石油天然氣運輸是我國五大運輸產(chǎn)業(yè)之一，對國民經(jīng)濟發(fā)展起支柱性作用，近些年發(fā)展迅速。然而油氣管道受環(huán)境、氣候、介質(zhì)、施工質(zhì)量等因素影響易產(chǎn)生缺陷，輕則導(dǎo)致泄漏，重則發(fā)生爆炸事故，影響國民經(jīng)濟與生命財產(chǎn)安全，因此必須對缺陷進行檢測和及時修復(fù)。
內(nèi)檢測技術(shù)是國內(nèi)外識別管道缺陷和監(jiān)測服役狀況的主要手段，該技術(shù)可分為幾何變形檢測、漏磁檢測、超聲測厚（裂紋）檢測、渦流檢測和中心線檢測等方法，目前國內(nèi)主要采用清管+幾何變形檢測+漏磁檢測+中心線檢測的組合方法進行檢測。
內(nèi)檢測實施前需調(diào)查管道概況、收發(fā)球裝置、管道附件及工藝參數(shù)并進行安全分析，但是部分管道受資料不全、施工不規(guī)范、缺乏管理、未實施過清管及檢測等因素影響，可能存在未知的超限凹陷變形、橢圓度、閥門開度異常、斜接、伸入物等情況，易造成漏磁檢測器卡堵或檢測數(shù)據(jù)不完整。而為保障漏磁內(nèi)檢測順利進行，幾何變形檢測信號識別及風(fēng)險評估是至關(guān)重要的。
基于此，中國特種設(shè)備檢測研究院和中特檢管道工程（北京）有限公司的研究人員從幾何變形檢測原理和信號識別入手，研究影響漏磁檢測器通過性的典型缺陷信號特征，探討變形缺陷導(dǎo)致的漏磁內(nèi)檢測實施風(fēng)險，最后提出缺陷處理措施及建議，為幾何變形信號識別和漏磁檢測可行性判定提供技術(shù)支撐。
幾何變形檢測方法
檢測原理
幾何變形檢測的基本原理是通過判斷機械探臂是否發(fā)生下壓或舒張來識別管道變形。其檢測時，利用檢測器筒體上可轉(zhuǎn)動的彈性機械探臂和轉(zhuǎn)軸中心的角度傳感器，記錄探臂與管道軸線夾角θ的變化，從而得到探臂下壓或舒張時與管壁的距離，然后計算出變形大小。
理想情況下，檢測器筒體與管道同軸，若無幾何變形，檢測器探臂均緊貼管壁并形成一致的夾角，變形為0%ID（ID為管道內(nèi)徑）；但若存在凹陷、開孔等引起內(nèi)徑變化的特征時，θ會變小或變大。
幾何變形檢測原理如下圖所示。角度傳感器檢測的信號經(jīng)過適當放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被采集并存儲在幾何變形內(nèi)檢測器機芯儲存器中。檢測完成后，對數(shù)據(jù)進行處理、識別和判讀，可獲取包括幾何變形缺陷在內(nèi)的其他管道的特征信息。
幾何變形檢測原理示意
幾何變形檢測器可根據(jù)記錄的里程值、碼盤值、各通道內(nèi)徑測量值等，精確量化變形的深度、長度和環(huán)向位置。缺陷的長度精度取決于采樣頻率和里程輪運行情況，寬度和深度精度取決于探臂的周向間距和角度傳感器精度。
幾何變形信號分析與識別
幾何變形數(shù)據(jù)可采用專業(yè)分析軟件進行分析和判讀。幾何變形信號反映了管道內(nèi)徑變化信息，包括幾何變形缺陷、焊縫、閥門、三通、法蘭、彎頭等相關(guān)特征。
管道特征可分為內(nèi)徑增大和內(nèi)徑減小兩大類。管道無內(nèi)徑變化時，信號為一條直線；如存在三通、支管等內(nèi)徑增大特征時，變形信號下凹，若存在凹陷變形、伸入物等內(nèi)徑減小特征時，變形信號上凸，如下圖所示。
內(nèi)徑變化時的幾何變形信號
例如，環(huán)焊縫因存在余高，內(nèi)徑減小，信號上凸；三通因存在通孔，內(nèi)徑增大，信號下凹，如下圖所示。借助環(huán)焊縫和三通信號特點，再利用機械探臂受壓或舒張時信號上凸、下凹一致性原則，可識別管道中的其他幾何變形特征。
環(huán)焊縫和三通的變形檢測信號
關(guān)鍵變形信號識別與分析
對幾何變形檢測數(shù)據(jù)進行分析，可判斷管道是否存在影響實施漏磁檢測的變形特征。這些特征可分為管道本體變形和附件異常兩大類。管道本體變形包含凹陷、褶皺、橢圓度變形、斜接及異物伸入等；附件異常包含閥門開度異常、變徑、特殊三通及儀器儀表故障等。
1、管道本體變形
1）凹陷
凹陷為外力撞擊或擠壓造成的管道表面曲率明顯變化的局部塑性變形。按形成階段可分為服役前與服役后凹陷，服役前凹陷主要是制造或運輸過程中操作不當所致；服役后形成凹陷的原因有管底存在硬物（石頭等）、第三方機械破壞、地質(zhì)災(zāi)害等。凹陷信號特點如下圖a所示，外觀如下圖b所示，可見周向或軸向信號均呈中間最高，兩側(cè)逐漸降低的趨勢；由開挖圖可知該缺陷位于底部且沒有硬物，判斷為外力沖擊所致。
2）褶皺
褶皺為管子外壁光滑而局部凸起的部分。形成原因為管道承受外力且未得到有效釋放，如管道強組對、服役過程中塌方、不均勻沉降等，其信號特點如下圖c所示，可見信號與波浪相似，存在多處連續(xù)凸起；下圖d為開挖圖，可見該褶皺發(fā)生在焊縫兩側(cè)，為管道安裝時強組對產(chǎn)生的管系應(yīng)力所致。
3）橢圓度變形
橢圓度為管道橫截面偏離正常圓形的程度，其計算公式為：橢圓度(%)=(最大直徑-最小直徑)/公稱直徑。其為管道制造、運輸及運行過程中的外部荷載所致，信號特點如下圖e所示，可見上凸信號與下凹信號相差90°，而正常的彎頭信號相差180°；下圖f為開挖圖，初步判斷該橢圓度變形為管道熱煨加工不規(guī)范所致。
4）斜接
斜接為焊縫兩側(cè)管道中心線不在同一條直線上，而是成一定角度的接頭形式。斜接形成原因分為設(shè)計不合理和施工不規(guī)范，其信號特征如下圖g所示，可見信號曲線呈三角波形，一部分通道信號上凸、另一部分信號下凹且呈對稱分布，與探臂一側(cè)受壓另一側(cè)舒展相對應(yīng)；開挖結(jié)果如下圖h所示，判定為未按設(shè)計施工所致。
5）異物伸入
伸入管道的異物有金屬物、木楔子等。異物伸入主要分為兩類：第三方施工破壞導(dǎo)致管壁金屬向內(nèi)延伸；管道泄漏后修復(fù)不規(guī)范，采用木楔子、鋼筋等進行堵漏修補。異物伸入信號特征如下圖i所示，可見凸起信號尖銳且通道較少；下圖j為現(xiàn)場開挖情況。
