油气管道检测技术设计研究现状.docx

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油气管道检测技术设计研究现状

油气管道检测技术研究现状

2014年5月8日

长输管道在服役时主要受到内、外两个不同环境的腐蚀，内部环境的腐蚀主要指管道运输介质石油和天然气中的H2S、Cl-及H2O引起的腐蚀，此外还有管道内应力等引起的腐蚀。

一般采用清理管道以去除污物或者往输送介质中加入缓蚀剂等措施来减缓内腐蚀。

外腐蚀一般因管道涂层/防腐层破坏、土壤腐蚀等造成，管道外腐蚀检测一般是检查涂层/防腐层及阴极保护防腐系统。

根据管道检测实施部位的不同，可将管道检测技术分为外检测技术和内检测技术两大类。

1外检测方法

根据检测对象的不同，管道外检测又可分为管道本体检测、防腐层及阴保系统检测以及泄漏检测。

1.1管道本体检测

1.1.1超声导波检测技术

超声导波检测系统是利用探头上的压电陶瓷等材料和管壁紧密结合，激发出低频超声波信号，在钢管中的频率范围为5~60kHz，传播速度为3260m/s，声波从固定在管道周围的探头环发射[1]。

与传统的超声波检测相比，超声导波技术具有突出特点：

一方面，在结构的一点处激励超声导波由于传播路径衰减小的特性，可以沿构件传播多达几十米的距离，且探头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间结构的整体信息，因此实际上检测的是一条线，而不是一个点；另一方面，由于超声导波在管的内、外表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个壁厚，因此整个壁厚都可以被检测到。

这就意味着，超声导波检测系统可以同时检测管道的内部和表面缺陷。

导波主要分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波（Lamb）和漏兰姆波等。

根据Silk和Bainton的理论，圆柱体中的导波又可分为轴对称纵向模式、轴对称扭转模式和非轴对称弯曲模式等。

目前世界上主要有四家机构研制出了超声导波检测系统[2,3]，主要有英国TWI公司的TELETEST超声导波检测仪；英国导波公司的WAVEMAKER导波检测仪；美国西南研究院研制的MSS导波检测仪；以色列SONIC公司研制的ISONIC系列导波等。

其中前两种导波设备是基于低频超声导波（LRUT）原理，MSS设备是基于磁致伸缩导波原理。

核心技术方面，超声导波技术有两大流派[1]：

一个是导波公司（GWC），他们的技术特点是用切变模压电陶瓷作换能器激发和接收导波，多通道多探头；另一派是美国SWRI（美国西南研究院），其技术特点是用具有磁致伸缩效应的镍（Ni）金属片作换能器激发和接收导波。

二者各具特色，总体来说Ni片做换能器相对比较简单，成本较低，但采集到的数据少，可采用的分析与处理数据的方式方法也少；而压电换能器通道多，采集到的数据多，可采用的分析与处理数据的方式方法也多，但设备复杂，价格较高。

其中，SWRI的第三代MSSR3030R检测系统，已经被广泛应用于多种工业领域中，用于大型构件快速和低成本的检测和长期状态监测[4]。

这种方法灵敏度高，不受管道内流动液体的影响，同时能快速提供大面积区域结构的综合状态信息。

在管道检测工程应用方面，王遂平等[2]利用WavemakerG3超声导波检测系统对某529ｍｍ原油长输管道选取了８区段进行了检测试验。

结果表明，超声导波技术对于埋地占压管道的单项检测距离为１０～１５ｍ，对于占压距离＜30ｍ的管段可以实施100％全面检测分析。

此外，江苏省特种设备安全监督检验研究院的窦林彬等人[5],在多模态超声导波管道检测技术方面做了有益尝试，拟用于实现大面积、长距离和复杂状态管道的早期裂纹快速检测

超声导波是一种新兴的检测手段，目前还在不断的发展当中。

导波检测技术也存在一定的局限性，但是导波的在反应速度和扫查范围等方方面有着独特的优势，尤其是对一些难以到达的管道的检测优势更为明显，如海底、穿越、跨越、采油平台立管等。

