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管道內(nèi)檢測技術(shù)及標準體系發(fā)展現(xiàn)狀

王秀麗1，朱曉紅2,夏飛3,王毅4

(1. 中國石油天然氣股份有限公司 西南管道蘭成渝輸油分公司；2.中石油燃料油有限責(zé)任公司寧波大榭倉儲分公司；3. 中石煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司；4. 中國石油管道公司丹東輸油氣分公司)

 

“十三五”期間，中國油氣管道行業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，截至2015年長輸油氣管道長度已達1.5×105 km[1]。國內(nèi)60%的油氣管道運行超過20 a，東部管網(wǎng)運行超過30 a，接近使用壽命。新建管道存在凹坑、劃傷、焊接缺陷等管道本體隱患；老管道存在腐蝕、材料性能退化、制造缺陷等管道本體安全隱患[2]。應(yīng)定期進行檢測和評估，在這些隱患導(dǎo)致管道本體發(fā)生失效前將其識別出來，并及時消除缺陷隱患。國外管道投產(chǎn)后即對管道基本狀況進行檢測，管體腐蝕缺陷發(fā)展到嚴重程度前即能發(fā)現(xiàn)并主動修復(fù)[3]。國內(nèi)管道還處在“事故后搶修”階段。內(nèi)檢測技術(shù)可識別管道變形、內(nèi)外缺陷、裂紋、壁厚損失和管壁材質(zhì)變化等，確定管道缺陷的面積、程度、方位、位置等特征信息，為管道運行維護和安全評價提供科學(xué)依據(jù)。因此，研究國內(nèi)外內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀對于保障國內(nèi)超期服役管道安全運行具有重要的意義[4]。

 

1 管道內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

管道完整性評價是管道完整性管理的核心，是識別管道本體安全隱患，開展管道完整性評價以及指導(dǎo)管道本體維護維修的基礎(chǔ)。完整性評價方法包括管道內(nèi)檢測、管道外檢測、管道壓力實驗和直接評價法(ECDA，ICDA)，應(yīng)優(yōu)先選擇內(nèi)檢測法。國內(nèi)外管道廣泛應(yīng)用的內(nèi)檢測技術(shù)包括接觸、非接觸式的管道變形內(nèi)檢測、漏磁內(nèi)檢測(MFL)、超聲波檢測、電磁超聲檢測(EMT)等。目前國外較有名的MFL檢測公司有美國的TUBOSCOPE，英國的BRITISHGAS，美國的GE PII，加拿大的CORRPRO，德國的ROSEN，其產(chǎn)品實現(xiàn)系列化和多樣化，可向用戶提供檢測設(shè)備和檢測服務(wù)。

 

1.1 變形內(nèi)檢測

變形內(nèi)檢測技術(shù)主要用于檢測在役管道的幾何變形，如凹陷、橢圓變形和褶皺等，確定變形具體位置，并可識別管道彎頭半徑、三通、閥門、環(huán)焊縫等特征，一般要求報告大于 2%管道外徑及以上的幾何變形。變形內(nèi)檢測技術(shù)還可用于新建管道的驗收，檢測施工過程中造成的管道變形，以保證管道具備清管條件。

變形內(nèi)檢測器大多通過可伸縮的機械式探頭對管道內(nèi)徑進行測量。為提高變形內(nèi)檢測器的檢測精度，ROSEN等公司開發(fā)了高精度的變形內(nèi)檢測器，如圖1所示。高精度變形內(nèi)檢測器是在機械臂上封裝了電磁渦流傳感器，機械臂的轉(zhuǎn)動會觸發(fā)角度傳感器記錄管道的較大變形，而電磁渦流傳感器會進一步測量局部的微小變形，從而提高了檢測精度。該檢測器適合焊縫處的管道變形檢測，以及基于應(yīng)變的凹陷評價，在 80%的置信度時，尺寸量化精度可達 0.8 mm。

 

1.2 漏磁內(nèi)檢測

MFL技術(shù)因其對管道內(nèi)環(huán)境要求不高、不需要耦合劑、適用范圍廣、價格低廉等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛也是最成熟的技術(shù)。MFL技術(shù)可較好檢測宏觀體積缺陷、腐蝕和徑向裂紋等問題。缺點是表面檢測，對被檢測管道壁厚有限制，不適用于檢測管道壁厚、分層或氫致裂紋；管道缺陷無法定量分析，抗干擾能力差，空間分辨率低；檢測數(shù)據(jù)需校驗，以杜絕可能出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)。

