在線檢測技術(shù)在燃?xì)夤艿劳暾詸z測的應(yīng)用

摘 要

摘要：綜合多種在線檢測技術(shù)對西寧市天然氣管網(wǎng)進(jìn)行在線檢測，討論了在線檢測中遇到的問題及解決措施。關(guān)鍵詞：城市燃?xì)夤艿溃煌暾詸z測；在線檢測；低頻超聲導(dǎo)波；脈沖渦流壁厚檢測Appl
摘要：綜合多種在線檢測技術(shù)對西寧市天然氣管網(wǎng)進(jìn)行在線檢測，討論了在線檢測中遇到的問題及解決措施。
關(guān)鍵詞：城市燃?xì)夤艿?；完整性檢測；在線檢測；低頻超聲導(dǎo)波；脈沖渦流壁厚檢測
Application of On-line Detection Technologies in Detection of Gas Pipeline Integrity
GAO Hailin
Abstract：The on-line detection of natural gas network in Xining City is conducted using multiple on-line detection technologies.The problems and solutions in on-line detection are discussed.
Key words：city gas pipeline；integrity detection；on-line detection；low-frequency ultrasonic wave；pulsed eddy current wall detection
1 概述
    西寧市城市天然氣管網(wǎng)于2000年開始建設(shè)并逐步投入使用，至2005年全部投入使用。目前該市城市天然氣管網(wǎng)共有主管道23條、支管道28條。天然氣管網(wǎng)采用三級壓力機(jī)制，分別為次高壓、中壓和低壓。管道外防腐層為特加強(qiáng)級、加強(qiáng)級環(huán)氧煤瀝青和加強(qiáng)級聚乙烯膠粘帶，僅37km的次高壓管道采用犧牲陽極陰極保護(hù)措施。目前，大部分鋼質(zhì)天然氣管道埋地10年左右，進(jìn)入了事故多發(fā)期，由防腐層破損和老化引發(fā)的泄漏事故日益增加。很大一部分鋼質(zhì)管道由于防腐層破壞或施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)造成局部管道腐蝕嚴(yán)重，對整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行造成很大威脅。
    為了解西寧市埋地天然氣管道的運(yùn)行狀況，以便及時(shí)消除安全隱患，西寧中油燃?xì)庥邢薰緦﹂L約210km的埋地鋼質(zhì)次高壓、中壓管道進(jìn)行了為期4個(gè)月的在線局部完整性檢測。通過檢測，對地下管道的運(yùn)行狀況有了較清晰的了解，明確了運(yùn)行中需采取的維護(hù)措施，為整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了可靠的保證。
2 天然氣管網(wǎng)的在線檢測
    本次檢測主要通過地下管道走向、埋深探查與附屬設(shè)施調(diào)查、管道經(jīng)過地區(qū)的環(huán)境調(diào)查、管道外防腐層檢測與評價(jià)、管地電位測試、CIPS/DCVG檢測、雜散電流測試、探坑檢測、管道腐蝕狀況檢測與評價(jià)、無損檢測等多種技術(shù)手段對現(xiàn)有天然氣管道運(yùn)行狀況進(jìn)行了解和評估。檢測執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)為[1]：SY/T 0087—95《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕與防護(hù)調(diào)查方法標(biāo)準(zhǔn)》、國質(zhì)檢鍋[2003]108號《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程(試行)》、SY/T 5918—2004《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》、CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》、SY/T 6553—2003《管道檢驗(yàn)規(guī)范在用管道系統(tǒng)檢驗(yàn)、修理、改造和再定級》。
