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油气管道检测技术的发展现状及分析比较



 

广西中水管道工程有限公司 覃浩杰



 

摘要:本文介绍了当今国内外较为成熟、先进的管道外检测(涂层检测)和管道内检测(智能检测)技术和方法,并对部分检测方法作了比较,指出了其优缺点。为我国油气管道检测技术的发展提供了建议。



 

关键词:油气管道 外检测 内检测 比较



 

引言



 

管道作为大量输送石油、气体等能源的安全经济的运输手段,在世界各地得到了广泛应用,为了保障油气管道安全运行,延长使用寿命,应对其定期进行检测,以便发现问题,采取措施。



 

1 管道外检测技术



 

管道外检测技术又称为涂层检测技术。埋地管道通常采用涂层与电法保护共同组成的防护系统联合作用进行外腐蚀控制,这2种方法起着一种互补作用:涂层使阴极保护既经济又有效,而阴极保护又使涂层出现针孔或损伤的地方受到控制。该方法是已被公认的最佳保护办法并已被广泛用于对埋地管道腐蚀的控制。



 

涂层检测技术是在对管道不开挖的前提下,采用专用设备在地面非接触性地对涂层综合性能进行检测,科学、准确、经济地对涂层老化及破损缺陷定位,对缺陷大小进行分类统计,同时针对缺陷大小、数量进行综合评价并提出整改计划,以指导管道业主对管道涂层状况的掌握,并及时进行维护,保证涂层的完整性及完好性。



 

国内实施管道外检测技术始于20世纪80年代中期,检测方法主要包括标准管/地电位检测、皮尔逊(Pearson)检测、涂层绝缘电阻测试、管内电流测试等。检测结果对涂层的总体评价起到了重要作用,但在缺陷准确定位、合理指导大修方面尚有较大的差距。近年来,通过世界银行贷款以及与国外管道公司交流,管道外检测设备因价格相对较为便宜,操作较为方便,国外管道外检测技术已广泛应用于国内长输油气管道涂层检测,目前国内管道外检测技术基本上达到先进发达国家水平,在实际工作中应用较为广泛的外检测技术主要包括:标准管/地电位检测、皮尔逊检测、密间距电位测试、多频管中电流测试、直流电位梯度测试。



 

1.1标准管/地电位检测技术(P/S)



 

该技术主要用于监测阴极保护效果的有效性,采用万用表测试接地CU/CuSO4电极与管道金属表面某一点之间的电位,通过电位距离曲线了解电位分布情况,用以区别当前电位与以往电位的差别,还可通过测得的阴极保护电位是否满足标准衡量涂层状况。该法快速、简单,现仍广泛用于管道管理部门对管道涂层及阴极保护日常管理及监测中。



 

1.2皮尔逊检测技术(PS)



 

该技术是用来找出涂层缺陷和缺陷区域的方法,由于不需阴极保护电流,只需要将发射机的交流信号(1000Hz)加载在管道上,因操作简单、快速曾广泛使用于涂层检测中。但检测结果准确率较低,易受外界电流的干扰,不同的土壤和涂层电阻都能引起信号的改变,判断是否缺陷以及缺陷大小依赖于操作员的经验。



 

1.3密间距电位测试技术(CISCIPS)



 

密间距电位检测(Close
Interval Survey)
和密间距极化电位(Close Interval Potential Survey)检测类似于标准管/地电位(P/S)测试法,其本质是管地电位加密测试和加密断电电位测试技术。通过测试阴极保护在管道上的密集电位和密集极化电位,确定阴极保护效果的有效性,并可间接找出缺陷位置、大小,反映涂层状况。该方法也有局限性,其准确率较低,依赖于操作者经验,易受外界干扰,有的读数误差达200300mV



 

1.4 PCM多频管中电流测试



 

多频管中电流法是检测涂层漏电状况的新技术,是以管中电流梯度测试法为基础的改进型涂层检测方法。它选用了目前较先进的PCM仪器,按已知检测间距测出电流量,测定电流梯度的分布,描绘出整个管道的概貌,可快速、经济地找出电流信号漏失较严重的管段,并通过计算机分析评价涂层的状况,再使用PCM仪器的“A”字架检测地表电位梯度精确定位涂层破损点。该方法适于不同规格、材料的管道,可长距离地检测整条管道,受涂层材料、地面环境变化影响小,适合于复杂地形并可对涂层老化状况评级;可计算出管段涂层面电阻Rg值,对管道涂层划分技术等级,评价管道涂层的状况,提出涂层维护方式。采用专用的耦合线圈,还可对水下管道进行涂层检测。



