漏磁檢測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)輸管道維護(hù)中的應(yīng)用

馬云修，劉保余，孫 旭

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東東營(yíng) 257061;2.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司，江蘇徐州 221008)

漏磁檢測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)輸管道維護(hù)中的應(yīng)用

馬云修1，2，劉保余2，孫 旭2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東東營(yíng) 257061;2.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司，江蘇徐州 221008)

介紹了油氣長(zhǎng)輸管道的發(fā)展?fàn)顩r及在維護(hù)管理中存在的主要問(wèn)題，智能管道檢測(cè)技術(shù)在美國(guó)和英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展?fàn)顩r和國(guó)內(nèi)在智能管道檢測(cè)方面的研究進(jìn)展。敘述了管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的基本原理，以Ф720 mm智能管道檢測(cè)器為例說(shuō)明了智能管道檢測(cè)器(漏磁檢測(cè)器)的基本結(jié)構(gòu)及主要功能、機(jī)械性能指標(biāo)、檢測(cè)性能指標(biāo);介紹了漏磁檢測(cè)器研發(fā)中磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理硬件、無(wú)損壓縮算法、缺陷重構(gòu)技術(shù)、漏磁信號(hào)成像、信號(hào)特征庫(kù)和幾何成像等關(guān)鍵技術(shù)。以Ф720 mm管道為例介紹了管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施過(guò)程、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證及管道腐蝕狀況評(píng)價(jià)等內(nèi)容。

漏磁檢測(cè) 檢測(cè)器 長(zhǎng)輸管道 腐蝕 評(píng)價(jià)

管道運(yùn)輸在石油化工及天然氣等產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要地位。但鐵磁性油氣輸送管道由于長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕、磨損以及應(yīng)力或意外的機(jī)械損傷等原因會(huì)形成機(jī)械裂紋和腐蝕穿孔等各種缺陷，而管道腐蝕是最主要的缺陷。由于管道長(zhǎng)時(shí)間工作在高壓環(huán)境下，這些缺陷如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)修理，將最終導(dǎo)致輸送效率降低、輸送介質(zhì)泄漏等惡性事故。再者，由于多數(shù)管道都鋪設(shè)于地下或海底，所以一旦出現(xiàn)事故，管道的維護(hù)和搶修成本非常高。

國(guó)內(nèi)原油管道有很多管線(xiàn)始建于20世紀(jì)70－80年代，已經(jīng)進(jìn)入事故多發(fā)期，更換管道的成本非常高，相當(dāng)于建設(shè)一條新管線(xiàn)。而經(jīng)濟(jì)可靠的檢測(cè)技術(shù)可以大幅度地減少更換管道的數(shù)量，延長(zhǎng)那些雖已到服務(wù)期限但仍安然無(wú)恙的管道的使用期限，從而帶來(lái)十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)國(guó)外管道維修數(shù)據(jù)，更換管道、被動(dòng)維護(hù)和主動(dòng)維護(hù)這三種管道安全策略的投資情況見(jiàn)表1。

表1 管道安全維護(hù)成本Table 1 Cost of pipeline safety maintenance

從表1可見(jiàn)，對(duì)管道進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)是最佳作法。如果能夠?qū)艿蓝ㄆ谶M(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道缺陷，并且獲得其位置、類(lèi)型和程度等精確信息，將為管道的安全評(píng)價(jià)、壽命預(yù)測(cè)和檢修維護(hù)等提供可靠依據(jù)。根據(jù)一定的優(yōu)先原則，對(duì)一些嚴(yán)重缺陷的管道進(jìn)行及時(shí)維修，一定可以避免管道事故發(fā)生，同時(shí)也能大大延長(zhǎng)管道壽命，節(jié)約投資成本。［1］

1 漏磁檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

管道檢測(cè)技術(shù)的研究已有近40 a歷史，它是一個(gè)涉及多學(xué)科領(lǐng)域的研究項(xiàng)目，具有大量的理論研究問(wèn)題和大量的工程技術(shù)問(wèn)題。其中漏磁檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的鐵磁性管道缺陷檢測(cè)技術(shù)，它適于多種傳輸介質(zhì)，對(duì)鐵損失等最常見(jiàn)的管道缺陷有非常好的檢測(cè)效果。

目前，用于管道檢測(cè)的設(shè)備實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及商業(yè)化產(chǎn)品的種類(lèi)和數(shù)量不斷增加。其中美國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)家的管道檢測(cè)技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。

