天然氣管道在線無損檢測技術綜述

天然氣管道在線無損檢測技術綜述

隨著中國能源結構的調整和人民環(huán)境意識的提高，近年來，天然氣需求增長率對能源消費的參與比例顯著超過了原油。2006年到2010年,我國已建成天然氣管道大約1.6×104km,2010年,我國天然氣管道總長達到4.5×104km。初步預計,2015年中國天然氣管道長度將接近105km。到2020年,將形成全國天然氣基干管道網絡,天然氣的消費比重將從目前的3%提高到10%左右。因此,在役天然氣管道的安全運行問題受到廣泛關注,國內外采用多種方法對天然氣管道進行維護、檢測和監(jiān)視。中華人民共和國國家經濟貿易委員會第17號令《石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定》規(guī)定:新建管道必須在一年內檢測,以后視管道安全狀況每一至三年檢測一次。其中,天然氣管道在線無損檢測技術是應用最廣泛也是最有效的方法,它可以準確地把握管道狀況,及時發(fā)現一些嚴重缺陷以避免事故發(fā)生,大大延長了管道使用壽命。此外,通過對管道的定期在線無損檢測可以大大減少管道維護成本。1原油管道的使用和缺陷1.1壓力和速度研究鋼是天然氣管道的主要材料。天然氣輸送鋼管是板(帶)經過深加工而形成的較特殊的冶金產品。一般來說,X80鋼為鐵素體和貝氏體雙相組織,X100管道鋼為貝氏體組織,X120管道鋼為超低碳貝氏體和馬氏體。對于天然氣管道的管材來說,強度、韌性和可焊性是三項最基本的質量控制指標。在過去50多年里,世界油氣管道建設用鋼經歷了快速的發(fā)展。20世紀60年代,一般采用X52鋼,70年代采用X60、X65鋼,80~90年代以X70鋼為主。近年來外國一些國家輸氣管道開始采用X80鋼。隨著管道鋼研究的不斷發(fā)展,加拿大等國已鋪設了X100和X120管道鋼的試驗路段。我國在冀寧聯絡線管道工程中,首次把X80級管道鋼用于7.71km的試驗段,而長達4843km的西氣東輸二線干線管道全部采用了直徑為1219mm的X80級管道鋼,將輸氣壓力提高到12MPa。1.2管道鋼腐蝕國際管道研究委員會(PRCI)對輸氣管道事故數據進行了分析,找出了22個根本原因,并進一步劃分為三種類型:與時間有關的危險、與時間無關的危險和穩(wěn)定因素。與時間有關的危險主要為腐蝕(內、外腐蝕和應力腐蝕(SCC)),由于天然氣在輸送過程中含有H2S氣體,當管道材料暴露在濕潤的H2S氣體中,會造成管道鋼腐蝕并導致泄漏和斷裂,這些危險隨著時間變化而增大;與時間無關的危險主要為第三方破壞、誤操作和天氣及外力因素;穩(wěn)定因素主要為制管缺陷(管體缺陷和管體焊縫缺陷)、焊接缺陷(環(huán)焊縫缺陷、折皺彎頭和螺紋磨損)和設備因素(墊片損壞、設備故障和密封失效),這些缺陷主要發(fā)生在管道制造或安裝過程中。BS7910—1999《金屬結構中缺陷驗收評定方法導則》將管道缺陷分為平面、非平面和不規(guī)則形狀,如圖1所示。對腐蝕管道而言,可以簡單分為裂紋缺陷(以強度損失為特征),如裂紋、疲勞裂紋、蠕變等;腐蝕缺陷(以質量損失為特征),如均勻腐蝕、局部腐蝕、槽溝腐蝕等。裂紋缺陷對應于平面腐蝕,腐蝕缺陷對應于體積腐蝕。2天然氣管道在線修復技術的發(fā)展2.1檢測技術分類對在用埋地管道進行檢測的主要目的是評價管道本體的結構完整性,檢測內容包括位置走向勘測、腐蝕評價、泄漏檢測和缺陷檢測技術等四大方面。根據其特點,檢測技術又可分為內檢測和外檢測兩大類。內檢測技術主要采用管道機器人搭載檢測裝置進行檢測。根據是否需要與管體直接接觸,外檢測技術又分為開挖檢測和不開挖檢測兩種技術。