防打孔盜油用管道內檢測器的研制與應用

胡 朋，祝興輝，張 洋，陳金忠，馬義來，康小偉，王 鋒

(中國特種設備檢測研究院，北京 100026)

隨著管網建設的高速發展，我國逐步建成了一套龐大的管道運輸系統，成為國家重要的“能源大動脈”，其安全運行對國家戰略具有重要意義。近年來，打孔盜油事件頻繁發生，已成為油氣管道安全生產的一大隱患[1]。當前打孔盜油現象具有時間地點多變、人員隊伍專業化、技術工具更先進的特點；作業方式主要有隱蔽式、閃電式、地道式、偽裝式等[2]。打孔盜油會對管道產生開放式的破壞，一旦管道發生泄漏，可能會對經濟、生態、公共安全等領域帶來重大危害。

為應對頻繁發生的打孔盜油事件，管道運行公司的措施采取從“人防”逐步升級到“技防”方式。管道泄漏監測系統是打孔盜油檢測的主要方式，但由于打孔盜油分流量較小，其靈敏度較低、識別誤差大；管道光纖預警系統是新興起的一種檢測技術，但其受外部干擾大，漏報或者誤報概率大，且部分老管道沒有伴隨光纖；管道外檢測技術結合開挖驗證的方式進行檢測，但工作量大，識別率低，檢測周期長，且時效性較差；漏磁內檢測技術是打孔盜油檢測相對比較有效且成熟的一種方式，但是其施工流程復雜，費用較高，檢測間隔長，時效性較差[3-4]。因此，迫切需要研發一種檢測效果好、成本低、作業方便且流程簡單的檢測設備，而基于渦流檢測技術的打孔盜油專用管道內檢測器恰恰能夠滿足以上需求。

1 打孔盜油的形式及特點

1.1 抱箍式

該盜油方法一般將規格較大的扁形鋼板卷成環形管箍狀，然后把盜油閥門及連接管安裝到管箍上，通過擰緊管箍兩端的螺栓將盜油裝置及較軟的鉛塊貼合在管道表面，從而實施鉆孔盜油，[見圖1(a)]。其特點為實施難度大，過程復雜，易發生泄漏事故，近些年使用很少。

1.2 鋼釬式

該盜油方法一般采用一定長度且帶有錐度的高強度鋼管，在有錐度的一端加工進油孔，另一端焊接閥門，將有錐度的一端直接插入管道內部進行盜油[見圖1(b)]。其特點為作業簡單，隱蔽性強，對管道損傷大，近些年使用很少。

1.3 焊接式

該盜油方法通常將帶有鉆孔控制閥的接管焊接到管道上，鉆孔完成后再焊接上短管和盜油控制閥。通過這兩個閥門實現盜油操作[見圖1(c)]。其特點是裝置簡單，隱蔽性強且能夠反復使用，是近些年普遍采用的一種方式，也是目前盜油孔檢測的主要對象[5]。

圖1 3種不同的打孔盜油方法示意

2 渦流內檢測原理

與其他管道缺陷檢測技術相比，渦流檢測是一種靈敏度高、精度高且非接觸測量的無損檢測方法，非常適用于管道盜油孔的檢測。其檢測原理為：當通有交變電流的線圈靠近被檢測的導體試塊時，在激勵線圈產生的主磁場作用下，導體試塊在變化的磁場中會產生漩渦狀電流，也就是渦流；同時渦流也會形成一個磁場，當導體試塊中有缺口時，渦流的分布會發生變化，產生的磁場也會隨之發生變化，繼而影響檢測線圈的阻抗；而通過檢測線圈輸出的電信號變量，可以判斷被測試塊的性能以及是否有缺陷[6-7]。

3 防打孔盜油管道內檢測器系統結構

3.1 機械系統

防打孔盜油用管道內檢測器結構如圖2所示，其機械系統由電源節、萬向節和計算機節三部分組成。電源節通過柔性萬向節與計算機節相連[8]。

圖2 防打孔盜油用管道內檢測器結構示意

3.1.1 電源節

電源節的密封防爆倉裝有電池組，為檢測器在管道中長時間運行提供電能。同時該設備裝有開槽的直板皮碗和帶有耐磨釘的碟皮碗，依靠皮碗兩端的壓差產生的動力驅動檢測裝置在管道中運行。其中開槽的直板皮碗和帶有耐磨釘的碟皮碗大大延長了裝置的檢測里程，節省了成本，且能夠保障檢測器在管道中的安全運行。

前端的防撞頭起緩沖作用，可防止檢測器速度過快撞擊盲板。高精度低頻發射機裝在前端的防撞頭中以免撞擊時發生損壞，其主要作用是通過地面上匹配的接收機來確定檢測器在管道中的位置或者記錄檢測器經過定標點的時間，為后期盜油孔的精確定位提供支撐。