美國(guó)PIIGroup(PipelineIntegrity International)是當(dāng)前世界上最大的管道檢測(cè)設(shè)備制造商和檢測(cè)服務(wù)提供商，能夠提供數(shù)十種型號(hào)的漏磁型、超聲型等檢測(cè)器對(duì)管徑從3英寸(1英寸=0.025 4 m)到80英寸的各種油氣、水、化學(xué)品管道進(jìn)行檢測(cè)。PII公司有遍布各大洲的19個(gè)分支機(jī)構(gòu)，自成立以來(lái)，已檢測(cè)過(guò)總長(zhǎng)超過(guò)400 000 km的管線(xiàn)。PII公司正在設(shè)計(jì)的新型Transcan型漏磁檢測(cè)器，要求每3 mm采樣1500次，數(shù)據(jù)流量達(dá)到6MB/s。為了實(shí)時(shí)處理如此大量的數(shù)據(jù)，PII公司正在進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)壓縮方法和硬件實(shí)現(xiàn)方法的研究。在新型檢測(cè)器設(shè)計(jì)中，該公司采用ALTERA公司的60萬(wàn)門(mén)的FPGA(Field Programmable Gate Array現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)芯片作為檢測(cè)器的核心元件。該設(shè)計(jì)目前正在試驗(yàn)中。PII公司的研究方向可以代表管道檢測(cè)器目前的發(fā)展方向。

國(guó)內(nèi)高度關(guān)注智能PIG技術(shù)的發(fā)展，跟蹤此項(xiàng)目已經(jīng)超過(guò)20 a，并取得了一些成果。其中合肥工業(yè)大學(xué)等單位設(shè)計(jì)完成了地下原油輸送管道漏磁高速在線(xiàn)檢測(cè)裝置;中國(guó)石油天然氣管道局管道技術(shù)公司等單位設(shè)計(jì)完成了輸氣管道漏磁腐蝕檢測(cè)器;就管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究及數(shù)據(jù)分析處理已進(jìn)行了一些相關(guān)研究，其中北京化工大學(xué)李明忠等、清華大學(xué)黃松嶺等、同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所吳先梅等研究了鋼管表面裂紋寬度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響，管道磁化的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，并計(jì)算出不同形狀缺陷的管道的磁力線(xiàn)分布圖;天津大學(xué)蔣奇、王太勇等對(duì)鋼管漏磁檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)頻分析。綜合國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)來(lái)看，目前介紹管道漏磁檢測(cè)裝置及應(yīng)用的文章較多，真正投入應(yīng)用卻很少［2-6］。

2 管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的基本原理

漏磁檢測(cè)的基本原理見(jiàn)圖1。使用永磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)并通過(guò)鋼刷導(dǎo)磁使鐵磁性管道的管壁磁化到飽和程度，當(dāng)管壁上沒(méi)有缺陷時(shí)，磁場(chǎng)均勻分布;當(dāng)管壁上存在異常(如缺陷、裂紋和焊疤等)時(shí)，在這些地方就會(huì)有漏磁通過(guò)，通過(guò)磁敏探頭檢測(cè)漏磁場(chǎng)就可以發(fā)現(xiàn)管道缺陷。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的幅值、斜率和周期等信息進(jìn)行就可以確定管線(xiàn)的腐蝕程度、缺陷的類(lèi)型和大小。

圖1 漏磁檢測(cè)原理Fig.1 Schematic diagram of MFL detection

漏磁檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2。檢測(cè)器為了能夠通過(guò)管道彎頭，一般都采用節(jié)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)與節(jié)之間采用萬(wàn)向節(jié)連接。在動(dòng)力節(jié)上安裝著比管道內(nèi)徑稍大的橡膠碗，利用它阻塞管道介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生推力，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)裝置前進(jìn)。在測(cè)量節(jié)，沿著管壁的周向排列數(shù)十個(gè)乃至上百個(gè)磁敏探頭，每個(gè)探頭內(nèi)包含幾個(gè)檢測(cè)不同方向漏磁場(chǎng)的檢測(cè)通道。探頭排列越緊密，對(duì)缺陷處漏磁場(chǎng)的記錄就越完整。

圖2 漏磁檢測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure chart of MFL detector

3 內(nèi)檢測(cè)器的設(shè)備組成及性能指標(biāo)

從2006年開(kāi)始，中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司與沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)合作，對(duì)管道漏磁在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研制和試驗(yàn)，研制了Ф720 mm原油管道內(nèi)檢測(cè)器(見(jiàn)圖3)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了管道缺陷、管道特征(管箍、補(bǔ)疤、彎頭、焊縫、三通等)識(shí)別以及內(nèi)外壁缺陷分辨的在線(xiàn)檢測(cè)。給出了缺陷尺寸、程度、方位和位置等信息，能探測(cè)出5 mm×5 mm和0.8 mm(管壁厚度)以上的缺陷，定位精度不超過(guò)0.1%(標(biāo)記間距離)，最大檢測(cè)距離可達(dá)150 km。

