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细说长输管道的检测技术

由于各种因素的干扰,长输管道在使用期限内不可避免地会发生泄漏或有泄漏倾向,为降低泄漏对生产、环境带来的负面影响,加强管道检测是一种必要的手段。文章从内检测和外检测两个方面介绍了国内外长输管道检测技术的原理和基本现状。内检测技术主要包括:漏磁检测、超声波检测和多种检测技术的结合应用;外检测技术主要包括:射线检测、声频检测、液体浓度检测和光纤检测。

随着长输管道建设的迅猛发展,我国长输管道总里程已达数万千米,且早期建设的管道由于受当时技术水平的限制,现阶段不断出现老化、泄漏事件,为降低油品泄漏对环境的影响,以及停产修复带来的经济损失,加强管道检测十分必要。

而对于海底管道来说,其建设越来越趋向于深海,管道不仅面临海水腐蚀,而且涡流引起的外力也会加速腐蚀。有国外调查报告显示:海底管道失效有50%以上是由内腐蚀引发的。一般情况下,对于陆地管道来说,设计、维护人员可经常到现场查看实际情况,随时做出调整,而海底管道不具备这种条件,且海底管道的修复、管段更换更难,因此,定期对海底管道检测更具有实际意义。

根据管道检测实施部位的不同,可将管道检测技术分为内检测法、外检测法和实时软件、模型检测法。

1管道内检测技术发展现状

由于内检测是在管道内部使用各种检测工具对管道情况进行测量,因此,基本不受管道所处地理位置的限制,既适用于海底管道,也适用于陆地管道。

根据检测原理不同,管道内检测方法分为:漏磁法、超声波法、电磁声法、惯性法、激光扫描法等。其中漏磁法和超声波法是目前应用最广泛的两种检测方法。各种内检测方法的优、缺点及适用范围见表1。

1.1 漏磁检测法

漏磁检测是通过对金属管壁磁化后,缺陷处会产生漏磁通,通过检测磁通量判断管壁腐蚀程度。

以前,漏磁检测法的研究着重在提高传感器的分辨率上。2002年,BuckeyePipeline公司将剩磁传感器与高分辨率漏磁清管器结合,不仅能够检测与腐蚀相关的泄漏和异常,而且能够区分内腐蚀和外腐蚀。随后,现代公司进一步提高了漏磁检测智能清管器的信号分辨率。最近,德国ROSEN公司研发的762/914mm漏磁检测工具,主要部件就是一个磁性传感段,通过调节自主研发的传感器环使管壁与传感器之间有良好接触,以达到磁化管壁的目的。

但是,目前大多数漏磁检测采用的是轴向充磁器,它可检测和量化多种金属损失特征,但只能检测管体积缺陷、一般腐蚀和较宽的环形裂纹,无法检测某些特定轴向特征。为此,需要进行环向测量或横向测量,但目前的检测工具不支持环向和横向同步数据采集,因此,引入了斜向磁极概念,并将其与轴向检测工具同步运行。

TDWillimson公司最新开发的一种新型漏磁检测方法,就是利用一种螺旋漏磁工具对管缝进行评估[2]。它可采用单个磁化器完成管壁的检测,可在不增加工具长度的情况下与传统高分辨率横向漏磁检测工具相匹配使用,在一次运行中生成多重数据集,提高了对焊缝缺陷的分类检测能力并能够量化长形缺陷,并利用多重数据集对金属损失进行评估。此工具可以检测管壁和长形焊缝中细长、狭小缺陷,极大提高了检测性能。其采样频率高达750Hz,运行压力范围为2.1~13.78MPa,温度范围为-10~55℃,管道最小曲率半径为1.5D(D为管径),运行速度高达2.53m/s,因此,具有极高的适用性,并可提高检测效率。

1.2 超声波检测法

超声波检测法是根据超声波的反射、透射和散射作用,对被检测管道进行缺陷检测、几何特征测量、组织结构和力学性能变化的检测。现代超声波检测起源于20世纪70年代,德国Pipetronix公司率先采用超声扫描仪(UltraScan)用于在线检测,其上装有液压离合器设备。20世纪90年代,日本钢管株式会社研制了超声波传感器环向排列的超声波清管器,可在线检测管道内壁厚度的变化。20世纪末,上海大学研发了装有旋转探头的超声智能清管器,可扫描管道损伤。21世纪初期,中国石油天然气集团公司发明了多探头的超声波自动在线检测系统[3],它通过计算探头和管内壁、外壁的距离等数据,准确测定管道腐蚀状况和位置。最近,德国GE公司开发了一种单晶振荡器(压电)振子的超声波阵列在线监测装置。超声波检测法已发展到了激光超声波,它是使用激光能源在待测管壁产生超声波并探测的一种检测技术[4]。与传统的超声波不同,激光超声波具有更宽的频带和非常小的探针面(约0.5mm)。这些特性使得此技术更适用于管道应力腐蚀开裂(SCC)深度的测量,也可应用于其他裂缝深度测量。美国交通运输部等多部门组织的鉴定表明:使用超声波衍射时差法的激光超声波检测技术可以可靠、准确地测量SCC深度。

