油氣管道無損檢測技術

1、油氣儲運前言知識講座油氣管道無損檢測技術 管道作為大量輸送石油、氣體等能源的安全經濟的運輸手段,在世界各地得到了廣泛應用,為了保障油氣管道安全運行,延長使用壽命,應對其定期進行檢測,以便發(fā)現(xiàn)問題,采取措施。一、管道元件的無損檢測 （一）管道用鋼管的檢測 埋地管道用管材包括無縫鋼管和焊接鋼管。對于無縫鋼管采用液浸法或接觸法超聲波檢測主要來發(fā)現(xiàn)縱向缺陷。液浸法使用線聚焦或點聚焦探頭,接觸法使用與鋼管表面吻合良好的斜探頭或聚焦斜探頭。所有類型的金屬管材都可采用渦流方法來檢測它們的表面和近表面缺陷。對于焊接鋼管，焊縫采用射線抽查或100 %檢測，對于100 %檢測，通常采用X射線實時成像檢測技術。 （

2、二）管道用螺栓件 對于直徑> 50 mm 的鋼螺栓件需采用超聲來檢測螺栓桿內存在的冶金缺陷。超聲檢測采用單晶直探頭或雙晶直探頭的縱波檢測方法。二、管道施工過程中的無損檢測 （一）各種無損檢測方法在焊管生產中的配置 國外在生產中常規(guī)的主要無損檢測配置如下圖一中的A、B、C、E、F、G、H工序。我國目前生產中的檢測配置主要崗位如下圖中的A、C、D、E、F、G、H工序。圖一 大口徑埋弧焊街鋼管生產無損檢測崗位配置 （二）超聲檢測 全自動超聲檢測技術目前在國外已被大量應用于長輸管線的環(huán)焊縫檢測，與傳統(tǒng)手動超聲檢測和射線檢測相比，其在檢測速度、缺陷定量準確性、減少環(huán)境污染和降低作業(yè)強度等方面有著明

3、顯的優(yōu)越性。 全自動相控陣超聲檢測系統(tǒng)采用區(qū)域劃分方法，將焊縫分成垂直方向上的若干個區(qū)，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對其進行分區(qū)掃查，檢測結果以雙門帶狀圖的形式顯示，再輔以TOFD (衍射時差法)和B掃描功能，對焊縫內部存在的缺陷進行分析和判斷。 全自動超聲波現(xiàn)場檢測時情況復雜，尤其是軌道位置安放的精確度、試塊的校準效果、現(xiàn)場掃查溫度等因素會對檢測結果產生強烈的影響， 因此對檢測結果的評判需要對多方面情況進行綜合考慮，收集各種信息，才能減少失誤。 （三） 射線檢測 射線檢測一般使用X 射線周向曝光機或射線源，用管道內爬行器將射線源送入管道內部環(huán)焊縫的位置，從外部采用膠片一次曝光，但膠片處理和評價

4、需要較長的時間，往往影響管道施工的進度，因此，近年來國內外均開發(fā)出專門用于管道環(huán)焊縫檢測的X 射線實時成像檢測設備。圖二 管道環(huán)焊縫自動掃描X射線實時成像系統(tǒng) 圖二為美國Envision公司生產的管道環(huán)焊縫自動掃描X射線實時成像系統(tǒng)，該設備采用目前最先進的CMOS成像技術，用該設備完成 609mm(24 in) 管線連接焊縫的整周高精度掃描只需12 min ，掃描寬度可達75 mm，該設備圖像分辨率可達80m ，達到和超過一般的膠片成像系統(tǒng)。 （四）磁粉檢測 磁粉檢測的基礎是缺陷處漏磁場與磁粉的磁相互作用。鐵磁性材料或工件被磁化后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面或近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產

5、生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下目視可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、形狀和大小。 國內很少對焊管坡口面進行磁粉檢測。國外使用的自動檢測系統(tǒng)，主要采用熒光磁懸液濕法檢測。自動磁粉檢測設備采用磁化線圈在鋼管壁厚方向對坡口面局部磁化，同時在坡口表面噴灑熒光磁懸液，憑借在該部位裝置的高分辨率攝像系統(tǒng)，將磁化、磁懸液噴灑區(qū)域的影像傳輸在旁邊的監(jiān)視屏上，操作人員監(jiān)視屏幕，就可以及時發(fā)現(xiàn)磁痕影像，找出缺陷。 磁粉檢測適用于檢測鐵磁性材料表面和近表面的缺陷，因此對于奧氏體不銹鋼和有色金屬等非鐵磁性材料不能用磁粉檢測的方法進行探傷。由于馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼具有磁性，因此可以進行