2.2天然氣在線無損檢測技術管道在線檢測裝置發(fā)展至今已經歷三代:第一代為普通型檢測器;第二代為高精度型檢測器;第三代為超高精度型檢測器。自1965年來,美國Tuboscope公司采用漏磁檢測裝置Linalog首次進行管道內檢測。1973年,英國天然氣公司采用漏磁檢測技術對其所管轄的一條直徑為600mm的天然氣管道進行了管壁腐蝕減薄在役檢測,首次引用了定量分析,并對其材料特性及失效機理進行了分析。國外如GE和Rosen等公司均已開發(fā)出多種天然氣管道在線無損檢測裝置并投入使用。下面簡述美國GE公司天然氣管道在線檢測技術發(fā)展歷史及頗具代表性的天然氣管道檢測裝置(如圖2所示)?！?975年基于漏磁檢測技術的MagneScan?！?993年彈性波裂紋檢測器ElasticWave,可以檢測長度大于75mm,深度大于0.2~0.25WT(WT為管壁厚度)的缺陷,軸向檢測精度可以達到±2mm。·1999年環(huán)向漏磁檢測器TranScan,用于軸向狹長腐蝕和嚴重的直焊縫裂紋缺陷?！?002年高分辨率EMAT裂紋檢測器EmatScan,可檢測壁厚10~16mm的管道,可以檢測長度大于30mm,深度大于1mm的管道缺陷。其軸向長度的檢測精度可達到10mm,軸向和周向的檢測分辨率可分別達到20,40mm。·2006年新一代基于三軸高清漏磁檢測技術的MagneScan,對缺陷深度、長度和寬度測量精度可以達到±10%WT、±10和±15mm。與國外發(fā)達國家相比,我國天然氣管道在線無損檢測技術起步較晚,而且自主研發(fā)產品較少。以下簡述我國近幾年天然氣管道在線無損檢測技術發(fā)展情況?！?992年四川石油管理局與PIPETRONIX公司共同對兩佛線天然氣管線進行管道智能內檢測,這是國內首次開展的管道智能內檢測。·1993年中國石油管道技術公司引進國外的智能豬進行管道內檢測?！?998年中國石油天然氣管道局管道技術公司聯合中科院、天津大學和清華大學成立了專業(yè)研究隊伍,研制了ue788377mm漏磁缺陷檢測裝置。并在同年成功研制了漏磁腐蝕檢測數據分析系統(tǒng)。·2002年中國石油管道局自行研制了ue788660mm高清晰度漏磁檢測器,首次對陜京線輸氣管道進行檢測,這是國產內腐蝕檢測設備首次應用于天然氣管線。·2007年中國管道局管道檢測技術公司研究出ue788610mm,ue788813mm高清晰度管道漏磁檢測器?！?009年中油管道檢測技術公司研制出輸油氣管道電磁超聲裂紋檢測設備,可以有效檢測應力腐蝕裂紋。2.3檢測技術的整體問題(1)管道檢測技術的可靠性、精度和靈敏度問題。(2)對于多種缺陷的識別能力問題。(3)管道檢測技術的整體檢測效率問題。(4)對于不同類型管道和外界因素的適用性問題。(5)數據的采集、保存及后期處理能力問題。3天然氣管道在線修復技術3.1管道無損檢測檢測儀器漏磁檢測技術是使用永磁鐵產生強磁場并通過導磁介質使鐵磁性管道的管壁磁化到飽和程度,在管壁圓周產生一個磁回路場,當管壁上存在異常時,部分磁力線將穿出管壁產生漏磁,通過磁敏探頭檢測漏磁場就可以發(fā)現管道缺陷。MFL檢測數據可靠、精確,是目前國內外公認的最完善的管道檢測手段并被廣泛地使用。但相比其它檢測方法,MFL會造成被檢測管道永久磁化,此外,軸向漏磁檢測器無法檢測軸向缺陷,周向漏磁檢測器無法檢測周向缺陷。下面介紹幾款主要的MFL檢測裝置?！osen公司RoCorr·CMFL周向漏磁檢測裝置,可以精確的檢測出長裂縫和狹長軸向缺陷,可以檢測4~25mm壁厚的管道,對缺陷深度、長度和寬度的精度可達到±0.1WT,±15,±15mm(WT為管壁厚度)?！osen公司RoCorr·MFL可以有效地檢測腐蝕、侵蝕、劃傷和其它金屬損失缺陷,在80%置信度下,RoCorr·MFL對缺陷深度、長度和寬度的精度可達到±0.1WT,±15,±20mm?！