管道检测技术的研究进展

管道检测技术的研究进展

长期以来，管道输送管道被流量侵蚀、电化腐败、疲劳破坏、管道潜在缺陷、自然或人为因素等影响，导致输送效率降低，运输管道泄漏，以及火灾、爆炸等恶性事件。一旦出现事故,不仅造成经济上的巨大损失,还会对生态环境和人们的生命安全构成巨大威胁。因此,如何做到防范于未然,提高管道的使用寿命和安全可靠性,已经成为国内外普遍关注的重大课题。1管道检测机器人一般说来,管道安全维护的方式可以分为主动维护、被动维护及全部更换3种。主动维护即通过定期及不定期的检测,了解在线管道的受损状况,作出寿命预测,按安全规范主动而适时采取的维护措施;被动维护即发现泄漏或发生事故以后,立即组织力量赶赴现场抢修、抢换、抢险,以恢复管道运行,阻止事态扩大;全部更换即对于已使用了若干年的管道,为避免发生事故,全部更换成新管道。根据国外的统计,上述3种管道安全维护的费用如表1所示。由表1可见,主动维护费用最低,被动维护费用是主动维护的40倍,而全部更换管道费用是主动维护的80倍。不言而喻,主动维护是管道管理的理想状态,而要实现主动维护,管道检测是其基本前提。传统的管道在线检测均采用管外抽样检测,即将被测管道按一定抽样间隔开挖后,以手工接触法逐点进行检测。这种方法费工费时,成本高、周期长,由于不能进行全面检测,故难以保证缺陷不漏检;而且还不适于检测公路、铁路、海洋等区域下的管道,因此用于管内检测的机器人便应运而生。管内检测机器人是在管内极限环境中顺利运动的机电一体化装置,它可以携带各种检测设备同步前进,在操作人员的远距离控制下完成管道缺陷检测作业。目前已研制的管道内检测机器人根据不同的特征可分为很多类型。如按功能可分为测厚机器人、测径机器人、焊接管道机器人等;按行走方式可分为轮式、履带式、足式、振动式和蠕动式管道机器人等;按检测手段可将其分为漏磁、超声波、声发射、涡流和摄像检测机器人等;按驱动方式可分为自主驱动机器人和介质差压驱动机器人等。其中,介质差压驱动机器人具有实用性好、行走距离长、所需动力源方便、结构紧凑等优点,特别适用于油气管道的检测。然而,在国际上,直到目前管道检测机器人技术还属于垄断技术,美、英、法、德、日、挪威等国研制的管道机器人处于世界领先地位,他们的产品已实用化、商品化。但他们的技术严密封锁,处于绝对保密状态。一般不出售产品和技术,只提供在线检测服务,收取高昂的服务费用。在国内,管道检测机器人的研究还处于起步阶段,虽然有一些成果,但还有许多问题没有解决,离工程应用还有不小的距离。因此,必须下大力进行研究,以开发新型的拥有自主知识产权的管道检测装备,提升管道检测技术及手段,使管道检测及管理规范化,并逐步实现由被动维护向主动维护的转化。2检测检测质量当今国内外管道检测常用的技术手段有超声检测、涡流检测、漏磁检测、远场涡流检测及磁记忆检测等。其中较新的技术是漏磁检测、远场涡流检测及磁记忆检测。2.1从表面磁通缺陷处形成的磁管道漏磁检测的工作原理如图1所示。当铁磁性材料在磁场中被磁化时,材料表面或近表面存在的缺陷或组织状态变化会使导磁率发生变化,即磁阻增大,使得磁路中的磁通相应发生畸变,除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料内部绕过缺陷外,还有一部分磁通会离开材料表面,通过空气绕过缺陷再重新进入材料,从而在材料表面的缺陷处形成漏磁场。利用磁敏探头探查漏磁通的存在,采集漏磁信号,通过对信号的分析,即可确定管道壁的受损情况,故称为“漏磁检测”技术。其检测的穿透性相对较强,对结构内部的缺陷有较高的敏感性和响应性。漏磁检测局限于材料表面和近表面的检测,因此,适用于薄壁的检测,而不适于厚壁管的检测。漏磁检测对纵向性的缺陷敏感度很低,因此,当腐蚀缺陷面积大于探头的灵敏区时,壁厚的检测精度高,而当腐蚀缺陷面积小于探头的灵敏区时,壁厚的检测精度难以得到保证。为提高检测精度,可以增加探头数量。探头数愈多,各探头之间的周向间距愈小,检测精度愈高。2.2涡流检测技术应用继20世纪40年代发现了远场效应以后,50年代壳牌公司又发明了远场涡流检测技术。1961年他们将此项技术命名为“远场涡流检测”,以区别于普通涡流检测。远场涡流检测的理论基础为涡流检测,两者的区别在于,远场涡流探头的激励线圈与检测线圈必须相距约2倍以上的管径长度,如图2所示。