 

1.5直流电位梯度(DCVG)方法



 

该方法通过检测流至埋地管道涂层破损部位的阴极保护电流在土壤介质上产生的电位梯度(即土壤的IR),并依据IR降的百分比来计算涂层缺陷的大小,其优点在于不受交流电干扰,通过确定电流是流人还是流出管道,还可判断管道是否正遭受到腐蚀。1



 

1.6几种测试方法的比较



 

各种涂层缺陷检测技术都是通过在管道上加载直流或交流信号来实现的,不同的仅是在结构上、性能上、功用上的差异。为克服单一检测技术的局限性,综合几种检测方法对涂层缺陷进行检测,可以弥补各项技术的不足。对于有阴极保护的管道,可先参考日常管理记录中的(P/S)测试值,然后利用CIPS技术测量管道的管地电位,所测得的断电电位可确定阴极保护系统效果,在判断涂层可能有缺陷后,利用DCVG技术确定每一缺陷的阴极和阳极特性,最后利用DCVG确定缺陷中心位置,用测得的缺陷泄漏电流流经土壤造成的IR降确定缺陷的大小和严重性,以此作为选择修理的依据。对于未施加阴极保护的管道,可先用PCM测试技术确定电流信号漏失较严重的管段,然后在使用PCM的“A”字架或皮尔逊检测技术精确定位涂层破损点,确定涂层破损大小。PCM测试技术也可用于具有阴极保护的管道,其检测精度略低于DCVG技术。



 

由于所有涂层检测技术均是在管道上施加电信号,因此各种技术均存在一些不足,对某些涂层缺陷无法查找,如部分露管涂层破损处管体未与大地接触,信号因不能流向大地形成回路,只能通过其他手段查找;因屏蔽作用,不适用于加套管的穿越管线;所有技术均不能判定涂层是否剥离。



 

2管道内检测技术



 

管道内检测技术是将各种无损检测(NDT)设备加载到清管器(PIG)上,将原来用做清扫的非智能PIG改为有信息采集、处理、存储等功能的智能型管道缺陷检测器(SMART PIG),通过清管器在管道内的运动,达到检测管道缺陷的目的。早在1965年美国Tuboscopc公司就已将漏磁通(MFL)无损检测(NDT)技术成功地应用于油气长输管道的内检测,紧接着其他的无损内检测技术也相继产生,并在尝试中发现其广泛的应用前景。



 

内检测器按功能可分为用于检测管道几何变形的测径仪、用于管道泄漏检测仪、用于对因腐蚀产生的体积型缺陷检测的漏磁通量检测器、用于裂纹类平面型缺陷检测的涡流检测仪、超声波检测仪以及以弹性剪切波为基础的裂纹检测设备等。下面对应用较为广泛的几种方法进行简要介绍。



 

2.1测径检测技术



 

该技术主要用于检测管道因外力引起的几何变形,确定变形具体位置,有的采用机械装置,有的采用磁力感应原理,可检测出凹坑、椭圆度、内径的几何变化以及其他影响管道有效内径的几何异常现象。



 

2.2泄漏检测技术



 

目前较为成熟的技术是压差法和声波辐射方法。前者由一个带测压装置仪器组成,被检测的管道需要注以适当的液体,泄漏处在管道内形成最低压力区,并在此处设置泄漏检测仪器;后者以声波泄漏检测为基础,利用管道泄漏时产生的2040kHz范围内的特有声音,通过带适宜频率选择的电子装置对其进行采集,再通过里程轮和标记系统检测并确定泄漏处的位置。



 

2.3漏磁通量检测技术(MFL)



 

