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(综述)国内外油气管道检测监测技术发展现状_李育忠--20

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综述 国内外 油气 管道 检测 监测 技术发展 现状 李育忠 20
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石油科技论坛 · 2012 年第 2 期发展战略国内外油气管道检测监测技术发展现状 *摘   要 : 随着管道完整性管理技术水平的迅速发展和油气管道安全运行的实际需要, 管道施工质量的检测与在役管道的安全监测技术已受到业界的特别重视, 各种管道检测监测技术也随之蓬勃发展起来。 文章就当前国内外油气管道检测与监测技术发展状况进行了系统介绍, 并指出了未来的发展方向, 具体包括管道内检测技术的漏磁检测技术、 超声检测技术,管道监测光纤传感技术, 管道焊接无损探伤技术的相控阵超声检测技术、 数字射线检测技术、 超声导波检测技术等。关键词 : 油气管道 检测技术 监测技术  郑宏丽 1  贾世民 2  刘全利 3  邓凯夫 4  张金权 51. 中油管道检测技术有限责任公司 ; 2. 中国石油天然气管道局 ;3. 中国石油天然气管道科学研究院 ; 4. 美国南加州大学 ; 5. 中国石油天然气集团公司通信公司* 基金项目 : 国家 863 科技项目 “油气管道光纤安全预警技术与装备研制” (编号 : 2006 ; 国家科技支撑项目 “油气管道裂纹检测技术研究及装备研制” (编号 : 2008 ; 中国石油天然气集团公司科技攻关项目 “长输油气管道及储运系统安全无损检测新技术研究” (编号 : 2008。第一作者简介 : 李育忠, 1969 年生, 1998 年硕士毕业于大庆石油学院化工机械专业, 高级工程师, 现任中油管道检测技术有限责任公司副经理, 长期从事管道检测技术研究与应用工作。1 世界管道内检测技术发展现状随着油气管道完整性管理理念的兴起, 管道内检测技术也随之得到迅速发展。 所谓管道内检测技术, 就是在不影响油气管道输送条件下, 通过使用智能检测设备 ( 完成对管道存在缺陷的检测,并对所发现的缺陷进行适用性评价 ( 以进行科学合理的维修, 它不仅可以保障管道安全运行, 而且还可以延长管道使用寿命。 当前国内外所应用的智能检测器主要以漏磁检测技术 ( 和超声检测技术 ( 为典型代表, 经过近 40 多年的发展, 得到了工业界的广泛应用, 为管道安全运行和科学管理提供了重要决策依据, 内检测技术正向更高精度和更好适应性方向发展。 由于受到的约束条件较少, 漏磁检测技术发展表现更为突出, 各种形式的漏磁技术相继涌现, 其中, 轴向漏磁检测技术发展最早并最为成熟, 继之又出现了横向漏磁检测技术、 三维探头漏磁检测技术和螺旋磁场检测技术。 超声检测技术方面, 除了传统的压电超声技术, 应用于天然气管道的电磁超声检测技术也已开始推广应用。 同时, 为满足特殊工况条件, 出现了多功能组合检测器, 一次完成各种功能的检测, 实现各种检测技术的优势互补。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, 目前仍是大部分检测公司最常用的检测技术。 如 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 1 )。302012 年第 2 期 · 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 (图 2 )。 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。旋磁场检测技术在 2011 年里约国际管道会议上, 司发表了论文 《倾斜漏磁场在线检测技术》, 阐述了螺旋漏磁场检测管道金属损失缺陷的优势。 