油气管道无损检测技术的应用

油气管道无损检测技术的应用

管道作为一种安全、经济的输送手段，在世界上得到了广泛应用。为了确保油气管道的安全运行，延长使用寿命，应定期检测、发现问题并采取措施。从20世纪70年代开始,我国油气管道大规模建设到现在为止,相继建成了原油管道、天然气管道、成品油管道、海底油气管道约3×104km。陆上原油管道主要分布在西北、华东、东北、华北地区,约1.4×104km。陆上天然气管道有西气东输干线管网、陕京输气管网、中国石化山东天然气管网(一、二、三期)、忠武线、涩宁兰管道等。其中西气东输管线是我国输送距离最长、输气压力最高、管径最大、钢材等级最高的长输管线,代表了我国目前管道建设、检测、管理运营的最高水平。成品油输送管道有兰成渝管道、克乌线等。伴随油气田的开发,油气管道的安全运行越来越受到广泛的重视。即使管道在敷设、安装运行时达到了相应的质量标准,但管道的老化是不可避免的,下表是西欧和前苏联油气管道的故障分析。从表中可以看出,在管道事故中,腐蚀、施工、材料缺陷及外部干扰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现在管道运行的初期,腐蚀造成的管道事故大多出现在管道运行的后期。适用于制造行业的“浴缸”事故概率曲线同样适用于管道工程,如图1。现在我国对长输管道的检测多采用传统的管道外检测技术,即对管道的阴极保护系统进行检测,从而获得管道的受蚀情况。这类方法虽然能够实现在不开挖、不影响正常工作的情况下对埋地管道进行检测,但都属于间接检测管道腐蚀的方法,而且得到的原始数据往往需要工作人员的仔细分析和校验;有的管外检测技术还不适用于公路、铁路、海洋等区域下的管道,无法实现对管道的全面检测。针对管外检测技术存在的问题,德国、美国、日本和加拿大在这方面的研究起步较早,且已结合此项技术研制了各种智能检测爬行机(Intelligentpig或Smartpig),简称爬行机,并获得了成功的经验。1设置漏磁检测装置1.1陆上管道内检测技术油气管道输送的基本要求是安全、高效,因此需要对管道进行定期检测,从而了解管道的腐蚀、变形等情况,为管道的安全评估、维护、技术改造提供依据。在油气管道输送中,清管器是不可缺少的重要机具。清管器种类较多,从早期的简单型发展到现在的智能型,目前已发展到了300多种,广泛用于管线清理、检测、管线填充,排水、交工试运转、轧制钢鳞的清除、产物分离、检漏、内部腐蚀调查等方面。根据清管器的用途,可主要分为三大类:①传统型,用于管线投产后的清理;②几何型,用于管线各种情况的检测;③在线检测型,用于检测金属损失和腐蚀情况。对于检测清管器来说,国外已研发的主要有三种:磁通漏失检测清管器、超声波检测清管器、高频涡流检测清管器。1.1.1磁通漏失检测清管器磁通漏失检测的基本原理是建立在铁磁材料的高磁导性这一特性之上,钢管中因腐蚀裂纹、气孔、夹渣等产生的缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导率,钢管在外加磁场作用下被磁化,当钢管中无缺陷时,磁力线大部分通过钢管,此时磁力线均匀分布;当钢管内部有缺陷时,磁力线发生弯曲,并且有一部分磁力线漏出钢管表面。检测被磁化钢管表面溢出的漏通,就可判断缺陷是否存在。漏磁通法适用于检测中小型管道。可以对各种管壁缺陷进行检测,检测时无需耦合剂,也不会发生泄漏。由于用漏磁检测金属管道损伤和腐蚀是非常经济的检测方法,因而采用漏磁检测技术(MFL)的智能清管器获得了广泛应用。现代MFL装置可发出很高分辨率的信号,提供Φ4～56in的测试范围。但这些信号并不能高精度的显示出金属腐蚀或其它缺陷的大小,需对所获得的信号进行巧妙的处理。这种方法的缺点是:小而深的管壁缺陷处的漏磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大得多,所以漏磁检测数据往往需要经过校验才能使用。