油氣管道無損檢測技術的應用

油氣管道無損檢測技術的應用

管道作為一種安全、經濟的輸送手段，在世界上得到了廣泛應用。為了確保油氣管道的安全運行，延長使用壽命，應定期檢測、發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。從20世紀70年代開始,我國油氣管道大規(guī)模建設到現(xiàn)在為止,相繼建成了原油管道、天然氣管道、成品油管道、海底油氣管道約3×104km。陸上原油管道主要分布在西北、華東、東北、華北地區(qū),約1.4×104km。陸上天然氣管道有西氣東輸干線管網(wǎng)、陜京輸氣管網(wǎng)、中國石化山東天然氣管網(wǎng)(一、二、三期)、忠武線、澀寧蘭管道等。其中西氣東輸管線是我國輸送距離最長、輸氣壓力最高、管徑最大、鋼材等級最高的長輸管線,代表了我國目前管道建設、檢測、管理運營的最高水平。成品油輸送管道有蘭成渝管道、克烏線等。伴隨油氣田的開發(fā),油氣管道的安全運行越來越受到廣泛的重視。即使管道在敷設、安裝運行時達到了相應的質量標準,但管道的老化是不可避免的,下表是西歐和前蘇聯(lián)油氣管道的故障分析。從表中可以看出,在管道事故中,腐蝕、施工、材料缺陷及外部干擾是造成管道故障的主要原因。施工和材料缺陷造成的管道故障往往出現(xiàn)在管道運行的初期,腐蝕造成的管道事故大多出現(xiàn)在管道運行的后期。適用于制造行業(yè)的“浴缸”事故概率曲線同樣適用于管道工程,如圖1?，F(xiàn)在我國對長輸管道的檢測多采用傳統(tǒng)的管道外檢測技術,即對管道的陰極保護系統(tǒng)進行檢測,從而獲得管道的受蝕情況。這類方法雖然能夠實現(xiàn)在不開挖、不影響正常工作的情況下對埋地管道進行檢測,但都屬于間接檢測管道腐蝕的方法,而且得到的原始數(shù)據(jù)往往需要工作人員的仔細分析和校驗;有的管外檢測技術還不適用于公路、鐵路、海洋等區(qū)域下的管道,無法實現(xiàn)對管道的全面檢測。針對管外檢測技術存在的問題,德國、美國、日本和加拿大在這方面的研究起步較早,且已結合此項技術研制了各種智能檢測爬行機(Intelligentpig或Smartpig),簡稱爬行機,并獲得了成功的經驗。1設置漏磁檢測裝置1.1陸上管道內檢測技術油氣管道輸送的基本要求是安全、高效,因此需要對管道進行定期檢測,從而了解管道的腐蝕、變形等情況,為管道的安全評估、維護、技術改造提供依據(jù)。在油氣管道輸送中,清管器是不可缺少的重要機具。清管器種類較多,從早期的簡單型發(fā)展到現(xiàn)在的智能型,目前已發(fā)展到了300多種,廣泛用于管線清理、檢測、管線填充,排水、交工試運轉、軋制鋼鱗的清除、產物分離、檢漏、內部腐蝕調查等方面。根據(jù)清管器的用途,可主要分為三大類:①傳統(tǒng)型,用于管線投產后的清理;②幾何型,用于管線各種情況的檢測;③在線檢測型,用于檢測金屬損失和腐蝕情況。對于檢測清管器來說,國外已研發(fā)的主要有三種:磁通漏失檢測清管器、超聲波檢測清管器、高頻渦流檢測清管器。1.1.1磁通漏失檢測清管器磁通漏失檢測的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導性這一特性之上,鋼管中因腐蝕裂紋、氣孔、夾渣等產生的缺陷處的磁導率遠小于鋼管的磁導率,鋼管在外加磁場作用下被磁化,當鋼管中無缺陷時,磁力線大部分通過鋼管,此時磁力線均勻分布;當鋼管內部有缺陷時,磁力線發(fā)生彎曲,并且有一部分磁力線漏出鋼管表面。檢測被磁化鋼管表面溢出的漏通,就可判斷缺陷是否存在。漏磁通法適用于檢測中小型管道?？梢詫Ω鞣N管壁缺陷進行檢測,檢測時無需耦合劑,也不會發(fā)生泄漏。由于用漏磁檢測金屬管道損傷和腐蝕是非常經濟的檢測方法,因而采用漏磁檢測技術(MFL)的智能清管器獲得了廣泛應用?，F(xiàn)代MFL裝置可發(fā)出很高分辨率的信號,提供Φ4～56in的測試范圍。但這些信號并不能高精度的顯示出金屬腐蝕或其它缺陷的大小,需對所獲得的信號進行巧妙的處理。這種方法的缺點是:小而深的管壁缺陷處的漏磁信號要比形狀平滑但很嚴重的缺陷處的信號大得多,所以漏磁檢測數(shù)據(jù)往往需要經過校驗才能使用。