油氣管道內檢技術及裝備開發范文

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摘要:油氣管道內檢測是保障油氣管道安全的最有效的技術措施之一，而近年來出現的高碳鋼、大管徑、高壓力、高流速油氣管道對內檢測技術與裝備提出了新的挑戰。為此，在調研電磁內檢測新技術、極低頻微弱瞬態信號檢測新技術以及油氣管道內檢測新裝備工程應用的基礎上，基于電磁信號的主動發射與接收實現金屬缺陷的檢測，研發出電磁控陣檢測器新技術與裝備；基于杜芬混沌振子對含噪信號進行檢測，實現對噪聲中的極低頻信號的檢測，研發出極低頻瞬態微弱信號檢測新方法與裝備，并開展了實際檢測工程驗證。研究結果表明：①研發的電磁控陣內檢測新技術，利用直流勵磁磁場和高頻激勵磁場協同作用的機理，僅用小信號激勵即可實現響應的攝動效果；②引入采集信息成分的壓縮采樣，可突破內檢測器的速度瓶頸，使電磁控陣檢測器的檢測速度達到創世界記錄的8m/s；③研發的基于混沌的極低頻微弱瞬態信號檢測新方法，可突破高速運動條件下內檢測器管外跟蹤定位過程中接收信號微弱且持續時間短暫的技術瓶頸，將微弱瞬態信號實時檢測的信噪比降低到－10dB以下。結論認為，該新裝備的優越性能已經在實際運行的油氣管道檢測工程中得到了檢驗，將為國內主干油氣管道的安全運行提供技術支撐和設備保障。

關鍵詞:油氣管道;內檢測;缺陷;漏磁;動磁;直流勵磁磁場;高頻激勵磁場;混沌;極低頻;信噪比

引言

油氣管道是國家能源的大命脈，為了保障石油天然氣的安全可靠供給，國家相繼投資建設了西氣東輸一線、二線、三線油氣長輸管線、中緬油氣長輸管線、中俄東線長輸天然氣管線、黃渤海深海油氣輸送管線等重要的油氣輸送基礎設施。其中西氣東輸二線、三線油氣長輸管線年輸送流量為300×108m3，采用X70鋼管，管徑為1219mm，壓力為12MPa，介質流速為7～8m/s。中俄東線長輸天然氣管線設計的年輸送流量為380×108m3，采用X80鋼管，管徑為1422mm，壓力為12MPa，介質流速為8～10m/s，工作環境溫度最低達－40℃。中俄東線長輸天然氣管線是到目前為止的超級油氣管線（超大口徑、超高強度、超高壓力、超高流速和超低溫度）。超級管道的特殊工況對管道的運行維護提出了全新挑戰。油氣管道的安全運行事關國家經濟安全、社會公共安全。油氣管道事故源隱蔽，事故后果難以預料，特別是低溫下高碳鋼脆性裂紋的潛在風險大于常規金屬損失的風險。降低或消除油氣管線風險或事故隱患最有效的技術措施是進行油氣管道內檢測。國際上油氣管道內檢測技術與裝備經過幾十年的發展，形成了漏磁、超聲、電磁超聲等典型的管道金屬損失或裂紋內檢測技術與裝備，以及速度控制裝置等配套的輔助裝置[1]。典型的漏磁內檢測器的檢測速度只能在5m/s以下[2-4]，超聲或電磁超聲內檢測器的檢測速度更低至2m/s。中國自主研發的油氣管道內檢測技術與裝備在最近十幾年取得了快速發展，與國外水平相當的管道漏磁內檢測器包括速度控制裝置已經服務于中國的油氣管道，電磁超聲或壓電超聲內檢測技術開發也有陸續報道。但國內外現有可用的油氣管道內檢測裝備在實際檢測工程中，多以犧牲業主的巨大經濟利益為代價，由于管道內檢測設備的低速性能，業主不得不對管網進行減壓、減量輸送，以滿足檢測器的要求。而國際上的油氣交易規則是“照付不議”，即減量甚至停輸油氣仍按正常輸送計價收費。由此造成的油氣輸送減量的損失是管道檢測費用的成百上千倍。在國內外均沒有高速高性能管道內檢測設備的環境下，檢測期間油氣輸送減量的經濟損失被認為是理所當然的。未來中俄超級長輸天然氣管道的內檢測，如果還停留在現有的技術水平，減壓、減量輸送的經濟損失將是超級空前的。實際上，中國已經建好的主干長輸油氣管線和將要投入運營的長輸油氣管線，均要求在油氣輸送常態工況下實現管道內檢測。這就要求油氣管道內檢測器能夠實現隨管道內介質流動檢測，即隨流檢測。在達到設計流量的輸送狀態下，我國主干長輸油氣管線或超級天然氣管線的介質流速超過7m/s，瞬態最高速度達12～13m/s。中國油氣管道急迫需求檢測速度超過8m/s的管道內檢測技術和重大裝備問世。在“十三五”開局之年，中華人民共和國科學技術部重點研發項目資助、中國石油管道公司與清華大學聯合開展上述相關前沿技術研究。筆者主要介紹了在高速隨流內檢測關鍵技術領域所開展的研究工作，包括電磁控陣內檢測新技術、極低頻微弱瞬態信號檢測新技術以及油氣管道內檢測新裝備的工程應用。