超声导波技术目前正向两个方向发展：

1、其他方法难以检测到的损伤与缺陷材料检测的研究，如纤维增强型复合材料；2、大型构件检测的理论研究，如大型储罐、航天行业等。

1.1.2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。

数字X射线技术主要包括CR和DR成像检测技术，CR技术即计算机X射线成像技术，是用影像板IP替代传统的胶片，DR则是指直接采用电子扫描成像技术。

CR和DR技术已经开始在临床医学、非标件的无损检测等领域大量推广应用，其成像面板主要被柯达、GE等少数在成像材料研制方面领先的大公司垄断。

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[6]。

CR和DR技术具有不用成像胶片、更宽的动态范围和更小的像素尺寸等优点，在图像的对比度、宽容度和所具备的灰阶指数方面都优于胶片，数字射线成像能够通过网络共享和评估影像，加快工作流程，在管道环焊缝检测领域发展潜力巨大[7]。

图1所示为射线高清摄像和射线普通面阵成像对管道焊缝的检测结果。

图1射线高清摄像和射线普通面阵成像对管道焊缝的检测结果

1.1.3涡流检测

涡流检测技术主要是管道在不拆保温层或在线状态下的脉冲涡流测厚技术。

涡流检测信号的强度依提离值（绝缘层厚度）的不同而有差别，其持续时间随金属壁厚的不同而变化。

同时检测信号受很多因素影响，包括金属材料性质（磁性和电性）和温度。

该方法采用自检件进行自校准，通过对比可给出其他部位厚度的当量（百分比）数据，检测精度误差约为5%。

脉冲涡流测厚设备适用于检测大面积腐蚀缺陷，不能检测单个小腐蚀坑；可在不停运情况下进行在线检验，适合于较大范围的气候和温度条件。

其主要优点为：

不用打磨被检测管道的表面；不必去除绝缘层或涂层；可检测铝或钢制保温层（小于1mm）的高低温管道；被检测物表面允许粗糙或结垢；允许保温层不规则或不均匀；允许保温层能有金属加强网。

该技术的不足是：

只适合于低合金钢；不能检测小的独立凹坑；比超声波技术精度低等。

1.1.4瞬变电磁检测技术（TEM）

管道壁厚TEM检测方法利用瞬变电磁原理，与常规开挖抽检技术和管道内检测技术相比，它具有在地面检测、不需开挖、不破坏管道、效率高等优点，适用于管道内检测和其它无损探伤手段不便实施的场合，针对管道本体检测、查找管壁厚度减薄部位、评价管体腐蚀程度，特别适用于油田集输管道腐蚀检测和完整性评价工作。

目前该方法已在大量管道上应用[8]，并且已被纳入新制定的石油行业标准中。

1.2防腐层及阴保系统检测

1.2.1多频管中电流测试法（PCM）

多频管中电流衰减法是一种可以检测防腐蚀涂层漏电情况的技术，该技术采用了PCM仪器，通过检测间距测出来电流，再对电流分布梯度进行测定，整个管道的形貌都可以描绘出来，能准确快速地定位电流信号衰减严重的地方，再通过“A”字架进行检验地表电位的梯度，就能实现对防腐涂层的破损处进行定位。

该方法适用于埋地钢管涂层的质量检测、对涂层破损点的精确定位、对涂层老化情况进行评级还可以对阴极保护效果进行评定[9]。

目前，该技术在国内油气长输管道防腐层直接检测方面应用广泛[10-12]。

根据现场操作经验，设备在使用过程中应注意如下事项[10]：

（1）接收机应在管道垂直上方读取电流或深度数值；

（2）易受外界电磁干扰，部分情况可使用大功率便携式发电机对发射机供电，提高发射机的输出电流，从而减小影响；（3）接收机的读书还与地形地貌、管道埋深、土壤均质有关，遇特殊地段应加密测试；（4）在检测工作中，在涂层缺陷点出电流数据呈阶梯状的“V”字形分布，电流曲线经常出现起伏状态；（5）在现场工作环境中，PCM发射机的电流输出经常受到接地条件的影响，在管道站场或者管道干线上通常可以选择测试桩的接地作为接地极。