osen公司RoCorr·MFL/SIC采用MFL與渦流檢測技術結合,對缺陷深度、長度和寬度的精度可達到±0.5WT,±5,±6mm。·GE公司MagneScan三軸漏磁檢測傳感器,探測出均勻缺陷和狹長軸向缺陷,對缺陷深度、長度和寬度測量精度可以達到±10%WT,±10,±15mm?！ぶ袊艿谰止艿罊z測技術公司ue7881016mm高清晰度管道無損檢測儀器能針對951種不同深度、不同大小、不同界面的模擬缺陷進行檢測,最小探測缺陷深度不超過壁厚的5%至10%?！ntratech公司CFT-ACD采用高精度的環(huán)向和軸向漏磁檢測,可以檢測機械損傷、金屬損失和裂紋等缺陷。軸向擁有144~192個傳感器,環(huán)向擁有288~360個傳感器。·P.Houldey等人研發(fā)的管道檢測系統(tǒng)該系統(tǒng)由傳感器模塊、機身和支撐輪組成。磁場由機身上的磁鐵產生,磁鐵通過鋼與管道相連組成一個完整的磁路。Intratech公司制作的CF1-ACD漏磁檢測裝置,如圖3所示。3.2rfec檢測遠場渦流是發(fā)生在鐵磁性管道中的獨特現象,是一種能穿透管壁的低頻渦流,其檢測探頭主要由兩個與管道同軸的螺線管線圈組成,其中一個為激勵線圈,另一個是檢測線圈。檢測線圈通常在距激勵線圈大約管道內徑2倍及以上的遠場區(qū)。遠場渦流檢測技術克服了常規(guī)渦流檢測技術的趨膚效應,與其它檢測技術相比,RFEC可以檢測管壁外表面缺陷,且很少受提離和偏心等外界影響。但RFEC檢測信號微弱,檢測速度慢,整體檢測效率很低。因此,RFEC發(fā)展緩慢,目前國外有部分公司制造出成品并投入使用。主要的RFEC檢測裝置有:Russell公司SeeSnake對于缺陷深度檢測精度可達到5%(如圖4)。VV·D.J.Brown等人研發(fā)的RFT管道檢測系統(tǒng)包括一個牽引單元,一個RFT發(fā)射單元,一個馬達單元和一個RFT接受單元,勵磁線圈在管道中產生磁場,接受線圈檢測磁場。VV·G.L.Burkhardt等人研發(fā)的管道檢測機器人的檢測系統(tǒng)由傳感器模塊、輔助模塊和勵磁機模塊組成,通過勵磁裝置來制造交變磁場來產生遠場渦流。3.3電磁超聲檢測技術天然氣管道在制造和焊接過程中,會產生裂紋缺陷。在實際運行過程中也會因腐蝕、應力和斷裂等因素引發(fā)裂紋,而電磁超聲檢測技術對于裂紋缺陷有很好的檢測效果。該技術激勵超聲的原理基于電動力學法,也稱之為“渦流-聲”法。其工作原理如圖5所示,將激勵線圈置于導電金屬表面上,線圈產生的交變磁場作用于金屬并在金屬表面層內感應出渦流,渦流與施加在試件上的另一外加恒定磁場相互作用,從而激發(fā)出與渦流頻率相同的超聲波。接受超聲波是上述過程的逆過程。其設備主要由電磁超聲換能器、激勵裝置和接受裝置組成。電磁超聲檢測技術的核心是電磁超聲換能技術,對于管道這種鐵磁性材料存在洛侖茲力、磁性力以及磁致伸縮力三種換能機制。根據換能器線圈的形狀和布置,EMAT可以根據實際需要靈活地產生各類波形,如水平剪切波(SH波)、表面波(RH波)和IMB波(TS波)。近幾年來,電磁超聲檢測技術發(fā)展迅速,是目前天然氣管道在線無損檢測技術研究的熱點。EMAT檢測速度快,在管道中激發(fā)的超聲波,短時間內,即可繞工件傳播幾周甚至十幾周,從而降低整體檢測時間。EMAT在進行鋼管縱向缺陷檢測時,探頭與工件都不用旋轉,整體機械結構簡單。此外,EMAT對表面缺陷檢測靈敏度較高,對一些不易檢出的缺陷都能準確發(fā)現。但EMAT的轉換效率較低,信噪比較低,電磁超聲輻射模式較寬,能量不集中,且受提離影響較大。此外,建立和求解電磁場模型的復雜性,制約了電磁超聲定量無損檢測技術的發(fā)展?