天然气管道无损检测技术的应用

天然气管道无损检测技术的应用

世界上近100%的天然气和超过85%的石油通过长距离输送。全球已建成的240多万公里管道中,输气管道约占60%,其中近一半趋于老化,因裂纹引发的恶性安全事故时有发生,每年因管道漏气、停输、污染等造成数亿元的损失。天然气长输管道常见裂纹主要有应力腐蚀裂纹、氢致裂纹和疲劳裂纹等。这些裂纹大多沿管道纵向分布,在管内天然气压力作用下很容易快速扩展,造成管壁开裂。与腐蚀缺陷相比,天然气管道裂纹的检测技术要复杂得多,不同类型裂纹需用不同的检测方法,而每一种检测方法的适用范围又有限,目前还没有一种普遍适用的管道裂纹检测方法。一、裂纹检测的应用虽然长输管道腐蚀缺陷检测技术比较成熟,但由于管道裂纹形态的复杂性及其几何分布的特殊性,将腐蚀缺陷检测方法直接用于裂纹检测时,很难得到理想的结果。尽管国外许多公司和研究机构围绕天然气管道裂纹的检测已开展了大量研究,但检测方法和技术等仍不十分成熟。1.第二代超声波探伤剂在天然气管道干超声波是目前最被看好的裂纹检测方法之一,国外对此方法及应用的研究已有多年历史。但天然气管道与石油管道的传输介质不同,由于缺乏合适的液体耦合条件,在石油管道检测中效果较好的超声波检测系统,却很难直接用于对天然气长输管道的检测。为解决超声波耦合问题,英国国家天然气公司提出了轮胎式换能器的设计思路,即将超声波探头安装在充满耦合剂的专用轮胎内,让轮胎与管壁内表面接触,这样,在输气管道检测中就不需额外使用耦合剂。1993年英国PII公司采用这种耦合方式研制出了第一代超声波裂纹检测器,并在北美的石油天然气管线上进行了现场试验。但由于轮胎尺寸较大,限制了其沿管道圆周方向安装的数量,直接造成所装设检测探头的数量较少,导致检测器的清晰度不高,漏检现象较严重。近年来,该公司采用先进的信号处理算法,使检测器的裂纹检出率和量化准确度有所改善。2.洛仑兹力作用电磁超声方法是基于涡流和磁场的交互作用,利用电磁超声探头产生和接收超声导波的一种非接触式检测技术,其基本原理如图1所示。若在靠近被测管道表面的线圈中通以高频电流。则在管道表面就会感应出相同频率的涡流,如果同时在被测管道表面再施加一个恒定磁场,该磁场与涡流相互作用,在管道表面又会产生一个相同频率的力,即洛仑兹力。洛仑兹力能引起被测管道材料晶格的振动,并在管壁内激发出超声波。电磁超声波是通过电磁感应直接在被测金属材料中产生的,检测时不需要使用耦合介质,因此非常适用于天然气管道的缺陷检测。目前,英国PII公司已开发出一种基于电磁超声技术的天然气管道裂纹检测装置,该装置对壁厚为9~16mm天然气管道的应力腐蚀裂纹、轴向疲劳裂纹和焊缝等均表现出较好的检测能力,仅1mm深的裂纹也能检测出来。另外,美国OakRidge国家实验室开发出的电磁超声应力腐蚀裂纹检测系统,经在∅762mm的天然气长输管道上试验,证明其能有效地判别有无裂纹。而此前,在澳大利亚人C.W.Pope和美国人T.D.Williamson研究的基础上,Tuboscope公司也曾开发了一种电磁超声裂纹检测器。电磁场求解是电磁超声定量化无损检测的基础,建立和求解电磁场模型的复杂性,制约了电磁超声定量无损检测技术的发展,如何识别裂纹并更为精确地量化其几何参数,将是电磁超声检测技术研究的重点。此外,受天然气管道表面质量的影响,电磁超声检测器的能量转换效率和检测灵敏度等均有待提高。3.对于方面的研究常规涡流方法对导电金属构件表面和近表面裂纹的检测灵敏度较高。但由于存在趋肤效应,涡流渗透能力不足,难以满足对管壁较厚的天然气管道内外表面及管壁内部裂纹检测的需要。近年来,围绕对天然气管道裂纹的检测和量化,人们在远场涡流(remotefieldeddycurrent,RFEC)检测技术方面也开展了一些研究。远场涡流是一种能穿透管壁的低频涡流,其检测探头主要由两个与管道同轴的螺线管线圈组成,其中一个为激励线圈,另一个是检测线圈。与常规涡流检测不同的是,RFEC的检测线圈不是紧靠着激励线圈,而是在距离激励线圈2~3倍管内径以外的“远场区”(如图2)。由于激励源频率一般较低,因此,RFEC在理论上不存在趋肤效应,且对管道内外表面裂纹缺陷具有相同的检测灵敏度,能有效克服常规涡流检测法的局限性。由于RFEC探头一般是内穿过式探头,因此比较适合对天然气管道表面裂纹的检测。为保证在每个激励周期内采集到信号,并尽可能地减少漏检,这在很大程度上限制了RFEC检测器的行进速度即检测速度。现有检测器的检测速度一般只有10~15m/min,检测效率还不能满足实际应用的要求。目前,美国多家研究机构,包括美国天然气技术研究所、西南研究所和Battelle公司等,都在积极致力于天然气管道裂纹RFEC检测器的研制。美国国家运输部和能源部都对该技术的研究给予了专项资助。4.