓度、凹陷程度等，以及管道內(nèi)介質(zhì)的操作數(shù)據(jù)，如流速、壓力、溫度等，為后續(xù)漏磁檢測提供了必要的保障。

幾何變形檢測器的主體結構同其清管器的主體結構相同，只是增加了測量裝置、電子儀器、記錄儀器和里程表，多個渦流記錄通道和額外的電子機械距離記錄通道，可做到360°圓周覆蓋，如圖1所示，其中白色箭頭表示檢測器運行方向，紅色箭頭表示渦流記錄通道，避免檢測器被管道內(nèi)的雜質(zhì)干擾，可提供準確的測量數(shù)據(jù)。

圖1 幾何變形檢測器工作原理示意圖

幾何變形檢測器通過管道的某一個特征點時，一個特定的信號就會產(chǎn)生，檢測服務方對各種特征進行分類記錄，通過計算對其進行區(qū)分、辨別，確定缺陷信息。

咸寶線通過運行幾何變形檢測器獲取了管道幾何變形缺陷數(shù)據(jù)，沒有影響漏磁檢測器通過的變形缺陷，同時判斷出導致測徑清管器變形的原因是沿線一個干線閥門閥位不正，檢測結果顯示該閥門開位有5°左右偏差，根據(jù)檢測結果對閥門限位進行調(diào)整后再次運行測徑清管器測，測徑板無損傷變形情況，分析后認為可以投運漏磁檢測器。

當然，如果管道彎頭和內(nèi)徑信息可靠，且完整性管理評價不需要實施變形評價，可使用帶測徑板的清管器或模擬器代替變形檢測器。通過將清管器按照檢測器尺寸進行改造或投運退役的檢測器模擬檢測所需工況條件，同時可在模擬器上安裝管道數(shù)據(jù)記錄器(PDL)記錄模擬器運行信息，通過對運行結果分析調(diào)整運行工況，并有針對性的對檢測器進行改造。

2.3 漏磁檢測器

投運清管器、幾何變形檢測器最終目的是實施漏磁檢測，漏磁檢測是內(nèi)檢測作業(yè)最后、也是最核心的步驟。咸寶線通過一系列的清管作業(yè)使管道內(nèi)清潔度達到了運行漏磁檢測器的要求，通過投運幾何變形檢測器確定了管道變形狀況，處理了影響漏磁檢測器通過的因素，達到了漏磁檢測器的運行要求。

漏磁檢測是基于磁通量泄漏的工作原理，在管壁的金屬損失處會引起磁通量泄漏到管壁外面，這些泄漏的磁通量可被傳感器檢測到[9-10]，作為管道金屬損失缺陷分析的特征信號，如圖2所示，可精準地檢測并定位管道金屬損失缺陷。另外，漏磁檢測器需要配合地面標記器一同使用，以便更加精準的定位特征信號，而檢測結果也需要專業(yè)人員和軟件進一步分析獲取。

圖2 漏磁檢測器工作原理示意圖

通過漏磁檢測發(fā)現(xiàn)咸寶線存在多處金屬損失缺陷，但檢測結果是否準確、缺陷處置方案的制定需要通過開挖驗證后確認，通過開挖咸寶線多處缺陷點對比缺陷類型、特征、位置等特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)檢測報告數(shù)據(jù)與現(xiàn)場開挖驗證結果基本一致，誤差在允許范圍，進一步驗證了漏磁檢測技術的可靠性，為后續(xù)制定管道維護計劃、確定再檢測周期提供了依據(jù)，避免因缺陷未及時發(fā)現(xiàn)帶來的安全風險。

2.4 地面標記器

地面標記器是檢測器的配套設備之一，也是檢測器提高定位精度的主要輔助設備，它能夠檢測并記錄檢測器通過設標參考點的時間，檢測前應通過地面標記器等坐標工具設標，將檢測器與地面標記器數(shù)據(jù)相結合，對缺陷和特征進行準確定位[11-13]，設標間距宜為1～2 km。因地面標記器通過蓄電池供電，續(xù)航時間有限，為防止因電池電量不足導致的數(shù)據(jù)丟失，咸寶線在檢測時間確定后提前一天開始埋設。

2.5 定位裝置

此外，清管器、檢測器運行過程中，需確認其通過各監(jiān)聽點時間，且運行過程中可能因工藝條件、管道變形等原因引起停球、卡球等現(xiàn)象，為保證能夠隨時檢測到其在管道內(nèi)的運行位置，需配套使用定位裝置。定位裝置包括：帶有接收天線的手持定位儀和安裝在清管器、檢測器上的信號發(fā)射裝置。檢測定位裝置基于一個安裝在清管或檢測設備上能夠發(fā)出低頻脈沖的電磁發(fā)射器，將脈沖信號透過管壁發(fā)射到手持定位儀上，如圖3所示，來實現(xiàn)定位功能，手持接收器可記錄清管器、檢測器運行通過時間，借助于設備內(nèi)置接口可以將存儲的數(shù)據(jù)傳到電腦上，以便更直觀的觀察檢測器的運行情況。