当激励线圈通以交变电流时,其产生的电磁能量将向各个方向传播,由于管壁中的涡流限制了磁场能量在管中沿轴向扩散,所以在激励线圈附近,能量沿径向扩散到管外,管外能量沿轴向衰减的情况比管内相应磁场小得多,从而使得远离激励线圈的区域(远场区),管外场远强于管内场,能量又向管内扩散,此时与检测线圈耦合的磁场能量已两次穿过管壁,对应的区域就是二次穿透区(间接耦合区)。与普通涡流、漏磁和超声检测相比,远场涡流检测具有以下优点:远场涡流检测具有透壁性,能检测整个管壁上的缺陷而不受集肤效应的限制,对内外壁的缺陷具有相同的灵敏度,且相位信号不受提离效应的影响;被检测的钢管的表面不必清洗;探头与钢管表面不接触,探头外径与钢管内径之间的间隙变化对检测结果的影响很小;探头的检测速度是否均匀对检测结果无影响;钢管内的气体、液体介质对检测结果无影响;检测设备体积小,重量轻,便于现场灵活应用。2.3材料的磁致被压缩和重新取向20年前,俄罗斯杜博夫教授在世界上率先揭示了铁磁材料自磁化现象、漏磁场分布状况和强度同应力与变形集中区域以及缺陷部位之间关系的规律性,并开发出金属磁记忆检测技术,研制出诊断与检测仪表。磁记忆检测是利用金属磁记忆效应进行检测的,其原理是:处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用,其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化。即磁场的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量Hp(y)改变符号且具有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留,从而通过漏磁场法向分量Hp(y)的测定,便可以准确地推断工件的应力集中区,进而探出缺陷和问题可能出现的部位。同传统的无损检测方法相比较,金属磁记忆检测方法的主要优点是:传统检测方法只能用于探检已产生的缺陷,而金属磁记忆检测方法则可预报可能产生缺陷与危险的区域,即最大应力和变形集中区域,从而及时采取措施防止破坏和事故的发生;由于可利用检测对象的自磁化现象,因而不需要人工磁化装置;可在保持被测金属构件原始状态下进行检测,所以无须对检测对象进行专门清理,也无须采用耦合技术;灵敏度高,提离效应影响很小,因此,这一方法更加实用于生产现场、野外条件和普查作业;检测灵敏度高于其他磁学检测方法;仪表体积小、重量轻,有独立电源和记录装置,便于携带,使用方便,检测效率高。3种检测装置管道内检测机器人是对在线管道进行管内检测的一种检测装置,其结构如图3所示。它由检测、控制、驱动、数据处理和电源等部分组成,其结构为一机多舱,即驱动舱、仪器舱和数据处理舱等。3.1检测接头设置为了使管道内外的缺陷不致漏检,提高检测精度,通常均需要设置数个检测探头。小口径管道探头可以少一些,大口径管道探头数目相应地要多一些,有的达到800～1000个。且探头需要按一定的规律排列,以使检测效果最佳。3.2公里液压轮的测定检测定位是指确定被测管道的受损位置。通常是在机器人机体外部设置里程轮,该轮由弹簧支撑并紧贴被测管壁。当机器人行走时,里程轮随之旋转,每旋转一周,机器人便记下一个里程标记。与此标记相对应,即可容易地确定管道受损部位。若被测管壁覆满油垢,里程轮旋转时会发生打滑,因此会产生定位误差。3.3数据安全存储受检测机器人工作环境及内部空间所限,对数据存储器件的要求较高,一般采用磁带或硬盘存储。由于机器人采用多个探头,数据通道数多,数据量大,故采集的检测数据先由内置微处理器进行甄别,滤除非受损管段的检测数据,然后将受损管段的检测数据进行压缩存储。3.4a将数据纳入计算机内目前检测机器人对检测数据尚无实时处理功能,只能先将数据压缩并存储。待检测结束后,从机内取出存储硬盘,将数据输入计算机。因此,数据的最终处理是由外部计算机完成的。使用专门的分析软件,可将检测数据转换成反映受损管壁实际状况的彩色图形,在屏幕上即可直观而清晰地看到管壁的受损面积、受损程度等反映管壁受损状况的彩色图形。3.5前检测机器人供电技术检测机器人要求电源为内部的各种检测装置及控制装置提供动力。目前检测机器人的供电形式有电缆供电和电池供电两种,相应地称为有缆式和无缆式检测机器人。