MsS導(dǎo)波技術(shù)在海洋鉆井平臺(tái)輸油管道檢測(cè)中的應(yīng)用

胡冀軒，劉文斌，趙洪波，黃長(zhǎng)輝，劉偉成，趙培征

(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，南昌 330029;2.北京康坦科技有限公司，北京 100123）

0 引言

海洋石油鉆井平臺(tái)工藝管道，由于工況惡劣，容易產(chǎn)生腐蝕類缺陷，特別是輸油管道，內(nèi)部介質(zhì)為原油，但含有海水、CO2、H2S、O2、泥沙等雜質(zhì)，容易造成無(wú)硫(CO2)腐蝕、酸(H2S)腐蝕及沖蝕等。一旦產(chǎn)生腐蝕穿孔類缺陷，就會(huì)造成災(zāi)難性的后果。目前，在用管道通常采用超聲測(cè)厚等方法檢測(cè)管道腐蝕狀況，此方法檢測(cè)效率低下，需拆除保溫層，對(duì)管道不可達(dá)部位(例如底層甲板下方的帶套管的入海輸油管道)無(wú)法檢測(cè)，且容易產(chǎn)生漏檢、誤判，檢測(cè)可靠性低。隨著海洋鉆井平臺(tái)設(shè)施油氣泄漏事故頻發(fā)，迫切需要能對(duì)管道進(jìn)行快速有效檢測(cè)并能對(duì)其整體狀況進(jìn)行正確評(píng)估的檢測(cè)技術(shù)。

MsS低頻導(dǎo)波技術(shù)能滿足這種要求，其工作基本原理是基于電磁材料的磁致伸縮效應(yīng)(焦耳效應(yīng))產(chǎn)生導(dǎo)波，基于鐵磁材料的逆向磁致伸縮效應(yīng)(維拉爾效應(yīng))接收回波，可實(shí)現(xiàn)對(duì)較長(zhǎng)管道的遠(yuǎn)距離快速檢測(cè)，并判定管道整體狀況;該檢測(cè)方法僅需局部拆除保溫層(布探頭處)，對(duì)管道不可達(dá)部位(入海管道)能有效檢測(cè)，并能在高溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)［1-2］。文獻(xiàn)［3-5］闡述了MsS導(dǎo)波采用軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)波模態(tài)T(0，1)作為導(dǎo)波的激勵(lì)模態(tài)，其相速度、群速度不隨頻率和管道參數(shù)變化而變化;其扭轉(zhuǎn)波只能在固體中傳播，管道內(nèi)傳輸?shù)囊后w對(duì)其傳播特性沒(méi)有影響。目前，用于MsS扭轉(zhuǎn)波模式管道檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)頻率有:32、64、128 kHz。一般來(lái)說(shuō)，隨導(dǎo)波頻率的增加，檢測(cè)能力也將隨之變化。其規(guī)律如下:檢測(cè)頻率越高，則檢測(cè)范圍越短，對(duì)小缺陷敏感度越高，空間分辨率越高，盲區(qū)越短。檢測(cè)頻率的選擇是基于具備上述檢測(cè)能力綜合考慮的［6-7］。

1 試驗(yàn)樣管驗(yàn)證

根據(jù)海洋鉆井平臺(tái)需檢測(cè)的輸油管道特征［8-10］，本試驗(yàn)選擇規(guī)格、材質(zhì)與之相近的試驗(yàn)樣管，并在樣管上加工3組人工缺陷，驗(yàn)證MsS低頻導(dǎo)波的實(shí)際檢測(cè)效果。

1.1 樣管制作

試驗(yàn)樣管規(guī)格φ219 mm×6 mm，材料為20#鋼;樣管上制作了3個(gè)人工缺陷，樣管規(guī)格和缺陷位置見(jiàn)圖1。其中，D1為φ5 mm、深3 mm的盲孔(約占樣管截面積的0.7%);D2為周向切槽:21 mm ×3 mm ×2.5 mm，約占樣管截面積的3%;D3為φ5 mm，深4 mm的盲孔(約占橫截面積的1.0%)。人工缺陷和焊疤示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 樣管示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipe sample