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 (图 3 )。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 能检测到), 也能够检测到周向的缺陷 (图 4 )。对于轴向狭长缺陷, 普通 测信号灵敏度明显提高 (图 5 )。电超声检测技术超声波检测技术由来已久, 目前也是无损检测领域的主要方法, 在液体管道中广泛应用。 该技术是将超声波探头与管壁垂直入射布置, 能够直接测量管道壁厚减薄的金属损失, 灵敏度高, 缺陷量化准确。 当前 测器技术指标详见表 1 。表 1  当前 测器技术指标名称 指标速度范围 ≤ 2.4 m/0 置为 5缺陷最小深度 置为 轴向精度缺陷定位精度 (离最近环焊缝)± 10 °深度量化壁厚测量分辨率 等 : 国内外油气管道检测监测技术发展现状31未检测已检测石油科技论坛 · 2012 年第 2 期发展战略表 2  当前超声波裂纹检测器技术指标名称 指标速度范围 < 0焊缝处 2轴向精度缺陷定位精度 (离最近环焊缝)± 10 °长度量化精度L > 100 ± 10%L ≤ 100 ± 10可以检测裂纹类缺陷, 这是管道裂纹检测的主要手段,目前国外知名的管道检测公司都拥有该技术。 随着管道完整性管理技术水平的不断提高, 业主对管道常规超声波检测的需求不断增强。 当前超声波裂纹检测器技术指标如表 2 所示。磁超声检测技术从 20 世纪 50 年代开始, 随着天然气管道的大量使用和传输介质压力的不断提高, 因管材产生裂纹引起的安全问题受到了越来越多的关注。 由于裂纹形态和分布的特殊性, 将常规的腐蚀缺陷检测方法应用于裂纹检测时都显得无能为力。 为此, 在将管道检测的重点转到裂纹在役检测上的同时, 国内外管道无损检测界做了大量的尝试性研究, 取得了一些阶段性成果。 超声波是最可靠的裂纹检测方法之一, 但由于天然气管道中没有耦合剂, 因此耦合方法是其研究的重点。 目前, 美国 司和德国 司已经开发出 测器, 已有商业应用, 但某些技术方面还有待改进, 尤其对输气量大和站间距较长的管道检测是一个严峻的挑战。 据了解, 这种技术的检测器还未实现系列化。2 我国管道内检测技术发展状况管道内检测技术在我国的发展只有不到 30 年的历史, 从 20 世纪 80 年代初期, 我国开始对管道检测技术进行研究, 并取得了初步成果, 但没有投入到实际的工业应用中。 直到 1994 年中国石油天然气管道局从美国引进漏磁检测设备开始, 才真正着手漏磁检测技术的研究和应用。 在 16 年的研究与应用发展过程中,管道局的检测技术水平取得了巨大的飞跃, 从全套引进设备的消化吸收, 到自行研制标准精度漏磁检测器, 从整套检测设备的全面国产化和系列化, 到适用于输气管道的中等清晰度检测设备的技术升级, 从开发高清晰度检测设备到实现高清晰度检测器的系列化与工业应用, 管道局的轴向漏磁检测技术与国际上相比水平已基本接近。 但对于超声波检测技术和电磁超声技术等方面研究才刚刚起步。目前, 管道局拥有与国际技术水平相当的轴向磁场的高清晰度检测技术, 口径范围覆盖 8 ~ 48 并在国内外得到广泛应用。 具有代表性的 48清晰度腐蚀检测器, 主探头 ( 480 个) 采用高灵敏度 件,D ( 120 个) 探头采用涡流技术, 并集成一体化, 具有良好的动态性能, 可搭载测绘系统 ( 和速度控制系统 (图 6 )。测绘系统可精确测绘出管道的地理坐标, 结合地面高精度的 考点坐标, 就可以精确报告出管线的 标并描绘出管道的走向图, 这对管道业主有效监测其管道是否因地震、 土壤坍塌和人为地表作业造成的管道位移具有重要作用, 同时管道走向检测数据是管道业主实施完整性管理的重要基础数据, 结合 术可实现管道可视化完整性管理。