在所有管道内检测技术中,漏磁通量检测历史最长,因其能检测出管道内、外腐蚀产生的体积型缺陷,对检测环境的要求低,可兼用于输油和输气管道,可间接判断涂层状况,其应用范围最为广泛。由于漏磁通量是一种相对低噪音过程,即使没有对数据采取任何形式的放大,异常信号在数据记录中也很明显,其应用相对较为简单。值得注意的是,使用漏磁通检测仪对管道检测时,需控制清管器的运行速度,漏磁通对其运载工具运行速度相当敏感,虽然目前使用的传感器替代传感器线圈降低了对速度的敏感性,但不能完全消除速度的影响。该技术在对管道进行检测时,要求管壁达到完全磁性饱和。因此测试精度与管壁厚度有关,厚度越大,精度越低,其适用范围通常为管壁厚度不超过12mm。该技术的精度不如超声波的高,对缺陷准确高度的确定还需依赖操作人员的经验。[2,3]



 

2.4压电超声波检测技术



 

压电超声波检测技术原理类似于传统意义上的超声波检测(UT),传感器通过液体藕合与管壁接触,从而测出管道缺陷。超声波检测对裂纹等平面型缺陷最为敏感,检测精度很高,是目前发现裂纹最好的检测方法。但由于传感器晶体易脆,传感器元件在运行管道环境中易损坏,且传感器晶体需通过液体与管壁保持连续的祸合,对耦合剂清洁度要求较高。因此仅限于液体输送管道。



 

2.5电磁声波传感检测技术(EMAT)



 

超声波能在一种弹性导电介质中得到激励,而不需要机械接触或液体耦合。这种技术是利用电磁物理学原理以新的传感器替代了超声波检测技术中的传统压电传感器。当电磁声波传感器在管壁上激发出超声波能时,波的传播采取以管壁内、外表面作为“波导器”的方式进行,当管壁是均匀的,波沿管壁传播只会受到衰减作用;当管壁上有异常出现时,在异常边界处的声阻抗的突变产生波的反射、折射和漫反射,接收到的波形就会发生明显的改变。由于基于电磁声波传感器的超声波检测最重要的特征是不需要液体耦合剂来确保其工作性能。因此该技术提供了输气管道超声波检测的可行性,是替代漏磁通检测的有效方法。



 

2.6超声波(UT)检测和漏磁通量(MFL)检测分析比较



 

超声波(UT)检测和漏磁通量(MFL)检测是当前世界上最常用的两种油气管道管内智能检测技术。这两种技术都是很好的管内检测技术,采用其中哪一种方法都会使管道作业者受益。但由于所要检测的管道情况各不相同,对于究竟采用何种检测技术较为适用的问题,则取决于很多因素。归纳起来,有以下三点:1.所检测管道的特点(包括管壁厚度,管径变化和是否为双径管,是不锈钢还是包覆管或是无缝管)2.是否有特种缺陷(包括叠层和砂眼,极小的蚀坑,沟槽状腐蚀,环焊缝裂纹,打磨造成的金属损失,对新管道的基准测量)3.管道运行条件(MFLUT两种检测技术适用的不同运行速度是:对MFL来说为0.35m/s,而对UT来说则为0.11m/s)

   
首先,应该懂得MFLUT两种检测技术的特性。MFL技术是测量漏磁磁场的一种检测方法,其所检测的磁场强度和磁场延伸范围均取决于缺陷的深度及其延伸范围,但所检测的磁场强度和延伸范围也取决于诸如缺陷形状、壁厚、磁化作用、磁化性能和磁化速度等其它一些因素。将所要测量的磁场换算成缺陷尺寸的计算方法,则是基于缺陷-尺寸的测量模型和经验,而且还必须考虑到许多二次影响的作用。

   
第一代MFL技术的测量结果极不令人满意。英国天然气公司和PII公司先后都开发出了一些先进的电子设备、解析算法和软件,从而制定出了一些新的工业标准。测量缺陷深度现已有了高精度的方法(80%的置信度下为壁厚的10%)

   
超声被检测技术在PII公司已被广泛采用。只要钢表面光滑,UT技术的缺陷深度检测精度即可达到0.1mm。检测精度在很大程度上取决于管壁表面的粗糙度。

   
一般来说,就缺陷深度的测量精度而言,UT装置优于MFL:前者为95%,后者为80%。这意味着:除了具有较高的缺陷深度测量精度外,UT的测量结果往往都在精度要求范围内。

