漏磁檢測技術在新疆某油田的應用

張 偉,蔡青青,張 磊,張 勇,周衛軍

(1.中國石油塔里木油田銷售事業部,庫爾勒 841000;2.中石油獨石化分公司煉油廠銷售車間,克拉瑪依 833600;3.長江大學石油工程學院,荊州 434023)

埋地管道作為石油、天然氣的傳輸載體,是連接上游資源和下游用戶的紐帶,是目前油品運輸效率最高、成本最低、風險最小的一種運輸方式。由于管道長期埋在地下,隨著時間的推移,介質含水含雜質、外界土壤特性及地形沉降等因素的影響,管道會發生腐蝕、穿孔和泄漏等,給油田和國家帶來嚴重的損失。除此之外,它還會引起有害物質的泄漏,對環境造成污染,甚至引發災難事故,危及人身安全。

目前國內外腐蝕檢測技術主要分為管道外檢測技術和管道內檢測技術。管道外檢測技術是通過對管道的陰極保護系統進行檢測,從而獲得管道的受蝕狀況,屬于間接檢測管道腐蝕的方法,其得到的原始數據往往需要工作人員的仔細分析和校驗。而管道內檢測技術由于其直觀性、準確性和快捷性,得到了很快的發展。

1 漏磁檢測系統原理

1.1 漏磁檢測技術概況

管道內檢測是將無損檢測設備投入管道中,介質推動設備沿管道運行,利用計算機系統采集并記錄探測到的管道缺陷信號,通過數據分析得到管道缺陷所在準確部位和大小。通過管道內檢測可以實現對管線的測繪、管道變形檢測、金屬損失檢測和管道裂紋檢測。內腐蝕檢測技術一般有漏磁通法、超聲波法、渦流檢測法和電磁超聲法(EMAT)。而漏磁(MFL)技術因其可檢測出腐蝕或擦傷造成的管道金屬損失缺陷,甚至能夠測量到那些不足以威脅管道結構完整性的小缺陷(硬斑點、毛刺、結疤、夾雜物和其他各種異常和缺陷),偶爾也可檢測到裂紋缺陷,且對檢測環境的要求不高,具有很高的可信度,可兼用于輸油輸氣管道,至今被廣泛應用并在不斷地發展。

在國外,漏磁式管道內檢測技術用于工業上已有幾十年的歷史。自從1965年美國AMF公司研制出第一臺漏磁檢測器以來,設備性能和技術水平不斷提高,應用領域日趨廣泛,是目前管道工業中應用歷史最長,技術最成熟的檢測技術。英國、美國和俄羅斯等國家都有專門研制和應用漏磁管道內檢測設備的專業公司,檢測管道的口徑可從 100～1 400mm,每年檢測施工里程達幾萬公里。國內的研究從1984年開始,應用從1987年開始,經過幾年的引進、消化吸收和國產化研制工作,設備的規格不斷增大、性能不斷增強、適用范圍也不斷擴展。

1.2 漏磁檢測原理

漏磁檢測是以自動化為目的發展起來的一種自動無損檢測技術。漏磁檢測的基本原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率特性之上的。鐵磁性材料的磁導率遠大于其他非鐵磁性介質(如空氣)的磁導率。當用磁場作用于被測對象并采用適當的磁路將磁場集中于材料局部時,一旦材料表面存在缺陷,缺陷附近將有一部分磁場外泄出來,并且其強度與缺陷尺寸和深度有一定的對應關系。用傳感器檢測這一外漏磁場可以確定有無缺陷,進而可以評價缺陷的形狀和尺寸。

鋼管缺陷漏磁檢測原理[1]是根據鋼管被永久磁鐵磁化后,當鋼管中無缺陷時,磁力線絕大部分通過鋼管;當管壁變薄,管內、外壁局部被磨損,有腐蝕坑、凹坑、通孔和裂紋等缺陷時,鋼管缺陷處的磁阻變大,聚集在管壁的部分磁通向外擴張,磁力線發生彎曲并且有一部分磁力線泄漏出鋼管表面,用磁感應元件(霍爾元件)在鋼管表面相對切割磁力線產生感應電信號,通過對感應電信號的特征提取來對缺陷進行定性和定量分析。

如圖1所示,其中大部分磁通在工件內部繞過缺陷,少部分磁通穿過缺陷,另有部分磁通離開工件的上下表面,經空氣繞過缺陷,其中第三部分就是所謂的漏磁通。漏磁通的大小可以通過霍爾元件或移動的感應線圈測量得到,其信號強弱和分布與缺陷的嚴重程度和分布有密切關系。漏磁檢測法就是通過測量被磁化的鐵磁材料表面泄漏的磁場強度來判定工件缺陷的大小。