6、磁粉檢測。磁粉檢測可以發(fā)現(xiàn)表面和近表面的裂紋、夾雜、氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，但難以發(fā)現(xiàn)表面淺而寬的凹坑、埋藏較深的缺陷及與工件表面夾角極小的分層。三、鋼質管道管體無損檢測技術 鋼質管道管體的無損檢測，主要就是管體的完整性（如剩余壁厚、管道缺陷、表面腐蝕形態(tài)、腐蝕產物類型、腐蝕深度等）檢測。表一列出了目前常用的管道檢測技術及其檢測內容。表一 管道檢測技術分類 （一）彈性波檢測技術 彈性波檢測是利用管道泄漏引起的管道內壓力波的變化來進行診斷定位，一般可分為聲波、負壓力波和壓力波三種。其主要工作原理是利用安置好的傳感器來檢測管道泄漏時產生的彈性波并進行探測定位。這種技術的關鍵是區(qū)分正常操作時和發(fā)

7、生泄漏時的彈性波。目前有兩種方法，一種是利用硬件電路的延時來進行信號過濾，另一種是結合結構模式識別和神經網絡來區(qū)分正常操作時和發(fā)生事故時產生的不同波形，從而更好地監(jiān)測管道的運行。 （二）漏磁通檢測技術 漏磁式管道腐蝕檢測設備的工作原理是利用自身攜帶的磁鐵，在管壁圓周上產生一個縱向磁回路場。如果管壁沒有缺陷，則磁力線封閉于管壁之內，均勻分布。如果管內壁或外壁有缺陷，則磁通路變窄，磁力線發(fā)生變形，部分磁力線將穿出管壁產生漏磁。漏磁檢測原理圖三所示。圖三 漏磁檢測原理 漏磁場被位于兩磁極之間的緊貼管壁的探頭檢測到，并產生相應的感應信號。這些信號經濾波、放大、模數(shù)轉換等處理后被記錄到檢測器上的存儲器中

8、，檢測完成后，再通過專用軟件對數(shù)據(jù)進行回放處理、判斷識別。 從整個檢測過程來說，漏磁檢測可分為圖四所示的四個部分：圖四 漏磁檢測流程圖 漏磁檢測技術的優(yōu)點：（1）易于實現(xiàn)自動化；較高的檢測可靠性；（2）可以實現(xiàn)缺陷的初步量化；（3）在管道檢測中，厚度達到30mm的壁厚范圍內，可同時檢測內外壁缺陷；（4）高效，無污染，自動化的檢測可以獲得很高的檢測效率。 漏磁檢測技術的局限性：（1）只適用于鐵磁材料；（2）檢測靈敏度低；（3）缺陷的量化粗略；（4）受被檢測工件的形狀限制由于采用傳感器檢測漏磁通，漏磁場方法不適合檢測形狀復雜的試件；（5）漏磁探傷不適合開裂很窄的裂紋，尤其是閉合型裂紋；（6）不能對

9、缺陷的類型或者缺陷的嚴重程度直接作定量性的分析。 （三）超聲波檢測技術 管道超聲檢測是利用現(xiàn)有的超聲波傳感器測量超聲波信號往返于缺陷之間的時間差來測定缺陷和管壁之間的距離；通過測量反射回波信號的幅值和超聲波探頭的發(fā)射位置來確定缺陷的大小和方位。 圖五為超聲波檢測原理圖, 圖中Wt代表管道正常壁厚, SO代表超聲波探頭與管道內表面間的標準位移。圖五 超聲波檢測原理圖 超聲波檢測技術的優(yōu)點：（1）檢測速度快，檢測成本低；（2）檢測厚度大，靈敏度高；（3）缺陷定位較準確；（4）對細微的密閉裂紋類缺陷靈敏度高。 超聲波檢測的缺點：（1）由于受超聲波波長的限制，該檢測法對薄管壁的檢測精度較低，只適合厚管