1.3 多种内检测方法的结合应用

由于各种内检测方法各有优缺点,为提高管道检测效率和质量,将两种或多种管道内检测方法结合应用已成为一种趋势。

德国ROSEN公司研发出一种结合漏磁通量和超声波技术的管道检测方法RoCorr-UT。它以UT为基础,压电元件发射出的超声波沿管道内外壁反射传播,同时测量信号的渡越时间。这种检测方法可检测出管道缺陷形态的长度、深度和宽度,并可达到很高的精度。

此外,加拿大一家公司发明了SmartPipe技术,它是一种激光扫描技术,能检测到大面积的腐蚀,检测效率和精确度较高,并可提供三维图像。

2管道外检测技术发展现状

由于陆地埋地管道和海底管道所处的位置不同,外检测方法也不同。对于陆地埋地管道常用的外检测方法有:射线检测、人工实地巡检等。而对于浅海管道(水深<60m)可派遣潜水员潜水检测,对于潜水员无法到达的深海管道,则需要利用遥控潜水器(ROV)拖载检测设备沿管道移动,由工作人员进行远程操控。

海底管道外检测方法还有声频技术、液体浓度检测法等。而既适用于海底管道又适用于陆地埋地管道的外检测方法则有光纤检测法。各种外检测方法的优缺点见表2。

2.1 射线检测法

射线检测法起步较早,应用最为普遍,一般用于陆上管道敷设施工中管沟回填前对管道焊缝的检测。一般使用带有X射线或放射性同位素源的爬行器。目前进一步发展了先进的直接数字射线成像技术,如:GE公司研制的DXR250V,其生成的射线图像可直接显示在屏幕上,与计算机连接也较方便。

2.2 声频检测法

声频检测法主要利用声频检测器,它是一种有效的水下传声装置,可将声频信号转换为电子信号,目前先进的声频测漏器最低可检测到的泄漏率为10L/h,定位精度可达1m,是检测小泄漏的较有效手段。

由CoLMar公司发明的无源声纳系统利用其装备的水声器、前置放大器和电缆驱动设备检测管道泄漏发出的声音信号,信号数据通过电缆传送到数据处理中心,数据处理中心的软件再以多种形式将信号数据分析结果显示出来,可实时评估泄漏。这一设备已被用于亚德里亚海30km管道和黑海380km管道的由管道制作缺陷、焊接缺陷或不合格法兰引起的泄漏应急检测。

2.3 液体浓度检测法

一旦海底管道泄漏将导致烃溢散于海水中,利用一种烃传感器,便可探测海底烃的含量,进而判断泄漏的发生。

Subocean公司研制的一种海底管道自动泄漏检测系统,就是利用ROV上的高灵敏度传感器SEASⅤ探测管道泄漏后周围海床和海水中烃的含量,通过传感器上的智能装置判断烃是否来源于管道泄漏,然后通过双路通信系统将信号传输至系统操作人员。英国Nepture公司最近推出了一种LongRanger液体浓度法测漏传感器,可在其20m距离内检测到泄漏原油。

2.4 光纤检测法

分布式光纤传感监测法是将光纤紧贴管道钢管敷设,光纤会与管道产生一致的应变,因此可以获得光纤各点处空间和时间上连续分布的信息。分布式光纤传感技术可以基于光时域或光频域反射原理进行检测,目前,光时域反射技术较成熟。这种检测技术不仅适用于陆地埋地管道也适用于海底管道。

浙江大学自主研发的海底管道串联分布式光纤监测系统水平先进,它以布里渊散射的光时域反射原理为依据,将多个光纤传感器串联,对长输管道进行实时检测。

这种技术的缺点是:光纤造价较高;光纤细小、易断,敷设时要特别注意;光纤弯折和对接质量不高易导致光损耗,影响光纤监测结果。

3结束语

近年来,随着我国长输管道建设和运行的跨越式发展,以及相关行业,如信息化技术等的逐步成熟,长输管道检测技术也取得了长足进步。但是,我国的检测技术,尤其是海底管道外检测技术与国际同行相比还有一定的差距。

随着国际上对X射线衍射、电子扫描显微、拉曼光谱学和极化检测等技术的深入研究,管道检测技术还将向更先进的方向发展。

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