检测过程中当管道所用材料混有杂质时,还会出现虚假数据。1.1.2超声波检测清管器超声波检测法主要是利用超声波的脉冲反射原理来测量管壁受蚀后的厚度,这种方法的不足之处是超声波在空气中衰减很快,检测时一般要有声波的传播介质,如油或水等耦合剂。日本钢管株式会社(NKK)研制的超声波检测清管器在阿拉斯加原油管道(1200mm×1280km)的在线检测中得到了好评,他们是用环向排列的超声波传感器群检测油管内径、壁厚、外径的变化。从国内外若干次运行测试的结果表明,超声波清管器能可靠地检测到母材及纵向焊接区,甚至一些凹陷中的长度30mm的裂缝缺陷,可靠性较强。1.1.3高频涡流检测清管器涡流检测技术是一种新型技术,它利用电磁感应原理,通过被检工件内感生涡流的变化来无损评定导电材料及其工件的缺陷性质,当导电体靠近变化着的磁场或导体做切割磁感应线运动时,导体内产生呈涡状的电流,即涡流,与涡流伴生的感应磁场与原磁场叠加,结果使检测线圈的复阻抗发生改变。当被检物体上有缺陷存在时,所形成的涡旋电流将绕过缺陷,使形成的感应电磁场和耦合后的阻抗发生变化,其变化将在探头上感应出来,从而使缺陷被检测。涡流检测的主要优点是:对导电材料表面和近表面缺陷的检测灵敏度高,应用范围广;不需耦合剂,可在高温等其它检测方法不适用的场合。不足之处是:涡流对于铁磁材料的穿透力很弱,只能用来检测材料表面缺陷,如果材料表面的腐蚀物有磁性垢层或磁性氧化物,就可能给检测带来难以区分的误差;同时涡流检测难以区别缺陷的种类和形状。1.1.4海底管道内检测海底油气管道是投资高、风险大的海洋工程,它对海上油气田开发、生产与产品外输起着至关重要的作用,被喻为海上油气田的生命线。海底管道的各种损伤缺陷都有可能导致原油的泄漏,造成海洋环境的污染并严重影响作业的安全,甚至造成停产。因此,海底管道的在线检测十分必要。荷兰的Rontgen化学公司技术研究所以一种紧凑型系缆工具的应用为基础,开发出一套新的全覆式超声波立管检测系统,该系统用直探头超声波传感器测管道的缺陷,这种工具能轻松完成Φ6～12in的立管检测,并为实时评估提供在线结果显示。对钢质立管焊缝进行自动超声检测时,要求超声探头对缺陷的尺寸具有较高的分辨率。美国和加拿大在这方面作了深入研究,结果发现,高分辨率的探伤系统对于疲劳检测是必需的。英国的RSTProjects公司开发了一项用于炭化氢管内检测的新技术。它采用一个完全设置在传统的清理机器人的SAAM(智能采集与分析模块)来监控载波信号经过管道时的动态反应。这种反应的测量结果与温度、压力的读数相结合,能用来评估管道的变形及内部腐蚀等情形。2超声检测行驶器mflig国外漏磁爬行器(MagneticFluxLeakageIntelligentPig简称MFLPig)的研制始于70年代中期,目前已发展到第二代,而超声波技术是80年代末才引进爬行器的。国外最先将超声波技术引进爬行器的是日本的NKK(日本钢管株式会社)和德国的Pipetronix公司。MFLPig在管道检测中得到了较为广泛的应用。目前,美国、英国、法国、和德国等已经开发很成熟的产品。MFLPig在管道内爬行时,携带一种或多种传感器,在操作人员的远端控制下进行系列的管道检测作业。与MFLPig相比,超声检测爬行器(UTPig)由于检测时不受管道壁厚的限制,它的出现被认为是管道检测技术的一大进步。现在许多国家的管道检测技术也都在致力于这方面的研究。实践也证明采用超声波检测法、得出的数据确实比漏磁法更精确。目前国外管道公司在长输管道腐蚀检测中,广泛采用的主要是第二代漏磁管道检测器和超声波管道检测器,世界上接受腐蚀检测服务的油气管道已达数十万公里,并取得了很好的效果。3表面缺陷检测在长距离、大口径输送管道的建设运营中,管道对接焊缝质量的检测至关重要,管道在焊接过程中会出现一些缺陷,出现在表面的缺陷有:未焊透、咬边、焊瘤、表面气孔、表面裂纹等;内部缺陷有:夹渣、夹杂物、未焊透、未熔合、内部气孔、内部裂纹等。