3.1 內(nèi)檢測(cè)器設(shè)備組成

動(dòng)力皮碗——管道輸送介質(zhì)在動(dòng)力皮碗上產(chǎn)生檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)力和起到支撐作用;

鋼刷——鋼刷與管壁接觸完成永磁鐵、磁軛和管壁的閉合磁路;

萬(wàn)向節(jié)——檢測(cè)節(jié)和計(jì)算機(jī)節(jié)的柔性連接;

圖3 內(nèi)檢測(cè)設(shè)備Fig.3 MFL detector

主探頭——由磁敏元件組成，完成缺陷的檢測(cè);

計(jì)算機(jī)節(jié)——由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和電池組組成，完成檢測(cè)、定位信號(hào)處理、存儲(chǔ)和供電;

輔助探頭——完成內(nèi)、外缺陷分辨信號(hào)的檢測(cè);里程輪——完成定位信號(hào)的檢測(cè);

低頻通訊——進(jìn)行超低頻通訊完成定位點(diǎn)的通訊和卡堵?tīng)顟B(tài)的追蹤。

3.2 內(nèi)檢測(cè)器系統(tǒng)性能指標(biāo)

(1)漏磁檢測(cè)器機(jī)械性能指標(biāo)

漏磁檢測(cè)器機(jī)械性能見(jiàn)表2。

表2 機(jī)械性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties index

(2)漏磁檢測(cè)器檢測(cè)性能指標(biāo)

漏磁檢測(cè)器檢測(cè)性能見(jiàn)表3。

表3 檢測(cè)性能指標(biāo)Table 3 Detection properties index

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 管道概況

試驗(yàn)管道為ф720 mm×8 mm規(guī)格的螺旋焊縫鋼管，采用瀝青和玻璃布絕緣層進(jìn)行防腐蝕，全長(zhǎng)120 km。該段管道于1978年投產(chǎn)，至今已運(yùn)行將近30 a之久，已進(jìn)入老化和事故多發(fā)期。進(jìn)行管線(xiàn)在役內(nèi)檢測(cè)，不僅對(duì)管道實(shí)際腐蝕情況會(huì)有一個(gè)比較深入的了解，而且為管道安全和使用壽命評(píng)估提供重要依據(jù)。檢測(cè)施工流程見(jiàn)圖6。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

根據(jù)長(zhǎng)輸管道內(nèi)檢測(cè)器技術(shù)研究工業(yè)性試驗(yàn)方案，首先埋設(shè)標(biāo)記磁樁，然后投放直皮碗式清管器，接收直皮碗式清管器;然后投放ф720 mm智能變徑檢測(cè)器，接收ф720 mm智能變徑檢測(cè)器，通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)一處管道較大變形，經(jīng)過(guò)有關(guān)部門(mén)同意進(jìn)行了換管;再次投放ф720 mm漏磁檢測(cè)器，接收ф720 mm漏磁檢測(cè)器;隨后開(kāi)展了數(shù)據(jù)校正，數(shù)據(jù)驗(yàn)證的管道開(kāi)挖工作。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程基本按原計(jì)劃順利進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)見(jiàn)圖4，缺陷三維圖見(jiàn)圖5。

4.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要通過(guò)專(zhuān)用的分析軟件，根據(jù)所建立的檢測(cè)信號(hào)特征庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)的分析和判讀并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證，腐蝕開(kāi)挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖4 檢測(cè)信號(hào)特征庫(kù)部分圖形Fig.4 Detection signal features library

圖5 缺陷三維圖Fig.5 Defect 3d image

表4 部分腐蝕開(kāi)挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)表Table 4 Part of verified excavation corrosion data table

從腐蝕開(kāi)挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以看出，該套漏磁檢測(cè)設(shè)備的定位誤差小，最大定位誤差不超過(guò)1.6 m，腐蝕深度偏差均不超過(guò)5%，鐘點(diǎn)位置100%準(zhǔn)確。

4.4 管道腐蝕缺陷評(píng)價(jià)