2.1 管道走向、埋深探查
    管道走向與埋深探查應(yīng)用了電壓差法與管內(nèi)電流檢測技術(shù)。
   ① 電壓差法
   電壓差法，是指在管道與大地之間施加的交變電流信號通過管道防腐層的破損點(diǎn)時(shí)會(huì)流失到大地土壤中，因而管道中的電流密度隨著與破損點(diǎn)的距離增大而減小，在破損點(diǎn)的上方地表面形成一個(gè)交流電壓梯度。
    本次檢測采用了SL-2098檢測儀，通過將管道閥門井閥門漏鐵處與信號線可靠連接，向地下管道發(fā)送特定的高頻調(diào)制信號，通過探測地下管道的磁場強(qiáng)弱來確定地下管道的位置、走向和深度。在檢測過程中，由于地下管道防腐層破損點(diǎn)與大地形成回路，并向地面輻射，破損點(diǎn)正上方的輻射信號最強(qiáng)。當(dāng)檢漏人員走到破損點(diǎn)附近時(shí)，檢漏儀開始有反應(yīng)，當(dāng)走到破損點(diǎn)正上方時(shí)，檢漏儀發(fā)出的聲音最響，示值最大，從而能準(zhǔn)確找到破損點(diǎn)。
    該方法可沿線檢測防腐層破損點(diǎn)和金屬物體，是目前國內(nèi)最常用的檢測技術(shù)。檢測儀價(jià)格便宜，且在國內(nèi)有較成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，檢測速度較快。同時(shí)，該檢測方法具有識別破損點(diǎn)大小的功能，微小的破損點(diǎn)均能被檢測到，在長輸管道檢測與運(yùn)行維護(hù)中的使用效果較好。但該檢測方法需要沿整條管道步行檢測，不能指示缺陷的嚴(yán)重程度、陰極保護(hù)電流效率(CP效率)和涂層剝離，易受外界電流的干擾，依賴操作者的技能，常顯示不存在的缺陷信息。同時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，與混凝土或?yàn)r青地面的連接困難，一般推薦檢測人員穿鐵釘鞋或在雨后地面潮濕時(shí)作業(yè)，以保證與大地的可靠連接。
    ② 管內(nèi)電流檢測技術(shù)
    管內(nèi)電流檢測技術(shù)(PCM)[2]又稱多頻管中電流法或電流衰減法，是采用等效電流原理來評價(jià)防腐層絕緣電阻。檢測時(shí)，由發(fā)射機(jī)向管道發(fā)射某一頻率的信號電流，電流流經(jīng)管道時(shí)，在管道周圍產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。當(dāng)管道外防腐層完好時(shí)，隨著管道的延伸，電流較平衡，電流無流失或流失較少，在管道周圍產(chǎn)生的磁場比較穩(wěn)定；當(dāng)管道外防腐層破損或老化時(shí)，在破損處會(huì)有電流流失現(xiàn)象，隨著管道的延伸，管道周圍磁場的強(qiáng)度會(huì)減弱。該方法也是目前國內(nèi)外應(yīng)用比較成熟的一種檢測方法，可長間距快速探測整條管道的防腐層狀況，也可縮短間距對破損點(diǎn)進(jìn)行定位，屬于非接觸地面測量，受地面環(huán)境影響較小。但測量結(jié)果不直觀，不能指示CP效率和涂層剝離，易受外界電流的干擾，且需預(yù)先獲得一些物理量，如管體的電阻、內(nèi)電感、外電感以及防腐層的電容率等。