2、管道附件異常
1）閥門開度異常
閥門開度異常分為閥門未全開和開度過大。產(chǎn)生原因為閥門故障、手動閥門改電動后行程不一致等，其信號特征如下圖a所示，圖中1處位置先上凸后下凹，2處位置先下凹后上凸，且兩處信號對稱分布，與閥門未全開或過度打開對應(yīng)；下圖b為閥門開度過大的指示圖。
2）管道變徑
變徑又稱大小頭，即管道直徑發(fā)生變化，發(fā)生縮徑或擴徑。變徑一般出現(xiàn)在施工不規(guī)范的老舊管道、海底管道及集輸管道中。其信號特征如下圖c所示，可見管道底部通道信號不變，其余通道都有凸起，與檢測器從球筒進入直管段探臂逐漸受壓對應(yīng)；下圖d為偏心發(fā)球筒處變徑外觀。
3）特殊三通
特殊三通是指管道存在不合規(guī)封堵三通、Y型支管或未知支管。封堵三通的鞍形板未正確安裝易造成檢測器探頭損壞或卡堵。Y型支管或未知支管為插輸、插分的支線或預(yù)留支管，易造成設(shè)備停球、卡堵及進入支線。下圖e為正常的封堵三通信號，曲線全部下凹形成一個橢圓形；下圖f為封堵三通外觀。
4）儀器儀表故障
儀器儀表故障為儀表支管伸入管道內(nèi)部過深或金屬探測桿不能正常回彈。常見的儀表為壓力表、溫度計、過球指示器等。下圖g為過球指示器信號，信號呈單峰且非常尖銳；下圖h為過球指示器外觀。
風(fēng)險分析
漏磁內(nèi)檢測器受幾何變形影響易出現(xiàn)卡堵、停球、設(shè)備損傷、探頭及線路損壞等情況。
1、卡堵
漏磁內(nèi)檢測器主要由電池節(jié)、永磁勵磁節(jié)和工控計算機節(jié)組成。為保證管壁磁飽和與識別精度，永磁勵磁節(jié)一般按直管段15%ID的通過能力設(shè)計，因此該節(jié)最容易發(fā)生卡堵。凹陷、褶皺、橢圓度、異物伸入、閥門開度、管道變徑、封堵處鞍形板錯位及儀器儀表金屬探測桿故障等導(dǎo)致卡堵的情形如下圖a所示，即缺陷處內(nèi)徑小于磁鋼和鋼刷壓縮后的外徑。漏磁內(nèi)檢測器也可能因斜接發(fā)生卡堵，如下圖b所示，即永磁勵磁節(jié)受到驅(qū)動力F牽引時，A，B位置鋼刷都達到壓縮極限而無法轉(zhuǎn)動。
漏磁內(nèi)檢測器卡堵示意
2、設(shè)備損傷及停球
管道內(nèi)部存在障礙物時，易造成皮碗劃傷、撕裂、過度磨損和設(shè)備機械結(jié)構(gòu)損傷，嚴重時會導(dǎo)致電池節(jié)失去驅(qū)動能力而停球和設(shè)備發(fā)生斷裂解體。停球的原因為驅(qū)動節(jié)泄流，流體壓差小于檢測器的摩擦阻力。另外，漏磁內(nèi)檢測器通過管道特殊支管時，介質(zhì)從支管流出，也會導(dǎo)致驅(qū)動力不足而停球。
3、探頭及線路損壞
管道存在變形時內(nèi)徑減小,探頭之間會相互擠壓，再加上與障礙物撞擊，探頭極易損壞。探頭損壞會導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)不全。SY/T 6597-2018《油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：之前檢測過且運行歷史良好的管道，傳感器通道數(shù)據(jù)丟失總數(shù)應(yīng)不大于2%；首次檢測管道或高風(fēng)險管道，可接受的通道數(shù)據(jù)丟失應(yīng)小于1%，且不應(yīng)有2個以上相鄰?fù)ǖ赖臄?shù)據(jù)同時丟失。此外，若電源線、探頭連接線、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接線等發(fā)生損壞或短路，可能會導(dǎo)致內(nèi)檢測器工作故障、數(shù)據(jù)大量丟失，需要重新檢測。
幾何變形缺陷處理措施及建議
對可能影響漏磁內(nèi)檢測通球的變形信號進行分析和開挖驗證，全面掌握缺陷所處位置和實際變形程度等信息后，按下表進行處理。
表1 變形缺陷導(dǎo)致的風(fēng)險及處理措施
管道本體變形
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幾何變形特征
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漏磁內(nèi)檢測實施風(fēng)險
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風(fēng)險控制
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超限處理措施
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凹陷
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卡堵、探頭損壞
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直管管徑≤15%ID、彎頭≤10%ID
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釋放應(yīng)力后不回彈則換管
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褶皺
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卡堵、探頭損壞
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直管管徑≤15%ID、彎頭≤10%ID
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釋放應(yīng)力后不回彈則換管