3.1.2 萬向節

電源節和計算機節之間采用柔性萬向節連接，以保證管線中彎頭的通過能力。萬向節可在電源節帶動計算機節前行的同時確保整體同步環向旋轉，以保護兩節之間的電纜線不受破壞。

3.1.3 計算機節

計算機節是整個檢測器系統的核心單元，包括支撐碟皮碗、渦流檢測探頭、轉接線盒、里程測量單元和筒體內部的機芯單元。支撐碟皮碗可使計算機節在管道中平穩行走；渦流檢測探頭可以檢測盜油孔及管道內壁缺陷、閥門、三通、焊縫、彎頭等部位；轉接線盒的作用是將采集的數據轉接傳輸給機芯；里程測量單元通過磁編碼器測量管線的里程距離和特征長度，結合定標點來實現盜油孔及其他特征的軸向精確定位；機芯單元用于過程控制和檢測數據的處理與存儲。

3.2 電子硬件系統

防打孔盜油用管道內檢測器電子硬件系統主要包括以ARM為核心模塊的處理單元、電源模塊、數據傳輸和存儲模塊、串口模塊等，用于存儲渦流探頭、里程測量單元、碼盤測量單元、MEMS(微電動系統)陀螺儀單元等數據的采集和存儲單元[9-10]。其電子硬件系統總體框架如圖3所示；渦流探頭電子系統框架及探頭結構示意分別如圖4，5所示，其中單個渦流探頭的通道數為4個，每個通道的采樣頻率為2 kHz。

圖3 防打孔盜油用管道內檢測器電子硬件系統總體框架

圖4 防打孔盜油管道內檢測器渦流探頭電子系統框架

圖5 防打孔盜油管道內檢測器渦流探頭結構示意

系統的基本工作過程如下：①使用上位機(筆記本電腦)通過RS-232接口與電子系統進行通訊，可以對整個系統進行調試和配置操作；②確認設備工作正常后將檢測器放入管道，將渦流探頭檢測到的管壁上的磁場信號、里程輪和碼盤轉動產生的脈沖信號和陀螺儀采集的三軸加速度數據送入MCU(微控制單元)主控單元；③完成檢測后上位機可通過 USB 接口下載系統采集的數據。

4 牽拉試驗

為了驗證該內檢測器的檢測效果，研究盜油孔的信號特征，在有人工制作盜油孔的試驗樣管上對設備進行牽拉試驗。牽拉完成后，利用數據分析軟件對牽拉試驗數據進行判讀，通過分析渦流信號，對盜油孔的特征進行識別，從而建立基于渦流檢測的盜油孔缺陷識別與判定方法。

4.1 環焊縫特征識別

根據管道環焊縫施工工藝要求，焊口位置的厚度一般比管材本身厚度要大一些，表面上呈現出有一定寬度的環向凸起，結構上表現為金屬增加。筆者截取了部分環焊縫的渦流特征多通道信號(見圖6)，然后從中隨意選取一條通道信號，并將其放大，發現其變化特點都是先向下再向上再向下，呈現出一個大波峰和兩個小波谷(見圖7)。

圖6 環焊縫渦流特征多通道信號

圖7 環焊縫渦流特征單通道信號

4.2 盜油孔特征識別

焊接式盜油孔是現今最常見的一種盜油方式。在管道結構上的變化表現為外接管金屬增加，鉆孔后金屬損失。人工制作的焊接式盜油裝置實物如圖8所示。焊接式盜油孔渦流特征通道信號變化趨勢整體上和環焊縫的類似，都是先向下再向上再向下，呈現出一個大波峰和兩個小波谷，其渦流特征多通道信號如圖9所示。

圖8 人工制作的焊接式盜油裝置實物

圖9 焊接式盜油孔的渦流特征多通道信號

從所有通道中選取一條最具代表性的通道(信號見圖10)，其呈現出波谷-波峰-波谷-波峰-波谷的變化趨勢，與盜油孔結構保持一致，可見，通過該典型特征能夠實現盜油孔的識別與判定。

圖10 焊接式盜油孔的渦流特征單通道信號

5 工程應用

基于渦流技術的防打孔盜油內檢測器已在多條輸油管道上進行了工程應用。該設備在檢測環焊縫、閥門、彎頭、三通等管道基本特征的基礎上，能夠有效識別打孔盜油信號和內壁金屬損失信號。依據數據分析給出的檢測成果，結合高精度低頻跟蹤定位系統，已成功檢測出了某條管線的多處打孔盜油點。該管線的打孔盜油點信號和開挖驗證現場分別如圖11，12所示。

圖11 某管線焊接式打孔盜油點信號

圖12 焊接式打孔盜油裝置開挖驗證現場

6 結語

(1) 基于渦流檢測的防打孔盜油專用管道內檢測技術，研制了一種結構簡單、通過能力強、檢測里程長、檢測效果好且施檢方便快捷的內檢測器，該檢測器能夠有效檢測出管道上的打孔盜油特征，同時也能夠檢測一些典型的內壁缺陷，減少了檢測成本，縮短了檢測周期，能夠及時響應檢測計劃。

(2) 可通過多輪次打孔盜油內檢測數據建立數據庫，將歷次檢測數據進行對齊和比對，建立盜油孔信號特征模型，以更好地提高盜油孔的識別概率和檢測效率，減少經濟損失及其引發的次發性危害。