    在現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，將發(fā)射機(jī)白色信號線與管道連接，綠色信號線與大地連接，為保證接地可靠，一般選擇周邊各類鐵塔或鋼質(zhì)電線桿作為接地導(dǎo)體。由PCM大功率發(fā)射機(jī)向管道發(fā)送近似直流的4Hz測繪電流和128Hz/640Hz定位電流，便攜式接收機(jī)能準(zhǔn)確地探測到經(jīng)管道傳送的這種特殊信號，跟蹤和采集該信號，輸入計(jì)算機(jī)，便能測繪出管道上各處的電流。分析電流變化，同時(shí)可通過測電流和確定電流方向?qū)崿F(xiàn)對地下管道的定位。配上A字架，可以將防腐層破損位置大約定位。在城市道路上A字架也面臨無法保證可靠接地的問題，實(shí)際操作中，采用在管腳綁定浸水海綿或在下雨后道路潮濕時(shí)進(jìn)行檢測，可以保證檢測效果。
    本次埋地管道走向與埋深探查主要使用埋地管道外防腐層狀況檢測儀SL-2098與RD400-PCM管道防腐層檢測儀綜合檢測，對管道走向、埋深進(jìn)行全面探查。探查結(jié)果顯示城區(qū)管道埋深基本達(dá)到要求，郊區(qū)局部管道埋深不夠，需加大埋深。
2.2 敷設(shè)環(huán)境調(diào)查
    敷設(shè)環(huán)境調(diào)查主要通過對管道沿線地面及周邊環(huán)境現(xiàn)場巡查，以掌握管道外部環(huán)境及占壓狀況，同時(shí)通過對土壤電阻率的測定對土壤腐蝕性進(jìn)行了評估。通過調(diào)查對管道敷設(shè)環(huán)境和占壓情況有了全面了解，通過對125km管道沿線周圍土壤電阻率的檢測，得知電阻率最高為551Ω·m，最低為19.5Ω·m，大部分電阻率為40～100Ω·m，土壤整體腐蝕性較弱。
2.3 陰極保護(hù)效果測試
    共檢測管地電位111處，檢測結(jié)果顯示，門站至二配站間全部檢測點(diǎn)處陰極保護(hù)效果良好，由西寧市通往大通縣的次高壓管道(簡稱大通次高壓管道)陰極保護(hù)效果較差。采用直流電壓梯度檢測方法和密間隔電位測試技術(shù)，重點(diǎn)對陰極保護(hù)效果較差的大通次高壓管道抽取10.689km進(jìn)行了檢測。
    直流電壓梯度(DCVG)檢測方法是使用1個(gè)毫伏表和2個(gè)Cu/CuS04半電池探杖插入檢測部位的地面進(jìn)行電位梯度檢測。該方法能準(zhǔn)確地檢測出防腐層的破損位置，可估算缺陷大小，并通過電壓梯度大小判定缺陷的嚴(yán)重程度。測試過程中不受交流電干擾，不需拖拉電纜，受環(huán)境影響小，操作簡單，準(zhǔn)確度高。
    為消除測試柱讀數(shù)上的限制，本次檢測同時(shí)采用了密間隔電位測試技術(shù)(CIPS)。在CIPS埋地管道陰極保護(hù)評估檢測系統(tǒng)中，用一根長導(dǎo)線把兩個(gè)測試柱連接，沿管道方向以非常小的間隔測試管地電壓，這樣就可以提供整條管道的防護(hù)情況。用一個(gè)記錄式伏特計(jì)替換常規(guī)伏特計(jì)，可以大量記錄檢測到的數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以提供詳細(xì)的電壓情況，檢測到的數(shù)據(jù)廣泛地用于評估管道陰極保護(hù)情況。在CIPS埋地管道陰極保護(hù)評估檢測系統(tǒng)中，在陰極保護(hù)系統(tǒng)通電運(yùn)行情況下測量的埋地鋼質(zhì)管道電位通常稱為ON電位，其并不代表真實(shí)的管地電位，包含了管道周邊介質(zhì)帶來的IR降。去除IR降干擾后的實(shí)際極化電位(OFF電位)反映了管道真實(shí)的保護(hù)電位，通過識別全部的直流電壓(ON電位)，然后通過所有的斷流器(OFF電位)確定實(shí)際管地電壓。這樣得到的管地電壓是比較準(zhǔn)確的，可以對管道的防護(hù)情況進(jìn)行更好地評估。通過檢測發(fā)現(xiàn)，除其中的4km管段基本達(dá)到有效保護(hù)外，其余均未達(dá)到有效陰極保護(hù)，需進(jìn)行修復(fù)。
2.4 外防腐層狀況檢測