圖1 高精度管道變形內(nèi)檢測傳感器(機械臂+渦流傳感器)

 

傳統(tǒng)的漏磁內(nèi)檢測器主要是基于軸向磁化、環(huán)向磁化原理，國外某公司開發(fā)的40.64 cm (16 in)螺旋磁化漏磁內(nèi)檢測器，如圖2所示。與傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測器相比，三軸漏磁內(nèi)檢測器不僅能精確識別腐蝕缺陷尺寸，還能識別螺旋焊縫缺陷、環(huán)焊縫缺陷、凹陷等傳統(tǒng)漏磁檢測器難以識別的缺陷以及管道壁厚變化，法蘭、閥門等管道結(jié)構(gòu)特征，在缺陷種類和缺陷尺寸量化方面都有顯著提升，是目前優(yōu)先推薦的管道內(nèi)檢測技術(shù)。GE PII等公司開發(fā)的三軸高清漏磁檢測器和第五代高清晰度漏磁檢測器，代表了該類技術(shù)的最高水平。2011年，中石油成功研制出D1219高清晰度管道漏磁檢測器，硬件技術(shù)參數(shù)已經(jīng)接近國外先進水平，但在漏磁信號數(shù)據(jù)分析處理質(zhì)量以及缺陷尺寸量化能力等方面仍存在較大差距。

圖2 螺旋磁化漏磁內(nèi)檢測器示意

 

1.3 超聲內(nèi)檢測

超聲技術(shù)需通過液體介質(zhì)與管壁進行耦合，主要應(yīng)用于液體管道。超聲法適用于檢測大管徑管道，可檢測壁厚、軸向和徑向裂紋、深度和位置缺陷，檢測數(shù)據(jù)準確、直觀，缺點是需要傳播介質(zhì)，不適用于檢測發(fā)生點蝕的管道、高流速和高壓力管道、蠟沉積嚴重管道。超聲技術(shù)對于缺陷探測的精度和敏感性是其他技術(shù)無法比擬的，但由于其對于管道內(nèi)壁清潔度要求較高、需要介質(zhì)耦合，大幅限制了其應(yīng)用范圍。但未來，超聲內(nèi)檢測仍是檢測管道裂紋缺陷的優(yōu)選技術(shù)。

1) 超聲測厚法。超聲測厚內(nèi)檢測基于超聲系統(tǒng)，利用計算超聲回波時間技術(shù)來測量管道的剩余壁厚，也可用于探測并測量出管壁中間的異常，如分層、氫致開裂和夾雜。超聲測厚檢測器可檢測管體普通腐蝕、焊縫附近的金屬損失、管壁劃傷或研磨相關(guān)的金屬損失。

中石油在 2011 年采用國外公司的超聲測厚內(nèi)檢測完成了某成品油管線兩段管道的內(nèi)檢測，由于管道內(nèi)環(huán)境等因素影響，實際檢測與預(yù)期效果存在一定差距，目前壓電超聲檢測腐蝕缺陷是研究方向。

2) 超聲裂紋檢測。超聲裂紋檢測器主要用于定位和測量應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)、疲勞裂紋、焊縫缺陷、劃痕、凹槽及軸向類裂紋異常。超聲裂紋檢測器對管壁表面清潔度要求較高，同時也必須通過液體介質(zhì)與管壁耦合。實際應(yīng)用表明：超聲技術(shù)對于裂紋缺陷較為敏感，但對于環(huán)焊縫的不規(guī)則外形的誤判率較高。

3) 超聲相控陣法。超聲相控陣檢測器可同時實現(xiàn)對裂紋和金屬損失缺陷的檢測，能夠區(qū)分SCC區(qū)域的裂紋和腐蝕，區(qū)分 SCC 和管材分層，且識別量化精度較高。該技術(shù)主要由 GE PII 研發(fā)并推廣實施，據(jù)報道，2005—2009年，該技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)檢測5 000 km。目前國內(nèi)還沒有對該技術(shù)開展相關(guān)研發(fā)工作和工業(yè)應(yīng)用的實踐報道。

 