檢測過程中當管道所用材料混有雜質時,還會出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)。1.1.2超聲波檢測清管器超聲波檢測法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度,這種方法的不足之處是超聲波在空氣中衰減很快,檢測時一般要有聲波的傳播介質,如油或水等耦合劑。日本鋼管株式會社(NKK)研制的超聲波檢測清管器在阿拉斯加原油管道(1200mm×1280km)的在線檢測中得到了好評,他們是用環(huán)向排列的超聲波傳感器群檢測油管內徑、壁厚、外徑的變化。從國內外若干次運行測試的結果表明,超聲波清管器能可靠地檢測到母材及縱向焊接區(qū),甚至一些凹陷中的長度30mm的裂縫缺陷,可靠性較強。1.1.3高頻渦流檢測清管器渦流檢測技術是一種新型技術,它利用電磁感應原理,通過被檢工件內感生渦流的變化來無損評定導電材料及其工件的缺陷性質,當導電體靠近變化著的磁場或導體做切割磁感應線運動時,導體內產生呈渦狀的電流,即渦流,與渦流伴生的感應磁場與原磁場疊加,結果使檢測線圈的復阻抗發(fā)生改變。當被檢物體上有缺陷存在時,所形成的渦旋電流將繞過缺陷,使形成的感應電磁場和耦合后的阻抗發(fā)生變化,其變化將在探頭上感應出來,從而使缺陷被檢測。渦流檢測的主要優(yōu)點是:對導電材料表面和近表面缺陷的檢測靈敏度高,應用范圍廣;不需耦合劑,可在高溫等其它檢測方法不適用的場合。不足之處是:渦流對于鐵磁材料的穿透力很弱,只能用來檢測材料表面缺陷,如果材料表面的腐蝕物有磁性垢層或磁性氧化物,就可能給檢測帶來難以區(qū)分的誤差;同時渦流檢測難以區(qū)別缺陷的種類和形狀。1.1.4海底管道內檢測海底油氣管道是投資高、風險大的海洋工程,它對海上油氣田開發(fā)、生產與產品外輸起著至關重要的作用,被喻為海上油氣田的生命線。海底管道的各種損傷缺陷都有可能導致原油的泄漏,造成海洋環(huán)境的污染并嚴重影響作業(yè)的安全,甚至造成停產。因此,海底管道的在線檢測十分必要。荷蘭的Rontgen化學公司技術研究所以一種緊湊型系纜工具的應用為基礎,開發(fā)出一套新的全覆式超聲波立管檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)用直探頭超聲波傳感器測管道的缺陷,這種工具能輕松完成Φ6～12in的立管檢測,并為實時評估提供在線結果顯示。對鋼質立管焊縫進行自動超聲檢測時,要求超聲探頭對缺陷的尺寸具有較高的分辨率。美國和加拿大在這方面作了深入研究,結果發(fā)現(xiàn),高分辨率的探傷系統(tǒng)對于疲勞檢測是必需的。英國的RSTProjects公司開發(fā)了一項用于炭化氫管內檢測的新技術。它采用一個完全設置在傳統(tǒng)的清理機器人的SAAM(智能采集與分析模塊)來監(jiān)控載波信號經過管道時的動態(tài)反應。這種反應的測量結果與溫度、壓力的讀數(shù)相結合,能用來評估管道的變形及內部腐蝕等情形。2超聲檢測行駛器mflig國外漏磁爬行器(MagneticFluxLeakageIntelligentPig簡稱MFLPig)的研制始于70年代中期,目前已發(fā)展到第二代,而超聲波技術是80年代末才引進爬行器的。國外最先將超聲波技術引進爬行器的是日本的NKK(日本鋼管株式會社)和德國的Pipetronix公司。MFLPig在管道檢測中得到了較為廣泛的應用。目前,美國、英國、法國、和德國等已經開發(fā)很成熟的產品。MFLPig在管道內爬行時,攜帶一種或多種傳感器,在操作人員的遠端控制下進行系列的管道檢測作業(yè)。與MFLPig相比,超聲檢測爬行器(UTPig)由于檢測時不受管道壁厚的限制,它的出現(xiàn)被認為是管道檢測技術的一大進步。現(xiàn)在許多國家的管道檢測技術也都在致力于這方面的研究。實踐也證明采用超聲波檢測法、得出的數(shù)據(jù)確實比漏磁法更精確。目前國外管道公司在長輸管道腐蝕檢測中,廣泛采用的主要是第二代漏磁管道檢測器和超聲波管道檢測器,世界上接受腐蝕檢測服務的油氣管道已達數(shù)十萬公里,并取得了很好的效果。