轴向选择技术的发展漏磁检测是在油气管道检测中应用最早和最常用的方法,目前已有多种比较成熟的管道腐蚀缺陷漏磁检测器。但由于管道表面裂纹的形成机理复杂、形态各异,因此,对裂纹检测和量化的难度要比腐蚀缺陷大得多。依据漏磁检测的原理,只有当外加磁场方向最大限度地同被检缺陷正交时,才能激励出最大的漏磁场。因此,可以分别选择周向和轴向磁化方式检测轴向和周向的裂纹。其中,轴向磁化检测器对于周向裂纹及管壁腐蚀缺陷都能达到较好的检测效果,已能在一定准确度范围内实现对这些缺陷的量化。但对轴向裂纹和其他类裂纹缺陷的漏磁检测技术的研究还有待深入。20世纪70年代,美国Tuboscope公司率先开展了周向磁化检测器的研制,但由于受到敏感元件技术水平的限制,当时管道检测器的实际应用效果并不理想。1994年,国际管道协会开始深入研究轴向裂纹的周向磁化检测方法,分析不同检测条件对裂纹漏磁场的影响。而真正投入工程应用的周向漏磁检测器,直到上世纪90年代中期才由英国GE公司开发完成。该检测器先后被用于管内窄的轴向腐蚀缺陷、裂纹和焊缝的检测。后来,Battelle公司又对周向磁化方法及其影响因素进行了仿真研究和计算,对检测器的设计参数作了进一步优化。1998年,英国PII公司研制出新一代系列漏磁裂纹检测器,号称能满足∅200~∅1200mm天然气管道的检测,并已完成了上万公里天然气长输管道的检测任务,其对轴向焊缝开口宽度的检测精度达到了0.1mm。然而,包括管壁周向磁化难饱和、周向磁场强度不均匀以及应力、检测速度等因素对周向裂纹漏磁场的影响等,都增加了对裂纹检测、识别和准确量化的难度。二、裂纹无损检测人们在不断完善上述裂纹检测技术的同时,还在进一步探索新的裂纹无损检测方法,包括激光超声、磁致伸缩等非接触式检测技术等。近年来,伴随数字信号处理等技术的快速发展,天然气长输管道裂纹检测和精确量化技术研究也取得了较大进步。1.先进的天然气管道断裂检测技术(1)超声信号检测激光超声检测是近几年发展起来的一项检测新技术,它通过将强度被调制的脉冲激光束照射在被测件表面产生超声波,经改变实验参数,激光超声源能激发出纵波、横波、表面波等各种导波。由于超声信号既可由激光激励产生,又可利用光学方法检测,因此能实现完全非接触检测和快速扫描成像,更便于在高温、强震等恶劣条件下实现无损检测。此外,利用锁模激光器,很容易获得与激光脉冲宽度相近的超声脉冲,其频带远宽于常规换能器所产生的超声,因此,基于超声衍射方法形成的缺陷检测技术,对被测件表面及近表面的微小裂纹都很敏感,检测准确度也比其他无损检测方法高。(2)磁致伸缩传感器的应用磁致伸缩是铁磁性材料的固有特性,利用磁致伸缩效应及其逆效应,可分别在铁磁体内激发和接收超声导波。基于磁致伸缩效应的无损检测技术始于20世纪50年代末英国学者W.Kaule的研究。20世纪90年代美国学者H.Kwun等人应用磁致伸缩传感器,对钢丝绳和金属杆材、管材及板材上的裂纹、腐蚀等缺陷进行了检测和试验研究。大量的试验研究结果表明,即使检测探头与被检管道表面之间存在相对较大的气隙,磁致伸缩传感器也能够发射和检测导波,而且裂纹端部的磁致伸缩效应还特别强烈。正是因为具有良好的传播特性,并且对管道内外表面缺陷有相同的检测灵敏度,所以,近年来磁致伸缩方法在管道快速检测和裂纹识别方面的应用研究,受到国内外越来越多无损检测学者的关注。2.裂纹信号的定量解释对裂纹缺陷的精确量化是天然气管道检修和寿命评估的基础。由于上述无损检测方法大都存在缺陷检测信号弱、分辨率低以及信号识别和量化困难等问题,因此,在检测方法研究过程中,不少人的注意力更多集中在对裂纹检测信号的分析处理和量化解释上。目前对裂纹检测信号的定量解释方法,主要有时域波形分析法、频域分析法、小波分析法和神经网络法等。这些方法大多是针对特定工况下单个裂纹的评估,而较少考虑多个裂纹相互关联对检测信号的影响,对其他影响因素的补偿算法也研究不多。因此,实际检测数据与标准裂纹理论分析结果之间往往有较大偏差。尽管不断进步和完善的数学方法和计算工具为裂纹缺陷的大型仿真计算提供了必要的技术条件,但由于实际裂纹缺陷的几何形状千差万别,要建立一套较为合理、有效的裂纹信号定量解释方法还相当困难。因此,要实现对天然气长输管道裂纹缺陷的类型、尺寸、形状、位置和方向等的精确定量评价,还需进行大量的研究。三、油气长输管道裂纹检测技术研究现状管道无损检测技术一直是发达国家竞相研制的高新技术。经过几十年的研究,天然气长输管道无损检测技术不断进步、逐渐完善,国外已研制出多种管道腐蚀缺陷检测器。中国石油天然气管道局于2001年启动了国内大口径油气长输管道腐蚀缺陷检测系统研制项目,并通过与清华大学等多家单位联合攻关,已成功研制出我国第一套油气管道腐蚀缺陷高清晰度检测器,打破了国外对我国的技术封锁,实现了油气管道腐蚀检测技术的国产化,对我国油气长输管道的发展和参与该领域的国际竞争起到了重要的