张伟等人[12]针对沙漠特殊地形，提出了在PCM检测过程的接地点的选择、信号供入点选择、克服干扰、重复读数以及检测并行敷设管道时操作经验。

1.2.2密间距电位测量方法（CIPS）

密间距电位测量法是通过检测阴极保护在长输管道上的密集点位以及密集极化电位，评定阴极保护的效果、管道受杂散电流干扰的腐蚀情况，也能反映防腐涂层的情况。

该方法存在一定的局限性，对操作者经验的依赖性高，容易受到外界的干扰，准确率比较低[13,14]。

刘红晓等人[15]利用DCVG/CIPS（近间距管地电位/直流电压梯度）检测技术，对埋地长输管道防腐层进行检测，并通过实地开挖对DCVG/CIPS检测的结果进行验证，结果良好。

1.2.3标准管/地点位检测技术（P/S）

该技术主要用于监测阴极保护效果的有效性，采用万用表测试接地CU/CuSO4电极与管道金属表面某一点之间的电位，通过电位距离

曲线了解电位分布情况，用以区别当前电位与以往电位的差别，还可通过测得的阴极保护电位是否满足标准以衡量涂层状况。

该法快速、简单，现仍广泛用于管道管理部门对管道涂层及阴极保护日常管理及监测中。

1.2.4皮尔逊监测技术（PS）

该技术是用来找出涂层缺陷和缺陷区域的方法，由于不需阴极保护电流，只需要将发射机的交流信号（1000Hz）加载在管道上，因操作简单、快速曾广泛使用与涂层监测中。

但检测结果准确率低，易受外界电流的干扰，不同的土壤和涂层段组都能引起信号的改变，判断是否是缺陷以及缺陷大小依赖于操作员的经验。

1.3泄漏检测

1.3.1光纤检测法

光纤传感技术具有体积小、灵敏度高、耐酸碱腐蚀、抗电磁干扰能力强、不产生电火花等优点，目前主要应用于管道泄漏检测。

技术原理包括光纤布拉格光栅传感技术、光纤散射传感技术、Sagnac光纤干涉传感技术、Mach-Zehnder光纤干涉传感技术、偏振光光纤传感技术、光纤消逝场传感技术等[16]。

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。

国内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[6]。

1.3.2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[17]，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。

1.3.3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。

其他普遍应用的油气管道泄漏检测技术还有负压波的检测技术、软硬结合技术[18]，瞬变流动检测技术[19]，以及适用于气体管道的[20]可燃气体监测法、火焰电离检测法两种、气体敏感检测法、管内智能检测法等。

1.4其他

对已海底敷设管道，使用侧扫声纳系统可对海底管道的平面位置、裸露的高度、悬跨程度等在位状态进行检测[21]。

对于平坦海底面上的管道,依据声纳记录上管道声影区与管道影像的尺寸和相互接触关系,能够计算出管道的裸露或悬跨高度。

对于位于管道沟中的海底管道,在一定条件下侧扫声纳仍能检测到管道的在位状态。

图2所示为不同海底管道状态的侧扫声纳检测结果。

图2侧扫声纳对（a）裸露于海底面上（b）悬垮于海底面上（c）处于管道沟中（d）悬垮于管道沟中的海底管道检测结果

此外，采用浅地层剖面仪也可以对海底管道的敷设情况（裸露、架空等）进行检测。

王继立等[22]基于工程实践积累的经验及数据，对浅地层剖面仪在海底管道检测中的影响因子，包括不同信号源、不同航行速度及不同水深时的探测效果进行比较后认为，实际应用中，采用Chirp技术的浅地层剖面仪有较好的探测效果，保持适中航速是有益的，随着水深增加，探测效果会随之受到影响。

部分国外公司（Total，Chevron等）开发出了一种自主水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicles，如图3所示），用于对海底管道的检测[23-25]。