速度控制系统在不影响管道正常输气量的情况下能实时地根据设备的实际运行速度进行调节, 通过控制泄流阀门的开闭, 将设备的速度有效地控制在提前预设安全有效的速度区间内, 达到安全地进行清管或检测作业的目的。就单轴轴向磁场检测技术方面, 管道局 40清晰度检测器技术指标与 准指标的对比如表 3 所示。322012 年第 2 期 · 石油科技论坛表 3  管道局 40清晰度检测器技术指标与 准指标对比参数 准 管道局轴向采样间距 > 2 固定频率随速度变化 ~ 17 10% 壁厚 最小缺陷深度 : 10%深度测量精度 : ~ 20% (与缺陷类型有关) 深度测量精度 : ± 10%最小检测速度要求 s (线圈) 无要求 (霍尔)最大检测速度要求 4 ~ 5 m/s 5m/ 10 ~ 12kA/m 最小磁场强度 : 16kA/ 小磁流密度 : 轴向) ± 10 10周向) ± 10 ~ 17 10 ± 1 ‰最近参考点 轴向定位精度 : ± 1 ‰最近参考点周向定位精度 : ± 5 ° 周向定位精度 : ± 5 °可信度 80% > 80%3 管道监测光纤传感技术国内外现状与发展动态随着激光和光纤技术的发展, 分布式光纤传感技术将是未来油气管道安全监测技术的主要发展方向。近年来, 国内外在此技术领域进行了大量研究, 干涉式光纤传感技术利用光纤受到所检测物理场感应, 如温度、 压力或振动等, 使导光相位产生延迟, 经由相位的改变, 造成输出光的强度改变, 进而得知待测物理场的变化。 干涉式分布光纤传感技术相对于其他技术的优点是它的动态范围大、 灵敏度高。干涉式分布光纤传感技术起步较早的是澳大利亚的 。 该公司研制了光纤管道安全防御系统, 对管道构成威胁的行为所产生的各类振动、 位移进行监测, 并可以利用已有的通讯方式构成通信网络, 实现一个实时性、 可精确定位的防止第三方干扰的检测系统。 此前, 司产品在我国管道上进行过试验测试, 效果不佳, 遂转向环境较为单一的边界防范领域, 产品已经在机场边界和国防线上做了很多推广。 美国 霍尼韦尔) 利用提高音波测试技术方案, 能够实现泄漏发生后的事件和位置检测, 属于事后检测, 不能避免经济损失及对环境造成的污染, 但是对于无同沟光缆的管道具有一定的竞争力。 美国 斯伦贝谢) 采用光学时域反射法 ( — — 一种广泛应用于陆上和海底监测的分布式感应技术, 该系统软件可连续分析返回的光信号, 获得这些参数在光纤的变化情况, 从而即时检测并定位事件, 但是 术属于一种静态或者准静态的折射率变化测量技术, 无法检测振动变化等瞬态事件, 因此在预警市场上受到一定的制约。 在该领域管道局技术处于国际先进水平, 自主研发的光纤管道安全预警技术无论从检测距离还是检测精度方面都达到了较高水平。随着管道的建设, 各种技术监测手段也在不断发展, 目前应用于管道泄漏监测的方法主要有压力梯度法、 负压力波法、 流量平衡法、 超声波检测法、 光纤传感等物理方法和一些化学方法。 这些方法的特点和应用场合各不相同, 纵观目前国内与国外的各种管道泄露监测技术, 我国负压波法, 流量平衡法、 压力坡降等输油管道泄露监测技术的发展水平与国际先进水平相差无几。 但这些方法无法对微小泄露进行识别和定位, 而且受介质的流体的特性限制, 不能用于气体管道的泄漏监测及微小泄漏的监测。 在采用光纤传感技术对管道地质灾害的监测和评估方面, 管道局进行了多种技术研究, 研发了 统和应变检测系统, 该系统在应用层面上解决了如何测量管道变形与如何测量应力的问题, 达到了国内先进水平, 部分实验方法达到了国际先进水平, 在设备研发、 测量精度、测量距离方面仍需提高。李育忠 等 : 国内外油气管道检测监测技术发展现状33石油科技论坛 · 2012 年第 2 期发展战略4 管道焊接无损探伤技术世界前沿现状及发展趋势在无损检测方面, 国外在油气储运领域, 新的无损检测技术层出不穷, 成熟的超声检测技术和射线检测技术向模块化、 专业细分方向发展, 新发展的检测技术包括电磁超声技术、 高频导波技术、 激光超声检测技术等, 正通过不断的积累和完善开始推广应用。