1.4 電磁超聲檢測

電磁超聲技術(shù)的優(yōu)點是能夠在管壁內(nèi)產(chǎn)生超聲，不需要耦合介質(zhì)，適用于輸氣管道。電磁超聲內(nèi)檢測器能夠探測到的缺陷包括SCC、疲勞裂紋、焊縫缺陷等，如軸向的類似裂紋異常。同時，該技術(shù)還可通過多探頭及高采樣率探測防腐層類型及量化防腐層剝離區(qū)域的尺寸。缺點是較大的電能損耗，轉(zhuǎn)換效率低，易受噪聲影響及接受信號質(zhì)量較差等。目前電磁超聲技術(shù)還處于試驗驗證階段，尚未開展工程實際應(yīng)用。

其他新型內(nèi)檢測技術(shù)包括渦流法、磁記憶法、弱磁法、陰保電流內(nèi)檢測等，目前尚處于試驗驗證階段，尚未開展工程實際應(yīng)用，但上述技術(shù)將是未來管道內(nèi)檢測技術(shù)的研發(fā)熱點。

 

2 管道內(nèi)檢測技術(shù)應(yīng)用情況

國外管道內(nèi)檢測大部分是針對金屬損失，金屬損失包括內(nèi)/外腐蝕、管材制造缺陷和施工過程中的機械損傷，其次是幾何變形、中心線變形和SCC。針對金屬損失與焊縫缺陷，MFL仍然是最有效、最實用的內(nèi)檢測技術(shù)。國外某管道公司自2002年以來實施1.24×106 km內(nèi)檢測里程中有8.0×105 km為金屬損失檢測，包括漏磁和超聲測厚，大部分為高分辨率漏磁，占64%；2.7×105 km為幾何變形檢測，占22%；1.7×105 km為裂紋檢測，包括超聲裂紋、超聲相控陣、電磁超聲和環(huán)向漏磁，占14%。中石油已完成管道內(nèi)檢測超過7×104 km，檢測重點是金屬損失、幾何變形和焊縫缺陷，約2×104 km為幾何變形檢測，超過 5×104 km 為漏磁檢測。

裂紋缺陷由于存在應(yīng)力集中，因而是最危險的缺陷。由于開口寬度較小，漏磁檢測技術(shù)對其不敏感，通常采用超聲裂紋內(nèi)檢測技術(shù)。由于焊縫形貌的影響，該技術(shù)很難應(yīng)用于焊縫裂紋檢測。該技術(shù)需要耦合介質(zhì)，只適用于液體管道。為解決超聲裂紋不適用于氣體管道的問題，又出現(xiàn)了電磁超聲技術(shù)。

焊縫缺陷較復(fù)雜，既包括填充不足、過度打磨等體積型缺陷，又包括未熔合、未焊透、咬邊等裂紋型缺陷。MFL可檢測體積型和部分裂紋型焊縫缺陷，還可探測到具有一定開口寬度的焊縫缺陷。通常用于檢測管體裂紋的超聲裂紋和電磁超聲技術(shù)由于受焊縫形貌影響較大，對焊縫缺陷識別、判定和量化方面存在較大難度。

 

3 管道內(nèi)檢測技術(shù)關(guān)鍵指標

管道內(nèi)檢測設(shè)備性能規(guī)格直接決定管道本體隱患識別是否全面、準確，也是管道運營商選擇檢測內(nèi)檢測設(shè)備的重要因素，因而有必要對管道內(nèi)檢測器的性能規(guī)格關(guān)鍵指標開展研究。內(nèi)檢測器選型應(yīng)考慮檢測靈敏性、分類能力、尺寸精度和位置精度等性能指標與被檢測管道的缺陷類型相匹配，內(nèi)檢測器應(yīng)在給定的管道溫度、壓力、輸送介質(zhì)和流速范圍內(nèi)運行。

 

3.1 國外內(nèi)檢測標準

國外管道內(nèi)檢測標準有API 1163—2013《內(nèi)檢測系統(tǒng)鑒定》[5]、ANSI ILI-PQ—2005《內(nèi)檢測技術(shù)人員鑒定和資質(zhì)標準》[6]、NACE RP0102—2002《管道內(nèi)檢測》[7]等，規(guī)定了內(nèi)檢測項目的計劃、組織、實施等程序，內(nèi)檢測數(shù)據(jù)管理和分析方法，內(nèi)檢測系統(tǒng)設(shè)備和軟件等技術(shù)性能的鑒定，以及從事內(nèi)檢測工作相關(guān)人員的資質(zhì)。上述標準均未規(guī)定管道運行商如何驗證管道內(nèi)檢測報告的內(nèi)容。