3表面缺陷檢測在長距離、大口徑輸送管道的建設運營中,管道對接焊縫質量的檢測至關重要,管道在焊接過程中會出現(xiàn)一些缺陷,出現(xiàn)在表面的缺陷有:未焊透、咬邊、焊瘤、表面氣孔、表面裂紋等;內部缺陷有:夾渣、夾雜物、未焊透、未熔合、內部氣孔、內部裂紋等。對表面缺陷可采用磁粉檢測或滲透檢測。也可以采用渦流檢測,對內部缺陷可用X射線檢測或超聲波檢測,在油氣管道檢測中,較多采用的方法是射線檢測和超聲波檢測。3.1射線無損檢測以前的射線檢測主要采用雙壁單影法,其檢測速度慢、成本高、成像質量一般。目前,管線環(huán)焊縫檢測采用了先進的檢測工藝(如爬行器等自動檢測設備等),對于管道環(huán)焊縫射線檢測,一般分為X射線和射線檢測。前者用于壁厚在26mm以下的管線環(huán)焊縫檢測,后者多用于大壁厚、架空管或X射線探傷機難以到達的部位。由于環(huán)焊縫缺陷一般以體積性缺陷為主,如;夾渣、氣孔等,故利用射線穿過介質的能量衰減,在膠片上記錄缺陷是環(huán)焊縫無損檢測的主要方法。由于X射線檢測的清晰度、靈敏度均高于射線檢測,因此,一般盡可能采用X射線檢測。射線檢測的主要局限在于裂紋探測和裂紋尺寸測量方面,對裂紋探測,特別是在厚焊縫中,射線照相技術沒有超聲波技術可靠。另有CT技術,即計算機輔助層析成像技術,采用一面狀射線束透過工件的一個層面,檢測器陣列在射線束處在同一平面,通過機械驅動裝置對工件表面形成一定的掃描透射,采集射線束穿過該層面的圖像,實現(xiàn)對這一層面的檢測。3.2無損檢測技術超聲波是超聲振動在介質中的傳播,其實質是以波動形式在彈性介質中的傳播的機械振動。超聲波檢測是使超聲波與被檢工件相互作用,根據(jù)超聲波的反射、透射和散射行為,對被檢工件進行缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征,并進而對其進行評價的一種無損檢測技術。超聲波檢測技術在焊縫檢測中的應用越來越廣泛。這是由于超聲檢測諸多優(yōu)點和超聲自動檢測相關技術日益成熟決定的,超聲檢測能可靠地檢測缺陷,而且能夠對缺陷準確定位。同射線檢測相比,超聲波對裂紋的檢出靈敏度高得多,對焊縫中的危險缺陷——裂紋、未焊透,尤其是微裂紋和輕微未焊透,用超聲波探傷比其它幾種常規(guī)無損檢測方法更容易,且超聲波儀器簡單,檢測速度快。目前無損檢測技術發(fā)展趨勢正由無損檢測技術(NDT)向無損檢測評價(NDE)方向發(fā)展,向高準確度、高可行性方向發(fā)展。超聲波檢測的數(shù)字化、自動化、智能化和圖像化成為超聲無損檢測技術研究的熱點,標志著超聲無損檢測的現(xiàn)代化進程。其中超聲成像技術可提供直觀和大量的信息,直接反映物體的聲學和力學特性,有非常廣闊的發(fā)展前途。4金屬磁域磁記憶檢測金屬磁記憶檢測技術磁記憶檢測技術是基于磁性特征的磁彈性效應。由俄羅斯教授杜波夫于上世紀90年代后期率先提出的一種創(chuàng)新的金屬診斷技術。并且已開發(fā)出了專門的檢測儀器。磁記憶檢測的基本原理是:記錄在工作載荷作用下設備局部應力集中區(qū)產生的漏磁場。檢測對象中的漏磁值反映導磁率的張量,相當于有工作載荷作用形成的應力和變形的張量。金屬磁記憶檢測的方法是,利用處于地球磁場中的鐵磁性金屬的磁性能在應力和變形集中區(qū)產生不可逆變化,而在金屬與空氣邊界出現(xiàn)磁導率躍變所產生的漏磁場。測試該漏磁場便可無損、快速、便捷、準確地確定鐵磁性金屬結構上的應力和變形集中區(qū),即設備上最危險的區(qū)段和部件,進行強度和壽命的診斷。磁記憶檢測的優(yōu)點:磁記憶檢測是以應力和變形集中區(qū)為標志的最危險區(qū)域的無損檢測方法通過磁記憶檢測可以早期診斷,并較為準確地評價設備的安全性;對外露部分的檢測無需停止工作,能檢測正在運行的設備;無需對被檢測對象表面進行去除涂層、打磨等預處理,降低了成本;與傳統(tǒng)檢測方法配合,能提高檢測效率和精度。不足:目前,國內的磁記憶檢測理論和實際應用方面與俄羅斯相比有一定差距,對磁記憶信號與部件應力和變形集中區(qū)的對應關系沒有定量表述,沒有形成比較成熟的技術標準。5表面檢測技術效果超聲波檢測技術和射線檢測技術是目前已經十分成熟