控阵超声检测技术相控阵超声检测系统是通过电子技术来实现声束的扫查方向和聚焦深度的控制, 可以用同一个探头来实现对不同壁厚、 不同管径、 不同材质管道焊缝的检测。 作为相控阵超声检测技术的发展, 相控阵超声多维成像技术是目前无损检测行业的前沿技术之一, 其原理是基于换能器在被检测材料或结构的物理位置坐标和超声信息, 建立相应的数学模型, 根据采集到的回波信息采用不同颜色或灰度图像的形式再现其内部缺陷或结构信息, 可以准确判断材料中缺陷的位置、大小、 分布、 取向等特征。近年来, 超声多维成像技术中的 C 扫描、 D 扫描、P 扫描成像技术发展迅速, 其中的面阵相控阵扫查技术利用面阵相控阵探头的可编程控制特性完成不规则工件截面的完整扫查, 而不需要移动探头, 在检测空间受限或工件结构复杂时技术优势明显。国际上先进的相控阵技术指标如下所示 :( 1 ) 一次激发晶片数量不少于 32 个, 可支持 128晶片相控阵探头, 同时支持一发一收检测模式 ;( 2 ) 相控阵系统支持 1024 聚焦法则 ;( 3 ) 最大时基长度不少于 200000 ;( 4 ) 采集系统采用便携式、 全密封、 无散热风扇设 计 ;( 5 ) 系统带宽为 15 ;( 6 ) 脉冲重复频率不少于 10( 7 ) 采样频率为 100( 8 ) 实时显示 A 扫描、 B 扫描、 C 扫描、 D 扫描、S 扫描和 描 ;( 9 ) 软件可实现工件 3D 建模和 件模型导入 ;( 10 ) 软件可实现声场三维仿真和 3D 数据显示, 可计算声束与缺陷之间的相互作用。字射线检测技术数字 X 射线技术主要包括 像检测技术, 术即计算机 X 射线成像技术, 是用影像板 是指直接采用电子扫描成像技术。 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、 少数在成像材料研制方面领先的大公司垄断。 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 (图 7 )。国外高性能数字射线检测设备技术水平表现如下 :( 1 ) 相对灵敏度优于 ;( 2 ) 探测器空间分辨率小于 ( 3 ) 探测器成像分辨率为 1024 × 1024 ;( 4 ) 系统分辨率不少于 5Lp/( 5 ) 动态扫查速度不少于 2m/( 6 ) 图像灰度等级为 4096 。声导波检测技术超声导波检测系统是近年快速发展起来的检测新技术, 其检测原理是通过特殊激励模式产生纵波、 扭转波和弯曲波, 沿管壁向前传播, 在遇到管壁缺陷后,一定比例的能量被反射回探头, 从而对缺陷进行定位和定量分析。 常用于快速检测内部和外部腐蚀以及轴向和周围的裂纹, 在检测裂纹和金属损失 (大于横断面的 3% ) 方面有很多应用, 特别在埋地输油气场站工艺管线进行长距离检测时具有其技术优势。随着超声导波检测技术向高频、 多模式超声导波聚焦技术的发展, 超声导波技术一定会在油气管道腐蚀检测、 储罐检测、 海洋平台检测等领域得到应用推广, 为342012 年第 2 期 · 石油科技论坛输油气的安全运营提供保证。 技术水平表现如下 :( 1 ) 检测灵敏度为 3% ;( 2 ) 轴向定位精度为± 100( 3 ) 周向定位精度为± 6 ° ;( 4 ) 频率范围为 180 1( 5 ) 采样率为 100MS/s ;( 6 ) 耦合方式为干耦合 ;( 7 ) 通道数量不少于 16 。国内尽管无损检测技术发展积累的时间不长, 与无损检测核心技术研发配套的元器件研发和引进滞后,但近几年也取得了长足进步, 其中相控阵研发技术已有普及的趋势, 电磁超声的理论和实验室研究在大学开展的很多, 激光超声的实验室研究国内也已开展多年。