1電磁控陣內檢測新技術

“十三五”前高于5m/s檢測速度的管道內檢測器技術與裝備國內外均為空白狀態。電磁控陣內檢測器的總體構想是筆者在申報2016年度國家重點研發項目時提出來的，其初衷是尋求8m/s檢測速度下油氣管道金屬缺陷檢測的解決方案，其主旨思想是采用電磁信號的主動發射與接收實現金屬缺陷的檢測。圖1給出了金屬材料的動態演化B—H曲線（B表示磁感應強度，H表示磁場強度），由圖1可以看出，在直流勵磁磁場和高頻激勵磁場的協同作用下，激勵磁場具有攝動效應，工作點從Q(|B|,|H|)變到Q'(|B＋b|,|H＋h|)，即較小的磁感應強度變化（b）帶來較大的磁場強度（h）變化，同時動態磁導率（μbh）遠小于靜態磁導率（μBH）。為保證在8m/s移動速度下實現油氣管道金屬損失與裂紋的檢測，需要在200μs內完成周向探頭的信號發射與接收，并完成缺陷信號的采集與存儲。為此設計的電磁控陣探頭構架如圖2所示。其中的激勵線圈和接收線圈物理上覆蓋；發射和接收由主控模塊通過程序控制來實現；發射的信號為沖擊型磁激勵信號，并由MOS驅動電路進行功率放大；接收信號為管道被測區域的磁沖擊響應的差分信號[5]，該差分信號經過信號調理模塊放大后，進行模擬信息采樣[6]；模擬信息采樣的目的是降低頻率極高的磁沖擊響應的采樣速率，以滿足200μs內完成周向探頭的信號發射與接收、采樣、傳輸、存儲等一系列工作。信息采樣信號包含了被測缺陷的全部信息。該信號的由勵磁磁場和激勵磁場的動態演化而來，稱之為動磁響應信號。圖3和圖4分別給出了實測的金屬試件內表面缺陷和外表面缺陷的動磁響應信號波形圖。圖中標識“ID”為內表面，“OD”為外表面；標識“ID20-10-6”代表長度為20mm、寬度為10mm、深度為6mm的內表面缺陷。圖3實測的金屬試件3種長、寬、深尺寸的內表面缺陷的動磁響應信號波形圖圖5給出了一組檢測速度8.6m/s條件下，采用陣列探頭實測的管道缺陷動磁響應信號波形圖。由圖5可知，電磁控陣檢測新技術實現了8m/s速度下的管道缺陷檢測，是目前世界首創檢測速度最快的油氣管道內檢測技術。比較圖4和圖5可知，內表面和外表面缺陷的輸出信號相位極性相反。信號在橫軸的持續長度反映了缺陷的長度，信號幅值的大小反映了缺陷的深度。