 

3.2 國內(nèi)內(nèi)檢測標準

標準GB/T 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》[8]規(guī)定了管道幾何變形檢測和金屬損失檢測的技術(shù)要求，以及檢測周期、檢測器的適用范圍等。SY/T 6597—2014《油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》[9]提出了內(nèi)檢測選型應(yīng)考慮的因素，規(guī)定了管道幾何變形檢測、金屬損失檢測、裂紋檢測和中心線測繪的技術(shù)要求，并規(guī)定了開挖驗證中對檢測結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果對比分析的要求。國內(nèi)標準提出了部分管道內(nèi)檢測器的性能規(guī)格指標，但是未規(guī)定如何驗證管道內(nèi)檢測器性能規(guī)格，例如應(yīng)用開挖驗證、牽引試驗數(shù)據(jù)鑒定管道內(nèi)檢測設(shè)備的性能規(guī)格，也沒有推薦管道內(nèi)檢測器性能規(guī)格的關(guān)鍵指標。

 

3.3 關(guān)鍵指標

針對腐蝕管道的壁厚損失量，內(nèi)檢測器的檢測精度與檢測缺陷特征尺寸、缺陷實際尺寸等相關(guān)，即偏差是指在一定置信水平的值。針對腐蝕造成的金屬損失，高分辨率的漏磁檢測器通常定義置信水平在80%時為10% WT(壁厚)。此外，檢出缺陷與總?cè)毕輸?shù)比值(即檢出率POD)和缺陷識別能力(偏差)也是內(nèi)檢測器性能規(guī)格的重要參數(shù)，可用定量的統(tǒng)計分析方法確定管道內(nèi)檢測器的尺寸量化偏差、POD、識別率(POI)和誤報率(POFC)。

不同類型的內(nèi)檢測器性能規(guī)格的關(guān)鍵指標存在差異。國外主流的漏磁檢測器的采樣頻率為沿管道軸向2.0～3.3 mm，按照磁化方向、分辨率和探頭布置的差異，分為普通高清漏磁檢測器、三軸高清漏磁檢測器、環(huán)向漏磁檢測器等，其中最新的三軸超高分辨率漏磁檢測器能夠滿足軸向采樣頻率為2 mm，周向探頭的間距為5 mm，可檢出直徑2 mm及以上的針孔缺陷，檢出環(huán)向開口大于0.25 mm的裂紋，軸向?qū)挾葹? mm及以上的溝槽等規(guī)格缺陷。根據(jù)探頭布置角度的差異，超聲內(nèi)檢測器可分為超聲測厚內(nèi)檢測器和超聲裂紋內(nèi)檢測器，其中超聲裂紋內(nèi)檢測器滿足周向探頭的間距為10 mm，軸向采樣頻率為3 mm，檢測裂紋的閾值為長30 mm、深1 mm,若為焊縫裂紋，則為2 mm。

管道內(nèi)檢測器的性能規(guī)格還包括設(shè)備尺寸、質(zhì)量、防爆性能、通過能力、電池續(xù)航能力、運行參數(shù)等指標，也是非常重要的指標。

 

3.4 驗證方式

管道內(nèi)檢測器性能規(guī)格的驗證方式主要是現(xiàn)場開挖驗證和牽引試驗。

1) 現(xiàn)場開挖驗證。開挖驗證可確認檢測技術(shù)是否適合，驗證報告特征是否有效。同時還可以修正檢測數(shù)據(jù)，為完整性評價提供更加精準的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開挖驗證的樣本選擇，如缺陷尺寸、位置等，對于驗證內(nèi)檢測器性能規(guī)格非常關(guān)鍵，而國內(nèi)外標準針對開挖驗證的樣本選擇涉及較少。根據(jù)國內(nèi)外管道內(nèi)檢測實踐經(jīng)驗，選擇開挖驗證的樣本，應(yīng)遵守如下原則：