改设备基于声纳技术，可以实现三维成像，但在管道腐蚀检测等方面仍存有不足，目前正处于研究起步阶段。

图3AutonomousUnderwaterVehicles实物图

2内检测方法

管道内检测技术主要是通过装有无损检测设备及数据采集、处理和存储系统的智能清管器在管道中运行，完成对管体的逐级扫描，达到对缺陷大小和位置的检测目的。

管道内检测技术可以在保证管道正常运行的条件下，定量检测出管道存在的缺陷。

该类技术的应用为管道事故的预防和合理维护提供了科学依据，对保证管道，尤其是长输管道安全运行具有重要作用。

管道中内检测可以被检测到的缺陷可以分为几何形状异常（凹陷、椭圆变形、位移等）；金属损失（腐蚀、划伤等）；裂纹（疲劳裂纹、应力腐蚀开裂等）3中主要类型。

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。

2.1漏磁检测技术

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。

2.1.1轴向磁场检测技术

轴向磁场检测技术发展历史较长，技术比较成熟，应用较为广泛[26-28]，目前仍是大部分检测公司最常用的检测技术。

如GEPII、ROSEN等检测公司早已开发出轴向磁场的三轴探头检测设备，并在工业现场广泛应用。

三轴探头的检测器能够检测同一柱面上缺陷处磁场的矢量大小、方向及分布，为数据分析建立的数据模型提供了比单轴更为丰富的数据信息，可精确量化金属损失缺陷的几何尺寸，大大提高缺陷的量化精度。

图4所示为三轴信号示意图。

图4三轴信号示意图

2.1.2横向磁场检测技术

传统的轴向磁场检测技术对轴向缺陷较敏感，而对沿管道轴向的纵向金属损失缺陷不敏感，被轴向磁场漏磁检测器发现或者探测到的信号较弱，因此作为常规轴向漏磁检测技术的补充，横向磁场检测器应运而生。

它提高了对沿管道轴向狭长金属损失缺陷的检测灵敏度（见图5）。

目前，国际上个别公司开发出横向磁场检测设备，对漏磁检测技术发展具有重要意义。

图5缺陷形状对轴向和横向磁场变化的影响

2.1.3螺旋磁场检测技术

TDW公司近年开发出了螺旋漏磁场在线检测技术，而螺旋磁场检测技术正好是轴向和周向磁场检测技术的有机结合。

牵拉试验结果表明，该设备不仅可以检测到轴向狭长的缺陷（传统的MFL不能检测到），也能够检测到周向的缺陷。

对于轴向狭长缺陷，SMFL比普通MFL检测信号灵敏度明显提高。

图6所示为TDW公司螺旋漏磁场在线检测装置示意图。

图6TDW公司研发的旋转漏磁场在线检测装置

2.2超声检测技术

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。

国外主要超声波管道检测传感器有相控阵超声波检测器、弹性波管道检测器、基于电磁超声的管道检测器和适用于气体管道检测的超声波腐蚀检测器4种[29]。

2.2.1相控阵超声波检测器

美国GE公司研制的超声波相控阵管道内检测器（图7）于2005年开始应用于油气管道内检测，共检测管道长度4700km，该检测器包括两种不同的检测模式：

超声波壁厚测量模式和超声腐蚀检测模式，适用于管径610～660mm的成品油管道[30]。

图7GE公司研制的相控阵超声波检测器

该检测器有别于传统检测器的单探头入射管道表面检测的方法，采用探头组的形式来布置探头环，几个相邻并非常靠近（间距0.4mm左右）的探头组成一个探头组，一个探头组内的探头按照一定的时间顺序来激发并产生超声波脉冲，而该激发顺序决定了产生的超声波脉冲的方向和角度，控制一个探头组内不同探头的激发顺序就可以产生聚焦的超声波脉冲。

检测器包括3个探头环、44个探头组，每个探头环提供一种检测模式，可根据不同的管道检测需求来确定探头环（图8）。

该检测器与其他内检测器相同，包括清管器、电源、相控阵传感器、数据处理和储存模块4部分，清管器上装有聚氨酯皮碗，一方面负责清管以确保检测精度，另一方面其位于整个检测器的头部，具有密封作用，使得检测器可以在压力差的作用下驱动前进。

