天然气管道在线无损检测技术综述

天然气管道在线无损检测技术综述

随着中国能源结构的调整和人民环境意识的提高，近年来，天然气需求增长率对能源消费的参与比例显著超过了原油。2006年到2010年,我国已建成天然气管道大约1.6×104km,2010年,我国天然气管道总长达到4.5×104km。初步预计,2015年中国天然气管道长度将接近105km。到2020年,将形成全国天然气基干管道网络,天然气的消费比重将从目前的3%提高到10%左右。因此,在役天然气管道的安全运行问题受到广泛关注,国内外采用多种方法对天然气管道进行维护、检测和监视。中华人民共和国国家经济贸易委员会第17号令《石油天然气管道安全监督与管理暂行规定》规定:新建管道必须在一年内检测,以后视管道安全状况每一至三年检测一次。其中,天然气管道在线无损检测技术是应用最广泛也是最有效的方法,它可以准确地把握管道状况,及时发现一些严重缺陷以避免事故发生,大大延长了管道使用寿命。此外,通过对管道的定期在线无损检测可以大大减少管道维护成本。1原油管道的使用和缺陷1.1压力和速度研究钢是天然气管道的主要材料。天然气输送钢管是板(带)经过深加工而形成的较特殊的冶金产品。一般来说,X80钢为铁素体和贝氏体双相组织,X100管道钢为贝氏体组织,X120管道钢为超低碳贝氏体和马氏体。对于天然气管道的管材来说,强度、韧性和可焊性是三项最基本的质量控制指标。在过去50多年里,世界油气管道建设用钢经历了快速的发展。20世纪60年代,一般采用X52钢,70年代采用X60、X65钢,80~90年代以X70钢为主。近年来外国一些国家输气管道开始采用X80钢。随着管道钢研究的不断发展,加拿大等国已铺设了X100和X120管道钢的试验路段。我国在冀宁联络线管道工程中,首次把X80级管道钢用于7.71km的试验段,而长达4843km的西气东输二线干线管道全部采用了直径为1219mm的X80级管道钢,将输气压力提高到12MPa。1.2管道钢腐蚀国际管道研究委员会(PRCI)对输气管道事故数据进行了分析,找出了22个根本原因,并进一步划分为三种类型:与时间有关的危险、与时间无关的危险和稳定因素。与时间有关的危险主要为腐蚀(内、外腐蚀和应力腐蚀(SCC)),由于天然气在输送过程中含有H2S气体,当管道材料暴露在湿润的H2S气体中,会造成管道钢腐蚀并导致泄漏和断裂,这些危险随着时间变化而增大;与时间无关的危险主要为第三方破坏、误操作和天气及外力因素;稳定因素主要为制管缺陷(管体缺陷和管体焊缝缺陷)、焊接缺陷(环焊缝缺陷、折皱弯头和螺纹磨损)和设备因素(垫片损坏、设备故障和密封失效),这些缺陷主要发生在管道制造或安装过程中。BS7910—1999《金属结构中缺陷验收评定方法导则》将管道缺陷分为平面、非平面和不规则形状,如图1所示。对腐蚀管道而言,可以简单分为裂纹缺陷(以强度损失为特征),如裂纹、疲劳裂纹、蠕变等;腐蚀缺陷(以质量损失为特征),如均匀腐蚀、局部腐蚀、槽沟腐蚀等。裂纹缺陷对应于平面腐蚀,腐蚀缺陷对应于体积腐蚀。2天然气管道在线修复技术的发展2.1检测技术分类对在用埋地管道进行检测的主要目的是评价管道本体的结构完整性,检测内容包括位置走向勘测、腐蚀评价、泄漏检测和缺陷检测技术等四大方面。根据其特点,检测技术又可分为内检测和外检测两大类。内检测技术主要采用管道机器人搭载检测装置进行检测。根据是否需要与管体直接接触,外检测技术又分为开挖检测和不开挖检测两种技术。2.2天然气在线无损检测技术管道在线检测装置发展至今已经历三代:第一代为普通型检测器;第二代为高精度型检测器;第三代为超高精度型检测器。自1965年来,美国Tuboscope公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行管道内检测。1973年,英国天然气公司采用漏磁检测技术对其所管辖的一条直径为600mm的天然气管道进行了管壁腐蚀减薄在役检测,首次引用了定量分析,并对其材料特性及失效机理进行了分析。国外如GE和Rosen等公司均已开发出多种天然气管道在线无损检测装置并投入使用。下面简述美国GE公司天然气管道在线检测技术发展历史及颇具代表性的天然气管道检测装置(如图2所示)。·1975年基于漏磁检测技术的MagneScan。·1993年弹性波裂纹检测器ElasticWave,可以检测长度大于75mm,深度大于0.2~0.25WT(WT为管壁厚度)的缺陷,轴向检测精度可以达到±2mm。·1999年环向漏磁检测器TranScan,用于轴向狭长腐蚀和严重的直焊缝裂纹缺陷。·2002年高分辨率EMAT裂纹检测器EmatScan,可检测壁厚10~16mm的管道,可以检测长度大于30mm,深度大于1mm的管道缺陷。其轴向长度的检测精度可达到10mm,轴向和周向的检测分辨率可分别达到20,40mm。·2006年新一代基于三轴高清漏磁检测技术的MagneScan,对缺陷深度、长度和宽度测量精度可以达到±10%WT、±10和±15mm。