10、壁，同時對管內的介質要求較高；（2）當缺陷不規(guī)則時，將出現(xiàn)多次反射回波，從而對信號的識別和缺陷的定位提出了較高要求；（3）由于超聲波的傳導必須依靠液體介質，且容易被蠟吸收，所以超聲波檢測器不適合在氣管線和含蠟高的油管線上進行檢測，具有一定局限性。 （四）電磁超聲檢測 電磁超聲技術（EMAT）是20世紀70年代發(fā)展起來的無損檢測新技術。這一技術是以洛侖茲力、磁致伸縮力、電磁力為基礎，用電磁感應渦流原理激發(fā)超聲波。 電磁超聲的發(fā)射和接收是基于電磁物理場和機械波振動場之間的相互轉化， 兩個物理場之間通過力場相互聯(lián)系。從物理學可知，在交變的磁場中，金屬導體內將產生渦流，同時該電流在磁場中會受到洛侖茲力

11、的作用，而金屬介質在交變應力的作用下將產生應力波，頻率在超聲波范圍內的應力波即為超聲波。與之相反，該效應具有可逆性，返回聲壓使質點的振動在磁場作用下也會使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，因此可以通過接收裝置進行接收并放大顯示。人們把用這種方法激發(fā)和接收的超聲波稱為電磁超聲。 與傳統(tǒng)壓電超聲換能器相比，EMA的優(yōu)點主要有：（1）非接觸檢測，不需要耦合劑；（2）可產生多種模式的波，適合做表面缺陷檢測；（3）適合高溫檢測；（4）對被探工件表面質量要求不高；（5）在實現(xiàn)同樣功能的前提下，EMAT探傷設備所用的通道數(shù)和探頭數(shù)都少于壓電超聲；（6）發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強，對不同的入射角有明顯的端角反射，對表面裂

12、紋檢測靈敏度較高。 EMA的缺點：（1）EMAT的換能效率要比傳統(tǒng)壓電換能器低2040dB；（2）探頭與試件距離應盡可能?。唬?）EMAT僅能應用于具有良好導電性能的材料中。 （五）渦流檢測技術 渦流檢測技術是目前采用較為廣泛的管道無損檢測技術，其原理為：當一個線圈通交變電時，該線圈將產生一個垂直于電流方向（即平行于線圈軸線方向）的交變磁場，把這個線圈靠近導電體時，線圈產生的交變磁場會在導電體中感應出渦電流（簡稱渦流），其方向垂直于磁場并與線圈電流方向相反。導電體中的渦流本身也要產生交變磁場，該磁場與線圈的磁場發(fā)生作用，使通過線圈的磁通發(fā)生變化，這將使線圈的阻抗發(fā)生變化，從而使線圈中的電流發(fā)生

13、變化。通過監(jiān)測線圈中電流的變化（激勵電流為恒定值），即可探知渦流的變化，從而獲得有關試件材質、缺陷、幾何尺寸、形狀等變化的信息。 渦流檢測技術可分為常規(guī)渦流檢測、透射式渦流檢測和遠場渦流檢測。常規(guī)渦流檢測受到趨膚效應的影響，只適合于檢測管道表面或者亞表面缺陷，而透射式渦流檢測和遠場渦流檢測則克服了這一缺陷，其檢測信號對管內外壁具有相同的檢測靈敏度。其中遠場渦流法具有檢測結果便于自動化檢測(電信號輸出)、檢測速度快、適合表面檢測、適用范圍廣、安全方便以及消耗的物品最少等特點，在發(fā)達國家得到廣泛的重視，廣泛用于在用管道的檢測。 渦流檢測技術的優(yōu)點：（1）檢測速度高，檢測成本低，操作簡便；（2）探頭

14、與被檢工件可以不接觸，不需要耦合介質；（3）檢測時可以同時得到電信號直接輸出指示的結果，也可以實現(xiàn)屏幕顯示；（4）能實現(xiàn)高速自動化檢測，并可實現(xiàn)永久性記錄。 渦流檢測技術的缺點：（1）只適用于導電材料，難以用于形狀復雜的試件；（2）只能檢測材料或工件的表面、近表面缺陷；（3）檢測結果不直觀，還難以判別缺陷的種類、性質以及形狀、尺寸等；（4）檢測時受干擾影響的因素較多，易產生偽顯示。 （六）激光檢測技術 激光檢測系統(tǒng)主要包括激光掃描探頭、運動控制和定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)三個部分，利用了光學三角測量的基本原理。與傳統(tǒng)的渦流法和超聲波法相比，激光檢測（或輪廓測量）技術具有檢測效率高、檢測精度高