对表面缺陷可采用磁粉检测或渗透检测。也可以采用涡流检测,对内部缺陷可用X射线检测或超声波检测,在油气管道检测中,较多采用的方法是射线检测和超声波检测。3.1射线无损检测以前的射线检测主要采用双壁单影法,其检测速度慢、成本高、成像质量一般。目前,管线环焊缝检测采用了先进的检测工艺(如爬行器等自动检测设备等),对于管道环焊缝射线检测,一般分为X射线和射线检测。前者用于壁厚在26mm以下的管线环焊缝检测,后者多用于大壁厚、架空管或X射线探伤机难以到达的部位。由于环焊缝缺陷一般以体积性缺陷为主,如;夹渣、气孔等,故利用射线穿过介质的能量衰减,在胶片上记录缺陷是环焊缝无损检测的主要方法。由于X射线检测的清晰度、灵敏度均高于射线检测,因此,一般尽可能采用X射线检测。射线检测的主要局限在于裂纹探测和裂纹尺寸测量方面,对裂纹探测,特别是在厚焊缝中,射线照相技术没有超声波技术可靠。另有CT技术,即计算机辅助层析成像技术,采用一面状射线束透过工件的一个层面,检测器阵列在射线束处在同一平面,通过机械驱动装置对工件表面形成一定的扫描透射,采集射线束穿过该层面的图像,实现对这一层面的检测。3.2无损检测技术超声波是超声振动在介质中的传播,其实质是以波动形式在弹性介质中的传播的机械振动。超声波检测是使超声波与被检工件相互作用,根据超声波的反射、透射和散射行为,对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其进行评价的一种无损检测技术。超声波检测技术在焊缝检测中的应用越来越广泛。这是由于超声检测诸多优点和超声自动检测相关技术日益成熟决定的,超声检测能可靠地检测缺陷,而且能够对缺陷准确定位。同射线检测相比,超声波对裂纹的检出灵敏度高得多,对焊缝中的危险缺陷——裂纹、未焊透,尤其是微裂纹和轻微未焊透,用超声波探伤比其它几种常规无损检测方法更容易,且超声波仪器简单,检测速度快。目前无损检测技术发展趋势正由无损检测技术(NDT)向无损检测评价(NDE)方向发展,向高准确度、高可行性方向发展。超声波检测的数字化、自动化、智能化和图像化成为超声无损检测技术研究的热点,标志着超声无损检测的现代化进程。其中超声成像技术可提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学特性,有非常广阔的发展前途。4金属磁域磁记忆检测金属磁记忆检测技术磁记忆检测技术是基于磁性特征的磁弹性效应。由俄罗斯教授杜波夫于上世纪90年代后期率先提出的一种创新的金属诊断技术。并且已开发出了专门的检测仪器。磁记忆检测的基本原理是:记录在工作载荷作用下设备局部应力集中区产生的漏磁场。检测对象中的漏磁值反映导磁率的张量,相当于有工作载荷作用形成的应力和变形的张量。金属磁记忆检测的方法是,利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁性能在应力和变形集中区产生不可逆变化,而在金属与空气边界出现磁导率跃变所产生的漏磁场。测试该漏磁场便可无损、快速、便捷、准确地确定铁磁性金属结构上的应力和变形集中区,即设备上最危险的区段和部件,进行强度和寿命的诊断。磁记忆检测的优点:磁记忆检测是以应力和变形集中区为标志的最危险区域的无损检测方法通过磁记忆检测可以早期诊断,并较为准确地评价设备的安全性;对外露部分的检测无需停止工作,能检测正在运行的设备;无需对被检测对象表面进行去除涂层、打磨等预处理,降低了成本;与传统检测方法配合,能提高检测效率和精度。不足:目前,国内的磁记忆检测理论和实际应用方面与俄罗斯相比有一定差距,对磁记忆信号与部件应力和变形集中区的对应关系没有定量表述,没有形成比较成熟的技术标准。5表面检测技术效果超声波检测技术和射线检测技术是目前已经十分成熟