与国外发达国家相比,我国天然气管道在线无损检测技术起步较晚,而且自主研发产品较少。以下简述我国近几年天然气管道在线无损检测技术发展情况。·1992年四川石油管理局与PIPETRONIX公司共同对两佛线天然气管线进行管道智能内检测,这是国内首次开展的管道智能内检测。·1993年中国石油管道技术公司引进国外的智能猪进行管道内检测。·1998年中国石油天然气管道局管道技术公司联合中科院、天津大学和清华大学成立了专业研究队伍,研制了ue788377mm漏磁缺陷检测装置。并在同年成功研制了漏磁腐蚀检测数据分析系统。·2002年中国石油管道局自行研制了ue788660mm高清晰度漏磁检测器,首次对陕京线输气管道进行检测,这是国产内腐蚀检测设备首次应用于天然气管线。·2007年中国管道局管道检测技术公司研究出ue788610mm,ue788813mm高清晰度管道漏磁检测器。·2009年中油管道检测技术公司研制出输油气管道电磁超声裂纹检测设备,可以有效检测应力腐蚀裂纹。2.3检测技术的整体问题(1)管道检测技术的可靠性、精度和灵敏度问题。(2)对于多种缺陷的识别能力问题。(3)管道检测技术的整体检测效率问题。(4)对于不同类型管道和外界因素的适用性问题。(5)数据的采集、保存及后期处理能力问题。3天然气管道在线修复技术3.1管道无损检测检测仪器漏磁检测技术是使用永磁铁产生强磁场并通过导磁介质使铁磁性管道的管壁磁化到饱和程度,在管壁圆周产生一个磁回路场,当管壁上存在异常时,部分磁力线将穿出管壁产生漏磁,通过磁敏探头检测漏磁场就可以发现管道缺陷。MFL检测数据可靠、精确,是目前国内外公认的最完善的管道检测手段并被广泛地使用。但相比其它检测方法,MFL会造成被检测管道永久磁化,此外,轴向漏磁检测器无法检测轴向缺陷,周向漏磁检测器无法检测周向缺陷。下面介绍几款主要的MFL检测装置。·Rosen公司RoCorr·CMFL周向漏磁检测装置,可以精确的检测出长裂缝和狭长轴向缺陷,可以检测4~25mm壁厚的管道,对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到±0.1WT,±15,±15mm(WT为管壁厚度)。·Rosen公司RoCorr·MFL可以有效地检测腐蚀、侵蚀、划伤和其它金属损失缺陷,在80%置信度下,RoCorr·MFL对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到±0.1WT,±15,±20mm。·Rosen公司RoCorr·MFL/SIC采用MFL与涡流检测技术结合,对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到±0.5WT,±5,±6mm。·GE公司MagneScan三轴漏磁检测传感器,探测出均匀缺陷和狭长轴向缺陷,对缺陷深度、长度和宽度测量精度可以达到±10%WT,±10,±15mm。·中国管道局管道检测技术公司ue7881016mm高清晰度管道无损检测仪器能针对951种不同深度、不同大小、不同界面的模拟缺陷进行检测,最小探测缺陷深度不超过壁厚的5%至10%。·Intratech公司CFT-ACD采用高精度的环向和轴向漏磁检测,可以检测机械损伤、金属损失和裂纹等缺陷。轴向拥有144~192个传感器,环向拥有288~360个传感器。·P.Houldey等人研发的管道检测系统该系统由传感器模块、机身和支撑轮组成。磁场由机身上的磁铁产生,磁铁通过钢与管道相连组成一个完整的磁路。Intratech公司制作的CF1-ACD漏磁检测装置,如图3所示。3.2rfec检测远场涡流是发生在铁磁性管道中的独特现象,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。检测线圈通常在距激励线圈大约管道内径2倍及以上的远场区。远场涡流检测技术克服了常规涡流检测技术的趋肤效应,与其它检测技术相比,RFEC可以检测管壁外表面缺陷,且很少受提离和偏心等外界影响。但RFEC检测信号微弱,检测速度慢,整体检测效率很低。因此,RFEC发展缓慢,目前国外有部分公司制造出成品并投入使用。主要的RFEC检测装置有:Russell公司SeeSnake对于缺陷深度检测精度可达到5%(如图4)。VV·D.J.Brown等人研发的RFT管道检测系统包括一个牵引单元,一个RFT发射单元,一个马达单元和一个RFT接受单元,励磁线圈在管道中产生磁场,接受线圈检测磁场。VV·G.L.Burkhardt等人研发的管道检测机器人的检测系统由传感器模块、辅助模块和励磁机模块组成,通过励磁装置来制造交变磁场来产生远场涡流。3.3电磁超声检测技术天然气管道在制造和焊接过程中,会产生裂纹缺陷。在实际运行过程中也会因腐蚀、应力和断裂等因素引发裂纹,而电磁超声检测技术对于裂纹缺陷有很好的检测效果。该技术激励超声的原理基于电动力学法,也称之为“涡流-声”法。