国内在管道焊缝检测工作中, 使用的主要是射线胶片探伤, 在西气东输工程中开始采用全自动相控阵超声检测技术, 西气东输工程中共引进了 13 套司的产品。 数字射线检测技术日渐完善, 但还没有在工程实践中推广应用。 超声导波检测均采用国外技术和设备, 国内还没有产品化。 随着我国管道建设的发展和施工设备的自动化程度的提高, 必将推动各种自动超声检测技术的发展。【参考文献】[1] 张瑞鹏 , 姚士洪 . 我国油气管道运输技术的科技创新之路 [J]. 石油科技论坛 ,2009,28(3):12] 赵玉建 . 坚持科技创新 服务重点工程 努力提升中国石油管道建设整体水平 [J]. 石油科技论坛 ,2011,30(3):173] 张志宏 , 王丽娟 , 李可夫 , 等 . 我国油气储运技术发展趋势分析 [J]. 石油科技论坛 ,2012,31(1):14] 曹永利 , 黄福祥 , 王勤 . 我国长输管道焊接技术进展及发展方向 [J]. 石油科技论坛 ,2012,31(1):7收稿日期 : 2011改回日期 : 2012已有成果, 如果该项目能够上去, 我国在世界的管道业上可以成为真正意义上的巨擘!工技术我国的长输管道目前正在进行大口径、 高压力、 高钢级的施工建设研究, 正在组织试验 级的管道试验。针对长输管道建设的技术进步, 作为施工技术方面要解决以下问题 :一是解决高钢级管道元件的制造问题 ;二是解决高钢级条件下管道防腐中的中频加热对管道强度性能的影响 ;三 是解决现场冷弯管的弯制对形状和强度的影响 ;四是解决焊材和异种钢的焊接方法 ;五是解决试压中的安全问题。还有诸如冻土地带的施工技术、 山区、 水网和沼泽地区施工技术、 专用施工机具设备的研制。特别是将在西气东输四线、 五线使用直径为1422管道, 其施工装备、 管道元件制作、 定向穿越、 线路安装上仍有许多技术问题需要研究解决。 如冷弯管机的设备及模具, 大口径的管道元件的制造模具、设备、 工艺, 管道的双管或三管连焊预制, 线路施工的工艺及设备, 长臂吊管机研制, 大口径管段的定向穿越技术等。 建议相关单位尽早组织开展此方面的攻关, 列出细项、 系统研究, 定出专人负责, 限期完成, 为西气东输四线、 五线建设做好技术准备和储备工作。管道施工建设到今天已不是简单的密集劳动, 而是高科技和精细管理的集合。 我们应该有效地积累人才, 建立人才施展通道, 有效激发人才的智力和激情,为技术人员提供适宜的工作环境、 条件的机制。 这些措施的有效实施, 将为我国真正成为管道建设和管道技术的大国奠定坚实的基础!【参考文献】[1] 赵玉建 . 坚持科技创新 服务重点工程 努力提升中国石油管道建设整体水平 [J]. 石油科技论坛 ,2011,30(3):172] 徐昌学 . 科技创新铸就管道科技竞争力 [J]. 石油科技论坛 ,2011,30(6):23] 王岩 , 王艳 . 浅议管道施工企业强化科研基础管理对策 [J]. 石油科技论坛 ,2011,30(6):11收稿日期 : 2011改回日期 : 2012(上接 29 页)李育忠 等 : 国内外油气管道检测监测技术发展现状352012 年第 2 期 · 石油科技论坛 751. 2. a in of NR of to be of to of of to a D in to an up a of D; D; D; . 2. a in of at to be it on to of . o., 2. 3. 4. 5. of of of of at in 1. 2. in at to a To %%C+%%_%of do of in ed In of at of a be if be up on In to up to is a of of in of of to in It to to be on of of in
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