探头仓由3

个独立的探头环组成，每个探头环的探头布置都能实现超声波信号周向全覆盖。

检测器能够实现长25mm、深1mm的裂纹检测，检测准确率超过90%；最小检测腐蚀面积10×10mm2，检测精度大于90%[31]。

图8相控阵传感器单元

2.2.2弹性波管道检测器

安桥管道公司管理着世界上最长和最复杂的石油管道网络。

该公司研发的内检测器已经在超过15000km的管道中运行。

其中基于声波原理的检测器主要有弹性波检测器和超声波管道腐蚀检测器（图9）[32]。

a

b

图9（a）弹性波检测器和（b）超声波腐蚀检测器

弹性波检测器的弹性波信号可以在气体管道中传播，主要用于检测管道的焊缝特征，尤其是对长焊缝和应力腐蚀裂纹有较好的检测效果。

最新的MKⅢ弹性波检测器最多可以装备96个超声波传感器，用于在液体耦合条件下发射接收超声波信号，进行管道检测。

MKⅢ弹性波检测器的最大运行长度为150km，相对于二代产品的45km有了很大程度的提高。

超声波管道腐蚀检测器根据超声波回波信号来判断管道的腐蚀情况，只适用于液体耦合介质的管道检测。

检测器以45°的入射角向管壁发射超声波信号。

由安桥管道公司研发的864mm超声波腐蚀检测器包括480个45°的横波传感器和32个纵向传感器，可用于检测和判别管体和长裂缝缺陷[33]。

与弹性波检测器相比，超声波检测器具有适用管径范围大、检测精度高、工作距离长的优点，但其仅适用于液体管道的检测。

2.2.3基于电磁超声的管道检测器

传统意义上的超声波检测器是基于压电传感器，需液体耦合介质将超声波信号传导至管壁，因此只适用于液体管道，而不能应用于输气管道[34]。

为了将超声波内检测技术应用于输气管道，科研人员研制出了电磁换能器（EMAT）[35]。

EMAT能够通过线圈激发和接收超声波信号，同时线圈可以产生漏磁和涡流信号，通过一个传感器可以同时独立发射3种信号，综合分析后可以更好地得出腐蚀的尺寸和缺陷的特点。

德国AG公司研发了此类能够通过EMAT技术发射超声波和电磁涡流信号并具有集成功能的检测器，称之为LineExplorer3TM-tool（图10）。

该检测器因其特殊的结构设计，可用于不同管径管道的检测。

携带传感器的装置共装有20块磁铁，整个EMAT的电子单元布置在传感器的后面，每个单元由20个传感器组成，直径1016mm的检测器一共装备了400个频率为2.5MHz、直径为8mm的传感器，检测器前段还包含电池单元和数据储存处理单元。

图10多功能管道缺陷检测器

利用3种不同检测方法（超声波、漏磁、涡流）进行腐蚀检测的检测器，优于传统的单一方法的检测器，能够提供更多的数据并提高检测的精确性。

例如，层压在超声波检测中有时可能被误认为是一种外部的金属腐蚀，而漏磁和涡流检测不会出现这种现象，因此通过数据对比，可以更加可靠地对异常情况进行鉴别[36]。

2.2.4适用于气体管道检测的超声波腐蚀检测器

由GE公司研制的第二代超声波腐蚀检测器能够有效地检测应力腐蚀开裂（图11）[37]。

由于超声波检测必须在一定的液体耦合介质中才能发挥作用，因此在气体管道检测方面受到限制，而GE公司研制的该款检测器利用密封塞实现气体的置换，相当于在气体管道中创造了一个液体环境。

其原理是利用一个特殊的发射接收装置来收发检测器，检测器由3个位于前端的隔离密封塞和两个位于后部的检测装置组成。

隔离塞创造一个密封的环境，通过上端的阀门注入水，提供超声波检测所需要的耦合环境以实现检测[38]。

检测器共有16个壁厚测量传感器和240个腐蚀检测传感器。

图11UltraScanCDtool发射示意图

2.3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[6]。

3结束语

各管道外检测方法，技术特点鲜明，具有较强的针对性。

在生产应用中，应根据管道具体情况，考虑不同外检测技术相结合的方法。

多功能、高精度是管道内检测技术今后的发展方向。

检测设备结构将更趋于智能化，同时融合其他如清管器、陀螺仪等设备，能够同时完成测径、管道检测、定位等多项任务，提高检测效率。

但需要解决检测器平稳运行、数据安全存储、传感器分布优化等问题。

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