15、、采樣點密集、空間分辨力高、非接觸式檢測，以及可提供定量檢測結果和提供被檢管道任意位置橫截面顯示圖、軸向展開圖、三維立體顯示圖等優(yōu)點。 但是激光檢測方法只能檢測物體表面，要全面掌握被測對象的情況，必須結合多種無損檢測方法，取長補短。 （七）管道機器人檢測技術 管道機器人是一種可在管道內行走的機械，可以攜帶一種或多種傳感器，在操作人員的遠端控制下進行一系列的管道檢測維修作業(yè)，是一種理想的管道自動化檢測裝置。 一個完整的管道檢測機器人應當包括移動載體、視覺系統(tǒng)、信號傳送系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。管道機器人的主要工作方式為: 在視覺、位姿等傳感器系統(tǒng)的引導下，對管道環(huán)境進行識別，接近檢測目標，利用超

16、聲波傳感器、漏磁通傳感器等多種檢測傳感器進行信息檢測和識別，自動完成檢測任務。其核心組成為管道環(huán)境識別系統(tǒng)（視覺系統(tǒng)）和移動載體。目前國外的管道機器人技術已經發(fā)展得比較成熟，它不僅能進行管道檢測，還具有管道維護與維修等功能，是一個綜合的管道檢測維修系統(tǒng)。四、管道外覆蓋層檢測技術 （一）PCM檢測法 PCM（多頻管中電流檢測法）評價的核心是遙控地ICI電流信號的張弱來控制發(fā)射到管道表ICI的電流，通過檢測到的電流變化規(guī)律，進而判斷外防腐層的破損定位與老化程度。加載到管道上的電流會產生相應的電磁場，磁場張弱與加載電流的大小成正比，同時隨著傳輸距離增大，電流信號逐漸減小。當管道外涂層有破損時，電流通

17、過破損點流向大地，該點處的電流衰減率突然增大，可判定外涂層破損點的位置。 但PCM法對較近的多條管道難以分辨、在管道交叉、拐點處及存在交流電干擾時，測得數(shù)據(jù)誤差大。 （二） DCVG檢測技術 DCVG（直流電壓梯度測試技術）的原理是對管道上加直流信號時，在管道防腐層破損裸漏點和土壤之間會出現(xiàn)電壓梯度。在破損裸漏點附近部位，電流密度將增大，電壓梯度也隨著增大。普遍情況下，裸漏面積與電壓梯度成正。直流電壓梯度檢測技術就是基于上述原理的。 在用DCVG測量時，為了便于對信號的觀察和解釋，需要加一個斷流器在陰極保護輸出上。測量過程中，沿管線以2m的間隔在管頂上方進行測量。 DCVG的優(yōu)點為能準確地測出

18、防腐層的破損位置，判斷缺陷的嚴重程度和估計缺陷大小，之后根據(jù)檢測結果提供合理的維護和改造建議；測量操作簡單，準確度高，在測量過程中不受外界干擾，幾乎不受地形影響。缺點在于整個過程需沿線步行檢測，不能指示管道陰極保護的效果和涂層剝離；環(huán)境因素會引起一定誤差，如雜散電流、地表土壤的電阻率等。 （三） Pearson檢測法 Pearson檢測法（皮爾遜檢漏法）的原理是對管道施加交流信號，此信號會通過管道防腐層的破損點處流失到土壤中，因此距離破損點越遠，電流密度越小，破損點的上方地表形成一個交流電壓梯度。檢測過程中，兩位測試員相距36m，腳穿鐵釘鞋或手握探針，將各探測的的電壓信號發(fā)回接收裝置，信號經濾波、放大，即能得到檢測結果。 Pearson檢測法是目前國內最常用的檢測技術，其優(yōu)點是：（1）有較成熟的使用經驗，并且檢測速度較快，能沿線檢測防腐層破損點和金屬物體；（2）能識別破損點大小，還能測到微小漏點，長輸管道的檢測與運行維護中有良好的使用反饋。 Pearson檢測法的不足之處在于，（1）整個檢測過程需步行；（2）不能指明出缺陷的損壞程度；（3）對操作者的技能求高；（4）在水泥或瀝青地面上檢測接地困難。 （四）標準管/地