磁鐵有永久磁鐵和電磁鐵兩種,常用的傳感器有線圈式和霍爾元件式兩種。

1.2.1 線圈式傳感器

測磁線圈的輸出遵從電磁感應定律,輸出電動勢ε為：

式中N為線圈匝數;v為線圈運動速度,m/s;G為漏磁場沿掃描方向的梯度即 dφ/dl。可見,對于一定的N和v,相同直徑的缺陷,漏磁輸出與缺陷深度成比例。早期的管道腐蝕檢測器多采用線圈式傳感器,其特點是結構簡單、耐用。

1.2.2 霍爾傳感器

在一個半導體薄片中相對的兩側面通以控制電流I,在薄片垂直方向施加磁場B,則在半導體的另兩個側面會產生一個大小與I和B乘積成正比的電動勢,這就是霍爾效應,利用這一效應可制成霍爾傳感器來測量磁場的大小。霍爾傳感器可以在靜止狀態下感受磁場,其頻率響應可以從直流到微波,動態輸出電動勢的變化可達1 000∶1。霍爾傳感器體積小、壽命長,但元件存在轉換效率低、溫度影響較顯著等缺點。目前,許多新型檢測器,特別是高清晰度檢測器都采用這種傳感器,它的另一優點是不受檢測器運動速度的影響[2]。

1.3 漏磁在線檢測系統的基本結構

管道漏磁在線檢測系統由管道漏磁在線檢測裝置、里程標定裝置和數據分析處理系統三部分組成[3]。管道漏磁在線檢測裝置是在管道中運行的部分,以管道輸送介質為行進動力,直接對管道進行在線無損檢測,其結構示意圖如圖2所示,它由動力節、測量節、記錄節和電池節四部分構成,節間采用萬向節軟連接。

圖2 漏磁檢測系統的基本結構

測量節包括磁化裝置和霍爾探頭。磁化裝置包括永磁鐵、襯鐵和鋼刷,其功能主要是對被測管壁進行磁化,使管壁內產生磁通。霍爾探頭內裝有霍爾元件和前級放大電路,利用霍爾元件就可以測量漏磁通。

記錄節為測量系統的核心部分,完成對所有部件的控制和數據保存。霍爾探頭檢測的信號經多路模擬選通開關分別送到A/D采集卡,轉換成數字量后,送給記錄節內的處理器進行壓縮處理,最后將壓縮結果存入IDE存儲介質中。

里程標定裝置由管道外標記標定、管道內外時間同步標定和行走輪記錄組成,完成缺陷位置的確定。

數據分析系統是由數據格式處理軟件、初步分析軟件和數據管理軟件等組成,用于生成最終的檢測結果。管道內的漏磁信號被繪成色圖,可以從色圖上查看缺陷及腐蝕程度,并能從里程的顯示來判定缺陷及腐蝕所在的位置,作為檢測或評估管道壽命的依據。

2 應用實例

新疆某油田某天然氣管線始于西氣東輸一線主力氣田,管徑為φ1 016 mm,管線全長約160 km。鑒于管道完整性管理要求,油田特委托ROSEN公司對該管線進行了基于漏磁通原理的管道金屬損失的內檢測工作,其完整的內檢測過程主要包括以下幾個步驟。

2.1 管道機械清洗

機械清管的主要目的是清出管內的污物、障礙物、沉積雜質和管壁結蠟,最大程度地保證內檢測效果的準確性。

ROSEN公司為確保后期內檢測的準確性,連續5次使用普通機械式清管器對該管線進行了清管,最后兩次(雙向皮碗清管器和磁性清管器)清管作業清出的污物量＜5 L,管道清潔程度已經達到了漏磁檢測器的運行要求[4]。

2.2 管道變徑檢測

管道變徑檢測是對管道的通過性能(最小通過直徑)進行測試,其檢測結果用于判斷管道能否進行下一步的幾何檢測和漏磁檢測。

Rosen公司對管道進行了兩次變徑檢測,分別使用帶有90%管道內徑的測徑盤和95%管道內徑的測徑盤的測徑清管器進行清管。90%測徑盤測得前直徑為888mm,后直徑為887 mm;95%測徑盤測得前直徑為938 mm,后直徑為919 mm。而按規定最小幾何檢測安全內徑參數為850 mm。根據檢測結果,確認可以執行內幾何檢測。