其工作原理如图5所示,将激励线圈置于导电金属表面上,线圈产生的交变磁场作用于金属并在金属表面层内感应出涡流,涡流与施加在试件上的另一外加恒定磁场相互作用,从而激发出与涡流频率相同的超声波。接受超声波是上述过程的逆过程。其设备主要由电磁超声换能器、激励装置和接受装置组成。电磁超声检测技术的核心是电磁超声换能技术,对于管道这种铁磁性材料存在洛仑兹力、磁性力以及磁致伸缩力三种换能机制。根据换能器线圈的形状和布置,EMAT可以根据实际需要灵活地产生各类波形,如水平剪切波(SH波)、表面波(RH波)和IMB波(TS波)。近几年来,电磁超声检测技术发展迅速,是目前天然气管道在线无损检测技术研究的热点。EMAT检测速度快,在管道中激发的超声波,短时间内,即可绕工件传播几周甚至十几周,从而降低整体检测时间。EMAT在进行钢管纵向缺陷检测时,探头与工件都不用旋转,整体机械结构简单。此外,EMAT对表面缺陷检测灵敏度较高,对一些不易检出的缺陷都能准确发现。但EMAT的转换效率较低,信噪比较低,电磁超声辐射模式较宽,能量不集中,且受提离影响较大。此外,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。现有的几款主要的EMAT检测装置有:清华大学天然气管道裂纹电磁超声检测器,可以有效检测应力腐蚀裂纹和表面裂纹,可发现长度大于20mm,深度大于1mm的裂纹,且对裂纹簇有一定的分辨能力。VV·GE公司EmatScan,可以检测10~16mm壁厚,长度大于30mm,深度大于1mm的管道缺陷。其轴其长度的检测精度可达到±10mm,轴向和周向的检测分辨率可分别达到20,40mm。VV·Rosen公司RoCD2,可以精确检测SCC(应力腐蚀裂纹)、疲劳裂纹、涂层剥落等缺陷。RoCD2检测壁厚可达到20mm,可检测长度大于20mm,深度大于1mm的管道缺陷,对于SCC等缺陷空间分辨率可达到35mm,对于涂层剥落空间分辨率可达到35mm。VV·美国橡树岭国家实验研发的PIG,可以有效检测应力腐蚀裂纹,如图6所示。3.4mmmt检测灵敏度和应用面机械应力集中是天然气管道破环的一个主要原因,磁记忆检测方法可以检测管道内外表面和内部的应力分布,已达到早期诊断的结果。磁记忆检测的原理是铁磁材料受工作载荷和地球磁场的共同作用,在应力集中区域内会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,而且这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留,还与最大作用应力有关系,实际上是磁弹性和磁机械效应共同作用的结果。对于天然气管道来说,MMMT是沿着管道表面探测散射磁场的法向分量,通过对金属残余磁特性分析,找出管道工作应力和残余应力作用下的应力集中区域。MMMT无需采取主动励磁装置,而是利用管道工作过程中自磁化现象。能以高准确度确定检测对象上以应力和变形集中区为标志的最高危险区域的检测方法。此外,MMMT利用典型金属样品确定实际使用寿命,可以较为早期地评价管道的安全性。但MMMT检测灵敏度受地理位置和环境因素影响较大。目前,已有部分机构将MMMT产品化,如中国石油大学研制的610mm管道内检测装置,可有效地检测出螺旋焊缝、管道连接部位以及圆孔、沟槽等不同深度、不同大小的人工模拟管道缺陷。3.5光学法检测技术激光超声检测技术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,经过改变实验参数,激光超声源能激发出纵波、横波、表面波等各种导波。激光超声检测主要有光学法检测和传感器检测两种。由于传感器检测要求传感器与工件表面紧密接触,并需要耦合剂,所以应用较少。光学法具有非接触、灵敏度高、远距离遥测等优点。光学法检测技术分为非干涉检测技术和干涉检测技术两种。非干涉检测技术包括刀刃检测技术、表面栅格衍射技术和反射率检测技术等;干涉检测技术包括自差干涉检测技术、外差干涉检测技术和共焦F—P干涉检测技术等。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,因此激光超声检测技术能实现完全非接触检测和快速扫描成像。激光束的优秀品质使得被测超声波场受到的干扰很小,具有极强的抗干扰能力。此外,激光超声在时间和空间上都具有极高的分辨率,能够探测微小缺陷,检测准确度也比其他无损检测方法高。目前,LUT主要应用于飞机表面缺陷或涂层,薄膜和复合材料检测,在天然气管道检测方面处于实验室研究阶段。4总结和评论4.1无损检测技术各种检测技术综合对比见表1。目前,各种天然气管道在线无损检测技术中只有漏磁检测技术得到了广泛的应用,其它检测技术仍然处于发展阶段。对于管道腐蚀缺陷,无损检测技术较为成熟,但对于天然气管道裂纹缺陷的检测能力有待提高。国内已有多家公司和机构开始了对天然气管道裂纹缺陷的研究,但离实际应用尚有