圖2 人工缺陷示意圖Fig.2 Sketch map of artificial defect

1.2 檢測(cè)情況分析

選擇適合位置安裝探頭，并把探頭固定在管道上，分別用64、128 kHz頻率各采集一組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。圖中，因?yàn)樘筋^在激發(fā)聲波時(shí)，會(huì)從2個(gè)方向傳播聲波，當(dāng)1個(gè)方向一定距離處有1個(gè)回波時(shí)，因?yàn)檐浖?jì)算的問(wèn)題，會(huì)在正、反2個(gè)方向上同時(shí)顯示回波，正方向大寫，反方向小寫)、Y－不完善的方向控制產(chǎn)生的多重反射信號(hào)(正方向大寫，反方向小寫)、EP－管道的終端反射波。

D1為缺陷1的反射波，缺陷1約占樣管橫截面積的0.7%;D2為缺陷2的反射波，缺陷2約占樣管橫截面積的3%;D3為缺陷3的反射波，缺陷3約占樣管橫截面積的1%;D4(此缺陷不是人為設(shè)計(jì)的，而是在驗(yàn)證上述3個(gè)缺陷時(shí)意外檢測(cè)出的)為管道上焊疤反射波。D1－D4缺陷距探頭距離與對(duì)應(yīng)人工缺陷在管道上的實(shí)際位置接近，最大軸向定位誤差為20 mm。具體見(jiàn)表1。

圖3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果Fig.3 Results of data analysis

表1 缺陷的描述Table 1 Defect description

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，MsS超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)樣管上4個(gè)人工缺陷的檢出率達(dá)到100%，同時(shí)也檢測(cè)出焊疤。

2 海洋平臺(tái)輸油管道在線檢測(cè)

2.1 輸油管道概述

MsS導(dǎo)波所檢管道為海洋平臺(tái)底層甲板下方的帶套管的入海輸油管道，需檢測(cè)管線全長(zhǎng)約60 m，管線表面為油漆涂層防腐，外面有保溫層，目視檢查保溫層外觀完好。圖4為管線單線示意圖，管線共有5處彎頭，2處法蘭，10處焊縫，9處管道固定點(diǎn)，為卡箍固定和縱向支撐焊接2種形式。在管道下部一定位置有套管，規(guī)格為φ273 mm，作用為保溫、防止內(nèi)管進(jìn)入海水后被海水腐蝕。套管端部與內(nèi)管是焊接連接，形成一個(gè)垂直管道的環(huán)狀密封面，避免雨水進(jìn)入。根據(jù)管道的特征結(jié)構(gòu)，分兩段進(jìn)行檢測(cè)。第一段為2處法蘭之間的管道，長(zhǎng)約14 m，探頭(測(cè)點(diǎn)編號(hào)為WZ12－1A－1)布在離法蘭2(F2－Flange)0.89 m處;第二段為法蘭1(F1－Flange)至海平面以下約10 m處，長(zhǎng)約46 m，探頭(測(cè)點(diǎn)編號(hào)為WZ12－1A－4)布在離第4個(gè)管卡(C4－Clamp)0.77 m處。

圖4 輸油管道單線圖Fig.4 Single-line diagram of the pipeline

2.2 現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)

采用美國(guó)西南研究院的MsSR3030型導(dǎo)波檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，介質(zhì)流向?yàn)閷?dǎo)波傳播正方向，檢測(cè)程序如下:

1)選擇適合位置安裝探頭，并清理管道外表面附著物(圖5);

2)根據(jù)管徑周長(zhǎng)剪切相應(yīng)長(zhǎng)度的鐵鈷條帶，條帶接口空開(kāi)3～5 mm的間距，磁化鐵鈷條帶;

3)使用環(huán)氧膠將薄的鐵鈷條帶沿管道環(huán)向粘貼在管道表面，并沿同一方向磁化鐵鈷條;

4)將帶狀線圈探頭壓在鐵鈷條帶上，分別連接32、64、128 kHz頻率的線圈適配器;

5)連接數(shù)據(jù)線和電纜線，打開(kāi)儀器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和保存。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