，F有的幾款主要的EMAT檢測裝置有:清華大學天然氣管道裂紋電磁超聲檢測器,可以有效檢測應力腐蝕裂紋和表面裂紋,可發(fā)現長度大于20mm,深度大于1mm的裂紋,且對裂紋簇有一定的分辨能力。VV·GE公司EmatScan,可以檢測10~16mm壁厚,長度大于30mm,深度大于1mm的管道缺陷。其軸其長度的檢測精度可達到±10mm,軸向和周向的檢測分辨率可分別達到20,40mm。VV·Rosen公司RoCD2,可以精確檢測SCC(應力腐蝕裂紋)、疲勞裂紋、涂層剝落等缺陷。RoCD2檢測壁厚可達到20mm,可檢測長度大于20mm,深度大于1mm的管道缺陷,對于SCC等缺陷空間分辨率可達到35mm,對于涂層剝落空間分辨率可達到35mm。VV·美國橡樹嶺國家實驗研發(fā)的PIG,可以有效檢測應力腐蝕裂紋,如圖6所示。3.4mmmt檢測靈敏度和應用面機械應力集中是天然氣管道破環(huán)的一個主要原因,磁記憶檢測方法可以檢測管道內外表面和內部的應力分布,已達到早期診斷的結果。磁記憶檢測的原理是鐵磁材料受工作載荷和地球磁場的共同作用,在應力集中區(qū)域內會發(fā)生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向,而且這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留,還與最大作用應力有關系,實際上是磁彈性和磁機械效應共同作用的結果。對于天然氣管道來說,MMMT是沿著管道表面探測散射磁場的法向分量,通過對金屬殘余磁特性分析,找出管道工作應力和殘余應力作用下的應力集中區(qū)域。MMMT無需采取主動勵磁裝置,而是利用管道工作過程中自磁化現象。能以高準確度確定檢測對象上以應力和變形集中區(qū)為標志的最高危險區(qū)域的檢測方法。此外,MMMT利用典型金屬樣品確定實際使用壽命,可以較為早期地評價管道的安全性。但MMMT檢測靈敏度受地理位置和環(huán)境因素影響較大。目前,已有部分機構將MMMT產品化,如中國石油大學研制的610mm管道內檢測裝置,可有效地檢測出螺旋焊縫、管道連接部位以及圓孔、溝槽等不同深度、不同大小的人工模擬管道缺陷。3.5光學法檢測技術激光超聲檢測技術通過將強度被調制的脈沖激光束照射在被測件表面產生超聲波,經過改變實驗參數,激光超聲源能激發(fā)出縱波、橫波、表面波等各種導波。激光超聲檢測主要有光學法檢測和傳感器檢測兩種。由于傳感器檢測要求傳感器與工件表面緊密接觸,并需要耦合劑,所以應用較少。光學法具有非接觸、靈敏度高、遠距離遙測等優(yōu)點。光學法檢測技術分為非干涉檢測技術和干涉檢測技術兩種。非干涉檢測技術包括刀刃檢測技術、表面柵格衍射技術和反射率檢測技術等;干涉檢測技術包括自差干涉檢測技術、外差干涉檢測技術和共焦F—P干涉檢測技術等。由于超聲信號既可由激光激勵產生,又可利用光學方法檢測,因此激光超聲檢測技術能實現完全非接觸檢測和快速掃描成像。激光束的優(yōu)秀品質使得被測超聲波場受到的干擾很小,具有極強的抗干擾能力。此外,激光超聲在時間和空間上都具有極高的分辨率,能夠探測微小缺陷,檢測準確度也比其他無損檢測方法高。目前,LUT主要應用于飛機表面缺陷或涂層,薄膜和復合材料檢測,在天然氣管道檢測方面處于實驗室研究階段。4總結和評論4.1無損檢測技術各種檢測技術綜合對比見表1。目前,各種天然氣管道在線無損檢測技術中只有漏磁檢測技術得到了廣泛的應用,其它檢測技術仍然處于發(fā)展階段。對于管道腐蝕缺陷,無損檢測技術較為成熟,但對于天然氣管道裂紋缺陷的檢測能力有待提高。國內已有多家公司和機構開始了對天然氣管道裂紋缺陷的研究,但離實際應用尚有