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橢圓度
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卡堵、探頭損壞
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內(nèi)徑減小側(cè)≤10%ID
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換管
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斜接
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卡堵
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模擬檢測器通過性
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換管
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異物伸入
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卡堵、停球、探頭損壞及設(shè)備損傷
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不允許
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換管、取出異物并修復(fù)
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管道附件異常
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幾何變形特征
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漏磁內(nèi)檢測實施風(fēng)險
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風(fēng)險控制
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超限處理措施
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閥門開度異常
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卡堵、停球、探頭損壞及設(shè)備損傷
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不允許
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調(diào)整開度或更換閥門
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變徑
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卡堵、探頭損壞及停球
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不允許
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換管或采用專用漏磁檢測器
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特殊三通
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卡堵、停球、探頭損壞及設(shè)備損傷
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不允許存在錯位鞍形板
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調(diào)整鞍形板或更換封堵，檢測時調(diào)整支線輸量
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儀器儀表
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卡堵、探頭損壞、設(shè)備損傷
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不允許
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修復(fù)或更換儀器儀表
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結(jié)語
(1) 基于幾何變形檢測技術(shù)原理，利用信號上凸、下凹一致性原則，判斷管道內(nèi)徑變化、識別管道信號特征，并結(jié)合信號軸向距離、周向占比通道、幅值來評估特征的長度、寬度及深度。
(2) 利用信號曲線幅值變化、通道數(shù)、鐘點等分布規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場開挖，分析了影響管道漏磁內(nèi)檢測通球的管道本體變形和附件異常的信號特點和產(chǎn)生原因，為今后幾何變形內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析與信號識別提供技術(shù)支持。
(3) 闡述了變形缺陷導(dǎo)致漏磁內(nèi)檢測器卡堵、停球、檢測器損傷等的原因，提出了處理措施與建議，為消除安全隱患及順利實施漏磁內(nèi)檢測提供幫助。
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