分別采用ASME B31G、PCORRC和DNV三種評(píng)價(jià)方法對(duì)管道腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究表明:在管道腐蝕缺陷的三個(gè)幾何參數(shù)中，深度對(duì)失效壓力的影響最大，寬度的影響最小，而長(zhǎng)度的影響分為兩個(gè)階段:臨界長(zhǎng)度之前，長(zhǎng)度增大導(dǎo)致失效壓力快速減小;臨界長(zhǎng)度之后，長(zhǎng)度增加，失效壓力沒(méi)有顯著改變。189個(gè)缺陷中，最深缺陷深度29%、長(zhǎng)度800 mm、寬度200 mm，其對(duì)應(yīng)的容許壓力分別為6.16 MPa、8.18 MPa和8.57 MPa。最長(zhǎng)缺陷深度9%、長(zhǎng)度7 600 mm、寬度100 mm，其對(duì)應(yīng)的容許壓力分別為6.19 MPa，8.09 MPa和7.41 MPa。

經(jīng)計(jì)算，按ASME B31G、PCORRC和DNV三種評(píng)價(jià)方法計(jì)算的管道最小容許壓力分別為5.44 MPa、6.91 MPa 和 6.37 MPa，而此段管道的最大操作壓力不足4 MPa，所以各個(gè)缺陷處的管道強(qiáng)度均符合要求。

圖6 檢測(cè)施工流程圖Fig.6 Detection construction flow chart

5 結(jié)語(yǔ)

隨著Ф720 mm內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的推廣應(yīng)用，更多型號(hào)的漏磁檢測(cè)設(shè)備將運(yùn)用到管道檢測(cè)中來(lái)。未來(lái)的管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備發(fā)展方向?qū)⑹蔷雀撸F(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力更強(qiáng)，檢測(cè)數(shù)據(jù)分析智能化，檢測(cè)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入完整性評(píng)價(jià)系統(tǒng)等高精度，高適應(yīng)能力，數(shù)據(jù)分析高度智能化。隨著技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)管道內(nèi)檢測(cè)將在管道的完整性管理方面，特別是其中的腐蝕檢測(cè)方面將提供越來(lái)越翔實(shí)的管道信息，為管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行和維修維護(hù)提供更有力的依據(jù)。

［1］何宏，李琳，江秀漢.管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展［J］.西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，16(3):43-46.

［2］黃松嶺，趙偉.天然氣管道缺陷檢測(cè)器瀉流裝置［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008，48(1):13-15.

［3］孟浩龍，李著信，王菊芬，等.管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人周?chē)鲌?chǎng)的三維數(shù)值計(jì)算［J］.石油學(xué)報(bào)，2006，27(6):128-132.

［4］孟浩龍，李著信，王菊芬，等.管道內(nèi)壓差驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相關(guān)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(1):102-106.

［5］李明忠，丁克勤，張有忱.油氣輸送管道漏磁檢測(cè)的有限元分析［J］. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，22(5):14-17.

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［7］蔣奇，王太勇，劉秋宏.鋼管表面缺陷漏磁場(chǎng)與漏磁信號(hào)分析［J］. 中國(guó)機(jī)械工程，2003，14(12):1043-1046.

Application of Magnetic Flux Leakage Detection Technology in Maintenance of Long－distance Pipelines

Ma Yunxiu1，2，Liu Baoyu2，Sun Xu2
(1.China University of Petroleum(Huadong)，Dongying，Shandong 257061;2.SINOPEC Pipeline Storage＆ Transportation Company，Xuzhou，Jiangsu 221008)

Here introduced are the development of pipeline transportation，main problems in pipeline operation management，the development of smart pipeline detection technologies in developed countries like US，UK，etc and R ＆ D progress of smart pipeline detection technologies in China.The basic principles of magnetic flux leakage(MFL)detection technologies for pipelines are discussed.Through a case study of a Ф720 mm smart pipeline MFL detector(MFL detector)，the basic construction，main functions，mechanical performances and detection performance of smart pipeline MFL detector are described.The optimized design of magnetic circuits，detection system and data processing hardwares，non － destructive compression calculations，defect reconstruction technology，MFL detection signal imaging，signal signature base，geometric imaging，etc are presented.The implementation of MFL detection technologies for pipelines，detection data analysis，field digging verification and evaluation of corrosion conditions of pipelines are discussed.

MFL detection，detector，long－distance pipeline，corrosion，evaluation

TE973.6

A

1007－015X(2012)01－0045－06

2011－10－ 10;修改稿收到日期:2011－12－18。

馬云修(1982－)，在讀工程碩士，工程師，在中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司主要從事長(zhǎng)輸管道內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)等方面的研究與應(yīng)用。E-mail:yunxiu 611@126.com

(編輯 張向陽(yáng))