    采用多頻管中電流法并配合A字架對管道外防腐層進(jìn)行檢測評價(jià)。共檢測次高壓管道48.64km，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)482處；檢測中壓管道162km，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)535處。這些漏點(diǎn)大部分位于補(bǔ)口位置，其中漏點(diǎn)較多的管道為大通次高壓管道和海湖路、門源路、南川東路中壓管道，應(yīng)對這些問題比較嚴(yán)重的管道采取陰極保護(hù)方法抑制局部腐蝕。
2.5 雜散電流測繪
    有效判斷管道外覆蓋層破損點(diǎn)的嚴(yán)重性與陰陽極狀態(tài)是確保有缺陷管道安全運(yùn)行的重要因素[3]。采用DCVG、雜散電流測繪儀(SCM)確定缺陷點(diǎn)的嚴(yán)重性與陽極/陰極狀態(tài)。在一般情況下，采用DCVG檢測技術(shù)即可，對于較復(fù)雜且重要的管道，建議采用SCM方法。因?yàn)閷τ谟衅茡p點(diǎn)的管段，使用SCM能更有效地進(jìn)行雜散電流測試，找出破損點(diǎn)屬于陽極傾向點(diǎn)還是陰極傾向點(diǎn)，為管道的運(yùn)行維護(hù)與排流改造提供較多的信息。
    SCM的工作原理為：智能信號發(fā)送器發(fā)送獨(dú)特的電流信號，用SCM智能感應(yīng)器測量所選管道中流動(dòng)的干擾電流，確定干擾電流在目標(biāo)管道的流入點(diǎn)、流動(dòng)方向和流出點(diǎn)[4]。
    本次檢測采用SCM對40處可能存在雜散電流干擾的位置進(jìn)行了雜散電流測繪，初步分析發(fā)現(xiàn)17處雜散電流干擾嚴(yán)重，應(yīng)采取鋅陽極塊等排流措施。
2.6 低頻超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測
    低頻超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)用于檢測管道的腐蝕或沖蝕，能夠全面覆蓋管道壁厚，儀器在一個(gè)測試點(diǎn)可以沿管道向兩端發(fā)射低頻超聲導(dǎo)波。在本次檢測中，導(dǎo)波發(fā)射均在管道閥門井內(nèi)閥門連接法蘭前接入，避免了大范圍開挖。由于超聲導(dǎo)波可以傳播很長的距離，甚至在保溫層下面?zhèn)鞑?，反射的回波由儀器接收并記錄分析，由此評價(jià)管道的腐蝕情況，操作簡便快捷。在實(shí)際操作過程中，該技術(shù)被廣泛地認(rèn)為是管道評估的有效方法，尤其在實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)困難或?qū)嵤z驗(yàn)費(fèi)用昂貴的場合，更易發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。
    本次檢測主要通過市區(qū)閥門井內(nèi)裸露管道對埋地管道缺陷進(jìn)行了檢測，共檢測管道30段，發(fā)現(xiàn)部分焊縫及三通位置信號異常，初步判斷管道有腐蝕缺陷。
2.7 穿透防腐層的脈沖渦流壁厚檢測
    在檢測中，壁厚測量是一項(xiàng)不可缺少的檢驗(yàn)項(xiàng)目，可以快捷地了解設(shè)備的腐蝕狀況[1]。然而，由于很多特種設(shè)備(如大部分壓力容器和壓力管道等)都附有絕緣層(熱絕緣、腐蝕絕緣等)，按照常規(guī)方法進(jìn)行壁厚測量時(shí)，必須拆掉設(shè)備外附的保溫結(jié)·構(gòu)或防腐結(jié)構(gòu)，有時(shí)還需對檢測部位進(jìn)行打磨以適于測量，但打磨會(huì)對設(shè)備本體造成一定程度的損傷。檢測完成后還需花費(fèi)很多時(shí)間、人力和物力去恢復(fù)其原始狀態(tài)，這些工作都大大增加了檢測的成本。此外，這種常規(guī)檢測方法還存在一些弊端，如檢測不全面、檢測時(shí)間長、檢測效率較低。而穿透防腐層的脈沖渦流壁厚檢測方法很好地解決了這一問題。