2極低頻瞬態微弱信號檢測新技術

在高速油氣管道內檢測工程中，管道內檢測器的管外跟蹤和定位是一項重要的配套工程。跟蹤是指在固定的觀測點檢查內檢測器是否通過該點，定位是指當內檢測器在運行過程中發生卡堵意外情況時，找到卡堵的準確位置。實現上述跟蹤定位的實用解決方案是極低頻磁信號發射與接收方案[7-10]。其中極低頻磁信號發射機搭載在管道內檢測器上，極低頻磁信號接收機在管道外部一定距離的地面或水中。圖6給出了一種深海油氣管道內檢測器管外跟蹤定位的整體方案框架，其核心難點在于極低頻磁信號的接收。極低頻磁信號發射機既要滿足常態工況下的跟蹤需求，又要滿足異常情況下的定位需求。這就決定了發射機要有足夠長的壽命和適當的發射功率，如400h/0.5W。又由于發射機隨內檢測器高速運動，這就決定了管外接收機處的極低頻磁信號是微弱瞬態信號[11]。圖7給出了穿越管道磁場垂直分量強度與發射源中心距的關系曲線。由圖7可知，23Hz的極低頻磁信號，經過20mm厚的管道衰減了2個量級，到達中心線6m處衰減了4個量級。與背景地磁場相比，距離管道中心線6m處的信號大約比地磁場信號低4到5個量級。圖8給出了距離中心距6m處實測的接收線圈上的感應信號（圖8-a為噪聲，圖8-b為信號＋噪聲），直觀上已經不能看出極低頻信號的存在了。為實現噪聲中的極低頻信號檢測，采用杜芬混沌振子[12-13]對含噪的信號進行檢測，特征頻率選為23Hz，混沌振子的輸出結果如圖9所示（圖9-a是含噪信號，圖9-b是混沌振子輸出信號），其中在2.5～8.0s輸出的是標準23Hz信號，由此判斷被測采樣數據中含有23Hz信號。經過仿真可知，混沌振子檢測器可以可靠的檢測出信噪比低至－10dB的含噪信號，信號最短持續周期為6個周期。

3油氣管道內檢測新裝備的工程應用

自主研制了168～1422mm系列化油氣管道內檢測裝備，包括油氣管道變形檢測器、油氣管道漏磁/動磁內檢測器、油氣管道內檢測器跟蹤定位用極低頻發射機和接收機等3種典型設備。3種典型設備的技術指標如表1～3所示。使用研發的油氣管道變形檢測器、油氣管道漏磁/動磁內檢測器、極低頻發射機和接收機對實際工業油氣管道進行了檢測和跟蹤。圖10給出了一個天然氣管道驗收工程中的變形檢測結果。變形檢測器在空壓機的壓力驅動下移動，瞬時速度達到53m/s，仍可靠的獲得了如圖虛線所指示的管道變形信號。圖11給出了在8m/s牽拉速度下，漏磁/動磁內檢測器采集到的典型管道缺陷的高清漏磁信號。圖12為管道內檢測器極低頻跟蹤工程中實測接收機天線信號及檢測判決信號。

4結束語

油氣管道內檢測是保證油氣輸送安全的技術保證。隨著國家經濟社會的發展石油天然氣輸送進入了大管徑、高壓、大流量、高速度的新時代，管道內檢面臨高速隨流檢測的新挑戰。為解決這一世界性難題，清華大學在國家科技部重點研發項目的資助下，開展了一系列管道高速內檢測技術與裝備研發，并開展了實際檢測工程驗證。筆者提出了電磁控陣內檢測技術，利用直流和高頻磁場對被測金屬缺陷的協同作用機理并引入壓縮采樣技術，實現了8m/s條件下的管道金屬損失缺陷的檢測，研發成功世界上檢測速度最高的漏磁/動磁內檢測器。為實現高速條件下的管道內檢測器的管外跟蹤定位，提出了基于混沌的瞬態微弱極低頻信號檢測方法，可檢測的信噪比低至－10dB。高速管道內檢測器技術與設備和配套的高速跟蹤定位技術與裝備為中國主干油氣管道的安全運行提供堅強的技術支撐和設備保障。

參考文獻

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作者：胡鐵華 郭靜波 單位：清華大學電機工程與應用電子技術系