圖5 MsS長(zhǎng)距離導(dǎo)波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)Fig.5 Site of MsS long distance guided wave detection

1)圖6為測(cè)點(diǎn)WZ12－1A－1數(shù)據(jù)分析結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲水平，設(shè)置2%的門檻值。可以發(fā)現(xiàn)有3處缺陷回波(D1、D2、D3，紅色字體標(biāo)注)，從回波高度判定，截面損失率小于4%，為輕度腐蝕。超聲測(cè)厚對(duì)上述3處缺陷部位復(fù)檢，實(shí)測(cè)壁厚為9～10 mm，管道公稱壁厚為12.7 mm。

WZ12－1A－1檢測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖4管道單線圖，介質(zhì)流向?yàn)閷?dǎo)波傳播正方向，探頭安裝在離法蘭處0.89 m位置為截至終端正方向，負(fù)方向穿過(guò)3個(gè)大的彎頭。導(dǎo)波圖譜中顯示噪聲水平偏高，原因?yàn)閷?dǎo)波負(fù)向穿過(guò)3個(gè)彎頭。

圖6 數(shù)據(jù)分析結(jié)果(WZ12－1A－1)Fig.6 Results of data analysis(WZ12－1A －1)

2)圖7為測(cè)點(diǎn)WZ12－1A－4數(shù)據(jù)分析結(jié)果。發(fā)現(xiàn)4處缺陷回波(D1、D2、D3，D4紅色字體標(biāo)注)，從回波高度判定，截面損失率小于3%，為輕度腐蝕。D2、D3，D4點(diǎn)經(jīng)超聲檢測(cè)復(fù)核，實(shí)測(cè)壁厚為10～11 mm，減薄2 mm。D1點(diǎn)位于套管內(nèi)，且在海平面以下約10 m處，無(wú)法采用常規(guī)方法復(fù)核，應(yīng)為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位。

WZ12－1A－4檢測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖4管道單線圖，正向穿過(guò)2個(gè)彎頭后20 m的位置為法蘭截止終端，負(fù)向1.5 m處為內(nèi)管與套管連接處。

圖7 數(shù)據(jù)分析結(jié)果(WZ12－1A－4)Fig.7 Results of data analysis(WZ12－1A －4)

圖7中，由于套管原因，造成內(nèi)管中導(dǎo)波負(fù)向波幅較低。這是因?yàn)樘坠芘c內(nèi)管是焊接連接，且連接處是垂直管道的環(huán)形平面，一定程度上阻斷了導(dǎo)波在套管中的傳播，所以導(dǎo)波主要在內(nèi)管中傳播;但由于套管存在，使得內(nèi)管中傳播的導(dǎo)波波幅有所下降。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣管人工缺陷的檢測(cè)驗(yàn)證和輸油管道在線檢測(cè)的2個(gè)具體應(yīng)用案例，可以得出:

1)試驗(yàn)樣管的缺陷是人為設(shè)計(jì)的，檢測(cè)條件較為理想，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷情況吻合。

2)管道的表面狀況(包括是否有焊接在管道上的套管)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有比較明顯的影響。

3)MsS超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)架空理想管道一次檢測(cè)有效長(zhǎng)度可達(dá)100 m，但由于海上平臺(tái)空間限制，管道布置復(fù)雜，彎頭、三通、法蘭等管件較多，管道表面狀況不好，聲波衰減嚴(yán)重，所以實(shí)際檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，一般檢測(cè)范圍不超過(guò)50 m，且檢測(cè)區(qū)域內(nèi)不宜有2個(gè)以上彎頭、大小頭，最好以三通及法蘭為檢測(cè)端點(diǎn)。

4)基于磁致伸縮效應(yīng)的MsS低頻導(dǎo)波技術(shù)是解決海洋平臺(tái)工藝管道在線檢測(cè)技術(shù)難題的一種有效手段，它可快速提供管道的整體狀況，提高了檢測(cè)效率，特別是對(duì)于不可達(dá)的底層甲板下方帶套管的入海管道的檢測(cè)，具有其他檢測(cè)方法不可替代的作用，為今后同類型管道的在線檢測(cè)提供參考。

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