2.3 電子幾何清管器的內幾何檢測(EGP)

電子內幾何檢測是對管道內的管段、設備進行檢測并模擬漏磁通檢測的一項檢測內容,用以推論這條管線沒有影響ROSEN公司CDP檢測的主要障礙。

ROSEN公司對管道進行內幾何檢測的結果顯示,除工具經歷波動或者螺紋焊縫影響區域的數據結果可能受到影響外,其他的記錄數據完整,質量較好。此外,管線上的主要設備都能被檢測到。

2.4 漏磁通金屬損失檢測(CDP)

2.4.1 設置定標點

由于內檢測器的里程輪在如此長距離的管線中行走,由于打滑或者彎頭的影響,很容易導致累積誤差,導致以后找幾何缺陷點出現困難。為了便于以后對此次漏磁檢測工程中檢測出來的缺陷點進行開挖驗證或是進行維修補強,必須在管線的沿途對行走距離進行修正。此次檢測共設置了21個BM5型跟蹤器和30個BM7型定標點。平均每隔5.32 km設置一個定標點對內檢測器在管線的行走距離進行修正。

2.4.2 漏磁通金屬損失檢測

Rosen工程公司對管道進行了智能檢測,其漏磁檢測器在管中的運行參數如表1。

本次檢測基本實現所有檢測條件,無數據/距離丟失,傳感器漏失在可接受范圍內,磁化等級在可接受范圍內,工具平均速度為2.2m/s。

2.5 數據處理及最終報告

所有的現場檢測完成后,ROSEN公司通過ROSEN 的專業數據管理軟件——ROSOFT,對檢測的數據進行整理分析并出具最終檢測報告。

最終檢測報告指出,此次內檢測使用 ROSEN CDP一次性成功實施了金屬損失的檢測。總體看來,在磁化等級較好的區域,除閥門外,數據質量很好,可信度較高。此外,共有24個金屬損失缺陷點被檢測到。金屬損失0%～9%,不適用;金屬損失10%～19%,23個;金屬損失20%～29%,1個;金屬損失30%以上,無。最大壁厚損失28%,缺陷可能是環焊縫缺陷,位于管線檢測距離0.19 km。報告中對于每個缺陷的描述通過金屬損失特征分布圖、缺陷方位圖、管壁損失分布圖、長度分布圖、寬度分布圖和深度分布圖來具體表示。

2.6 最終評價

最后在管道檢測結果的基礎上,ROSEN公司進行了相應的歸納性建議：根據腐蝕檢測分析,缺陷遵循界定的壓力標準內,即無80%金屬損失缺陷,無須采取補救措施。

3 結語

(1)此次管道的內幾何檢測和金屬損失檢測結果表明,管道中無影響管道本質安全的缺陷,故沒有開挖驗證的必要,因而報告的準確性難以從統計學上加以認定和評價。但此次管道漏磁內檢測工程一次性成功運行ROSEN的EGP和CDP,得到的數據完整、清晰,再一次驗證了基于漏磁通原理的管道內檢測技術已經相當成熟。

(2)出具的檢測報告增加了用戶對管線安全的自信度,豐富了管道完整性管理的基礎信息。

(3)此次檢測對今后的管道完整性管理的漏磁內檢測技術工作起到了很好的總結指導作用。

(4)管道漏磁內檢測技術在國際上屬于壟斷技術,僅有少數幾家公司掌握該項技術。國內在一些大學和研究機構己開始開展該技術的研究。目前,這項技術在我國雖然起步較晚,但是起點較高。現已全面開展在該技術領域內國際領先技術水平的關鍵技術的研究,且已取得初步成果。借助國內的技術力量,并將國際上成熟的檢測成果應用到產品中去,是使我國的漏磁檢測器研制水平在短時間內躋身國際先進行列的捷徑。未來漏磁檢測技術必將在維護管道安全生產上發揮越來越重要的作用。

[1]劉慧芳,張鵬,周俊杰,等.油氣管道內腐蝕檢測技術的現狀與發展趨勢[J].管道技術與設備,2008(5)：46.

[2]王瑞利,李斌,高強.漏磁檢測與超聲波檢測技術應用比較[J].管道技術與設備,2006(5)：15.

[3]黃輝,何仁洋,熊昌勝,等.漏磁檢測技術在管道檢測中因素分析[J].檢測監測,2009,23(8)：46.

[4]SY/T 6597—2004 鋼質管道內檢測技術規范[S].