电缆供电是指机器人尾部拖有电缆,由外部通过电缆向机器人提供动力;无缆式检测机器人自身携带电池做电源。3.6气调和覆压器管道内检测机器人为一机多舱,机体各舱均为密封筒状,中间以万向铰相联,以利机体转弯。由于检测机器人多在油、水介质和高温、高压环境中工作,为了密封,机体外部常覆以聚氨脂或橡胶。有些机器人的机体外部还带有叶片,当被测管道内的压力过小,机器人行走速度减慢时,可自动张开叶片以增大推力,使检测机器人按预定速度行进。4需要研究的问题2003年笔者承担了总后“输油管道剩余寿命预测技术及装备”的研究项目。由于该课题技术含量高、技术难度大、发挥空间广阔,因此笔者将其视为一个持续稳定的研究领域,力求从理论到技术,从装备到应用上扎扎实实地做工作,真正从理论与实际的结合上解决问题。基于这种认识,课题组将课题分解成70多个需要研究的问题,有计划、分步骤地展开研究。在课题组研究的同时,还指导4名博士生、5名硕士生分专题进行深入探讨,取得了一系列创造性成果,研究进展情况如下。4.1热设计仿真建模应用三维CFD理论对差压式管内检测机器人周围流场进行了系统的研究,建立了机器人周围流场的三维RNGk-ε湍流模型,并进行了数值仿真,得出了机器人周围介质的速度和压力分布规律;建立了差压式管内检测机器人在水平直管内的动力学方程,系统分析机器人参数及管道系统运行参数对机器人运动的影响,为实际工程应用提供理论基础。4.2管道钢裂纹群裂纹增长的动力学方程运用混沌动力学的研究方法对腐蚀环境下管道钢裂纹群的演化行为进行了研究与分析,分别建立了管道钢裂纹群的裂纹数密度、裂纹总长度的动力学方程,从理论和实验证明裂纹群体萌生发展的过程是一个耗散非线性动力学过程,其演化过程在一定条件下会出现分岔和混沌现象,并以此来解释裂纹扩展中的随机性、分散性。4.3影响机器人性能的因素全面探讨了差压驱动式管内检测机器人在弯管、三通和凹凸变形管等特殊管段中的通过性能的理论,并在其中加入了力和力矩平衡方程,分析影响机器人通过性能的主要因素;将多目标最优化技术应用于机器人通过性能研究,结合流场空化对机器人外型结构及参数进行了优化,得到能够顺利通过特殊管段的机器人外型结构及参数。4.4运动状态的控制根据管内检测运动稳定性的要求,对管内检测机器人的运行速度和姿态进行了动力学分析,并对运动状态的控制问题进行了深入探讨。构思并提出了速度与姿态的控制方案,分别采用PID控制与模糊神经网络控制两种控制方法设计了控制器,通过仿真实验验证达到了很好的控制效果,为管道机器人圆满完成检测任务奠定了理论基础。4.5小口径管道内检测机器人我军的输油管道,基本属于小口径管道。一般而言,小口径管道检测机器人空间受限程度更高,工作条件更苛刻,因此技术难度也更大。小口径管道内检测机器人体积与结构必须小型化。小型化不单是尺寸按比例缩小的问题,它包括技术路线的调整与确立,技术方案的创新与形成,功能的强化与提升,材质的分析与选择,构件的设置与设计,布局的适配与集成等许多方面,其技术要求更高,如大容量的存储设备,高效能的电源,控制单元的微型化等,这方面的研究取得了一定进展。4.6接头布置方案比选管内检测机器人体积与结构小型化以后,在严格受限十分狭小的空间里,不可能设置很多检测探头,探头少了,但检测精度不能降低,这就是矛盾。如何解决这对矛盾,就需要研究探头最佳的配置方案与布置方案,使有限的探头能覆盖整个管壁,保证不漏检,保证检测精度。小型化以后,采取控制措施的空间变小,运行速度的控制难度加大,检测精度不易保证,所以特别要研究运行状况与检测信号的同步技术,即快行快检、慢行慢检、不行不检。这方面的研究取得了一定进展。4.7定位的配合管内检测机器人体积与结构小型化以后,定位系统及姿态控制系统的设置受到限制,为保证定位精度,需要研究定位中的两个结合:一是将里程轮的纯机械运动与现有的光、电技术结合,提高定位的准确性;二是管道内外定位结合。大范围的定位,以在管道外设置标记定标来解决;小范围的定位,以机器人自身的定位系统来解决,以减小纯内定位的累计误差,提高定位精度。这方面的研究取得了一定进展。4.8anasas公司和bp神经网络的研究提出了含缺陷管道的寿命预测体系,针对腐蚀缺陷,分析了其受力状态和腐蚀因素,进行了非线性有限元分析,运用ANSYS分析软件和BP神经网络和改进的遗传混合算法,计算了其失效内压、最小允许壁厚、腐蚀速率和剩余寿命;针对裂纹缺陷,将表面裂纹和埋藏裂纹转化为穿