a) 嚴重的、需要立即修復(fù)的缺陷優(yōu)先作為開挖驗證的樣本。

b) 同一開挖坑內(nèi)的所有特征均應(yīng)進行測量，并作為開挖驗證的數(shù)據(jù)。

c) 選擇異常特征密集的位置作為開挖驗證的樣本。

d) 對報告的明顯特征，如彎頭、支管、閥門等，進行排查并作為驗證的數(shù)據(jù)。

e) 應(yīng)考慮選擇覆蓋檢測管段的前段、中部和后段位置的樣本。

f) 應(yīng)考慮底部摩擦和頂部提離的效應(yīng)，選擇覆蓋全圓周位置的樣本。

2) 牽引試驗。牽引試驗一般在檢測器投入運行之前進行，也是檢測服務(wù)商用來確定和優(yōu)化檢測設(shè)備性能規(guī)格的方法。管道運營企業(yè)為了驗證管道內(nèi)檢測器的性能規(guī)格，也可以在管道真實運行前進行牽引試驗。

 

4 存在的問題和建議

1) 內(nèi)檢測器研發(fā)與工程應(yīng)用與國外差距較大。國內(nèi)在普通變形內(nèi)檢測、軸向磁化漏磁內(nèi)檢測和慣性測繪內(nèi)檢測設(shè)備研發(fā)與工程實踐應(yīng)用效果較好；但高精度的變形內(nèi)檢測、環(huán)向磁化漏磁內(nèi)檢測、超聲測厚內(nèi)檢測、超聲裂紋內(nèi)檢測、電磁超聲內(nèi)檢測等系列檢測器尚未研發(fā)成功，或尚未開展相關(guān)設(shè)備研發(fā)。建議進一步加快相關(guān)高精度內(nèi)檢測器的研發(fā)與工程實踐應(yīng)用。

2) 裂紋內(nèi)檢測技術(shù)難以有效滿足生產(chǎn)應(yīng)用需求。油氣管道管體裂紋缺陷危害大，失效后果嚴重，國內(nèi)外均非常重視管體裂紋檢測評價技術(shù)的研究與應(yīng)用，但管道裂紋缺陷的內(nèi)檢測技術(shù)一直是行業(yè)難題。目前，國外主要將超聲裂紋與電磁超聲用于輸油管道與輸氣管道裂紋與類裂紋如 SCC 缺陷的檢測，但具體工程應(yīng)用效果與生產(chǎn)需求尚存在較大差距。 MFL對一定開口寬度的焊縫缺陷已經(jīng)具有了檢測能力，但焊縫裂紋的檢測難度較大。超聲裂紋、電磁超聲等技術(shù)受焊縫形貌影響，對焊縫裂紋目前仍然不具備可靠的識別、判定能力。因此，需持續(xù)開展管道裂紋的內(nèi)檢測技術(shù)應(yīng)用研究，分析常用內(nèi)外檢測方法對不同位置、不同類型裂紋檢測的適用性和檢測效果。

3) 應(yīng)力集中內(nèi)檢測技術(shù)尚需進一步研究突破。目前的內(nèi)檢測技術(shù)主要針對管體缺陷進行檢測，而管道失效是缺陷與載荷共同作用的結(jié)果，對于管體中的附加載荷目前還沒有成熟的檢測技術(shù)。目前國內(nèi)外研發(fā)的磁記憶、弱磁等內(nèi)檢測技術(shù)針對管體應(yīng)力集中進行檢測，將有助于更準確地開展完整性評價工作，但該技術(shù)目前還不成熟，具體的工程應(yīng)用效果尚需進一步驗證評價。

4) 渦流內(nèi)檢測、陰極保護電流內(nèi)檢測、被動聲學(xué)泄漏內(nèi)檢測以及包括爬行內(nèi)檢測、牽引內(nèi)檢測、視頻內(nèi)檢測的非介質(zhì)驅(qū)動內(nèi)檢測等方法針對特殊、特定缺陷或特殊工況具有良好的工程應(yīng)用前景，應(yīng)進一步開展相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與工程應(yīng)用實踐。

5) 檢測缺陷類型、缺陷閾值、尺寸量化精度以及定位精度是管道企業(yè)最關(guān)心的內(nèi)檢測器性能指標。同時，應(yīng)對管道內(nèi)檢測器關(guān)鍵指標驗證技術(shù)方法和資質(zhì)鑒定方法開展研究，包括開挖驗證技術(shù)和牽引試驗方法等。