圖3 定位裝置工作原理示意圖

3 檢測數(shù)據(jù)處理及檢測報告

3.1 檢測數(shù)據(jù)完整性

檢測器運行后，傳感器的物理損壞、通道數(shù)據(jù)丟失或噪聲覆蓋，以及運行速度等都可能造成檢測數(shù)據(jù)丟失，故內(nèi)檢測作業(yè)完成后首先要確認檢測數(shù)據(jù)的完整性，各通道信號應清晰、完整，地面標記器數(shù)據(jù)應健全，然后對檢測數(shù)據(jù)進行預處理，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整，且影響檢測結果有效性的情況，應根據(jù)數(shù)據(jù)缺失情況安排進行再檢測。由于咸寶線在檢測作業(yè)前做了充分的準備工作，檢測作業(yè)過程開展順利，數(shù)據(jù)完整健全。

3.2 檢測數(shù)據(jù)預處理

應在現(xiàn)場完成檢測數(shù)據(jù)預處理，如變形量超過管道外徑5%的幾何變形缺陷的相關信息、金屬損失大于管道公稱壁厚50%以上的金屬損失缺陷的相關信息等，并根據(jù)預處理結果出具現(xiàn)場報告[14]。經(jīng)過對咸寶線數(shù)據(jù)進行預處理，雖然該管線已運行近20 a，但管道狀態(tài)較好，未出現(xiàn)超過管道外徑5%的幾何變形缺陷和金屬損失大于管道公稱壁厚50%以上的金屬損失缺陷。

3.3 檢測報告

經(jīng)過檢測服務方對數(shù)據(jù)進行計算分析提供了最終檢測報告，報告中包含缺陷點特征的類型、尺寸、時鐘方位、里程位置等具體信息及分布圖，如圖4所示(其中FLOW代表介質(zhì)流向；OD代表管道外徑；looking d/s看向下游的時鐘界面圖，d—down，s—stream)，以及管道長度、壁厚、走向等基礎信息，沒有發(fā)現(xiàn)信息缺失，如已知的閥門或大內(nèi)徑三通等特征遺漏或沒有記錄，則需根據(jù)數(shù)據(jù)缺失情況判斷是否需要重新運行檢測器。

圖4 缺陷點特征信息示意圖

咸寶線管道整體狀況較好，缺陷多為金屬損失缺陷，但實際上內(nèi)檢測可以檢測出多種缺陷，常見缺陷主要有金屬損失缺陷(包括外腐蝕、內(nèi)腐蝕、劃痕等)、類裂紋缺陷(包括應力腐蝕開裂、疲勞裂紋、氫致裂紋等)、變形(凹陷、鼓脹、橢圓度等)以及各種部件(包括閥門、配件、彎頭等)。圖5是典型的信號樣本，它代表了管道的某種特征，其中：橫坐標是記錄里程；縱坐標是不同時鐘方位傳感器通道記錄的數(shù)據(jù)。

圖5 典型信號樣本

4 檢測結果驗證和利用

4.1 結果驗證

根據(jù)管道運行狀況、管線長度、場站(閥室)間距、缺陷點分布情況、地理位置條件等，在檢測報告中選擇合適的缺陷點進行開挖驗證、測繪，每個場站(閥室)間距驗證點宜為2個，每條管道的驗證點應不少于5個[14]，咸寶線選擇了10處缺陷點進行開挖驗證。通過檢測報告中缺陷點的里程位置、參考樁、距目標環(huán)焊縫距離、時鐘位置等確定缺陷位置，對缺陷進行測量，將現(xiàn)場實測結果與檢測結果進行對比，如圖6所示，其中圖6(a)橫坐標代表記錄里程；第一個縱坐標代表距12:00方向周向距離；第二個縱坐標代表時鐘方位；FLOW代表介質(zhì)流向。對缺陷修復后防腐、回填[15]，并由檢測服務方出具缺陷評價報告，明確提出修復意見及再檢測周期。

圖6 檢測缺陷信號與現(xiàn)場開挖驗證結果對比

4.2 缺陷修復

開挖驗證后對嚴重缺陷需進行修復，通常采用堆焊、補丁、套筒、夾具、復合材料等方式對缺陷進行修復，使管道重新達到設計承壓能力，有效防止管道事故的發(fā)生，保證管道的安全平穩(wěn)運行[16]。通過對各種修復補強從安全風險、補強效果、施工工藝、維修成本及服役壽命等方面進行綜合對比，咸寶線有2處嚴重缺陷采用了碳纖維復合材料進行修復補強，不僅可以使管道恢復正常使用條件，而且減少了換管帶來的社會影響和氣量損失，其余缺陷根據(jù)檢驗結果確定再檢測周期。

4.3 數(shù)據(jù)對比分析

隨著管道完整性管理的全面開展，部分天然氣長輸管道已開展過多輪次內(nèi)檢測，但不同輪次的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)應進行關聯(lián)對比，使管道內(nèi)檢測缺陷評價、維修計劃制定、再檢測周期確定等更加科學準確，充分利用其數(shù)據(jù)作為管道完整性管理的重要依據(jù)[17]。對于管道運營方而言，不應將查找并修復影響管道完整性的本體缺陷作為唯一目的，還應全面掌握缺陷的成因、發(fā)展趨勢以及如何終止或者減緩缺陷的增長[18-19]。

5 結束語

管道內(nèi)檢測作為管道完整性管理的重要手段，應依據(jù)規(guī)范要求全面開展管道內(nèi)檢測，并建立數(shù)據(jù)庫，充分利用檢測數(shù)據(jù)。但目前檢測器受管道物理特性和輸送流體特性等限制，導致早期建設的管道或流量過小的管道很難進行內(nèi)檢測，相信通過檢測技術的廣泛應用和發(fā)展，可以研制出適用各種檢測條件的檢測設備。