   
对于壁厚来说,采用MFL技术有可能达到最佳的检测结果。采用此种方法时,务必使管壁厚度为磁场所饱和。管壁较厚时,磁场强度应更大,磁通量也应更大。反之,管径较小和管壁较薄时,达到一定的磁性便可适用。在这方面,UT技术的检测能力优于MFLUT直接检测壁厚的能力仅适用于剩余壁厚为2.5mm以上的情况。对于具有深的管内缺陷的薄壁管而言,采用MFL装置则是正确的选择。

  
对于异径管来说,采用UT装置较合适。根据UT装置超声波传感器载流子的设计特点,这种装置能够适应较大的内径变化。比如,就标准的UT装置的设计而言,其适应范围为10%15%左右,而MFL装置则为5%10%左右。目前已有双直径的UTMFL装置,这样,即可满足管径的较大变化。

   
对于叠层、砂眼、沟槽状腐蚀和环焊缝裂纹等特殊缺陷来说,受限于超声波波束的大小,但总的说来UT技术都优于MFL技术。特别强大的UT装置还能查明与氢致裂纹(HIC)有关的叠层和砂眼。MFL技术特别适用于薄壁管或小口径管子蚀坑的检测。MFL装置能够看到长而狭窄的缺陷首末端,而难于查明缺陷的深度;UT技术则能查明整个管长上的纵向沟槽状腐蚀的精确壁厚。环焊缝上的裂纹源于制管工艺不佳所致,UT装置查不出这种缺陷。

   
打磨会导致极大的金属损失,应引起注意,由此而引起的金属损失是很难用MFL装置测量出来的,而UT装置的直接壁厚测量方法更适合于此种缺陷的测量。

   
所谓基准测量,是指利用智能装置对某种新材料的新管线进行基本状况的检查。这对管道拥有者来说可能大有好处,因为所发现的任何不合规定的现象都可根据担保条款得到纠正。利用UT装置对一节短管的壁厚进行检查(特别是无缝管),即可精确地检查出像叠层或金属损失、偏心、修理抛光及其它所报告的缺陷。这对制管和管道施工过程来说,同样是一种有效的质量检查方法。

   
总之,对于所有的缺陷评估和日益发展的计算技术来说,具有较高深度测量精度的UT装置因可减少必要的修理次数并可延长检修计划,因此可为用户提供极大的节约。另一方面,从检查输气管道的角度出发,MFL装置有巨大的优势。相比之下,UT装置宜于在多批量的液体管道中使用,也必须在干净的管内运行。因此,应建议首先考虑在所有输气管道内使用MFL装置,而在所有液体管道内使用UT装置。[2,3]



 

2.7内检测技术的发展趋势



 

用三维图像直观显示管壁缺陷是当今国际管道内检测技术的发展趋势。用超声波技术实现直观显示管壁缺陷,比较容易实现。用漏磁技术实现直观显示管壁缺陷则比较困难,这是由漏磁检测技术原理决定的。漏磁检测器的发展方向主要在两个方面:一是提高检测器探头的质量并增加探头的数量,这样就提高了采集数据的质量和数量,从而为数据分析提供更全面、更准确的基础数据;二是提高数据分析的准确性和自动化水平,使之能够形象直观地描绘出管道真实状况。其中最重要的是需要在漏磁与缺陷的对应关系数学模型的研究上不断做出努力。



 

漏磁通法与超声波法相结合是发展的方向之一,伴随着新技术、新工艺的不断涌现,管道内检测技术手段也日趋成熟和科学,管道内检测设备已由单纯的漏磁腐蚀检测器向高清晰度、GPS GIS技术于一体的高智能检测器发展。4



 

3结语



 

总的来说,在各项技术高速发展的今天,想要真正提高我国油气管道检测工作的水平,首先要做的就是对各类检测标准进行进一步的完善,同时实行严格的检测人员资格认证制度,从人员技术水平上为检测工作的有效性打下坚实的基础。另外,有关研究部门也应加强国际间的技术交流与合作,并在自主研发的技术和设备上投入更多的时间和精力,为早日实现我国油气管道检测工作的智能化做出自己的贡献。



 

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