    穿透防腐層的脈沖渦流壁厚檢測方法是通過脈沖發(fā)射機(jī)激發(fā)出一個(gè)快速變化的脈沖磁場，該磁場可以在金屬表面誘發(fā)產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)向金屬深處傳播、滲透、衰減，渦流的衰減與金屬的壁厚有著一定的對應(yīng)關(guān)系。通過接收元件監(jiān)測渦流脈沖在金屬壁厚中的衰減，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，把一定信號特征的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間與參比值比較即可計(jì)算出被測金屬的平均厚度。測量結(jié)果受一些因素的影響，包括金屬性能(磁和電特性)和設(shè)備溫度的變化。渦流信號的強(qiáng)弱取決于探頭的提離距離，渦流信號的持續(xù)時(shí)間取決于剩余壁厚。
    本次共進(jìn)行了30處檢測，初步分析發(fā)現(xiàn)4處管道壁厚減薄較嚴(yán)重，減薄量超過公稱壁厚的10%。
2.8 開挖檢測
    由于市區(qū)大范圍開挖的手續(xù)繁雜、成本較高，我們重點(diǎn)對前期非開挖檢測發(fā)現(xiàn)問題較多的地點(diǎn)進(jìn)行了開挖檢查。通過對31處開挖檢查的結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于防腐工作不到位，管道上的用戶接氣點(diǎn)是腐蝕破壞的多發(fā)點(diǎn)。
3 檢測中遇到的問題及解決措施
    城市燃?xì)夤艿涝诰€檢測面臨的主要問題和難點(diǎn)為：
    ① 由于管道大部分敷設(shè)在城市交通干道下方，大規(guī)模開挖進(jìn)行檢驗(yàn)的難度很大，只能盡量采用非開挖檢測技術(shù)。
    ② 由于城市道路地下各類管道情況復(fù)雜，給燃?xì)夤艿罊z測信號的收集和判定帶來很大干擾，給準(zhǔn)確判定地下燃?xì)夤艿罓顩r帶來很大困難。
    ③ 由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)的滯后及技術(shù)方面等諸多原因，政府管理部門尚未要求完全開展埋地鋼質(zhì)壓力管道的定期檢驗(yàn)工作，目前國內(nèi)沒有成熟的檢測方案可以參考。
    ④ 目前對埋地PE管道尚無可靠的在線檢測方案，PE管道狀況無法檢測判定。
    ⑤ 部分穿越河流、套管內(nèi)敷設(shè)的管道檢測難度大。
    針對以上問題，在西寧市燃?xì)夤艿涝诰€檢測過程中，我們采取了各類措施，盡量保證檢測結(jié)果的真實(shí)可靠及實(shí)際應(yīng)用的可操作性。采取的解決措施為：
    ① 本次檢測以各類非開挖檢測為主，對非開挖檢測發(fā)現(xiàn)的疑點(diǎn)較大的區(qū)域和管段有針對性地進(jìn)行開挖檢測驗(yàn)證，以盡量減少挖坑數(shù)量，同時(shí)保證開挖檢測的有效性。
    ② 由于各類非開挖在線檢測設(shè)備及方法存在一定局限性，且城市地下管網(wǎng)敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多，需要對現(xiàn)有檢測方法進(jìn)行有效組合，通過多種方法綜合檢測及數(shù)據(jù)采集評定，才能對管道運(yùn)行狀況有較真實(shí)客觀的評定。在此次檢測過程中，通過開挖檢測，驗(yàn)證了前期非開挖檢測發(fā)現(xiàn)的問題與實(shí)際情況非常吻合，取得了良好的效果。
    ③ 由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)分布廣，全面在線完整性檢測實(shí)施難度大且成本較高。通過前期對管道運(yùn)行狀況的記錄及對敷設(shè)環(huán)境的全面調(diào)查，可甄別出敷設(shè)環(huán)境惡劣及運(yùn)行存在較大問題的區(qū)域和管道，集中力量和設(shè)備對重點(diǎn)區(qū)域和管道采取重點(diǎn)檢測，對其他區(qū)域和管道采取成本較低的方法檢測。這種局部完整性檢測方法是適合較大規(guī)模城市燃?xì)夤芫W(wǎng)在線檢測的經(jīng)濟(jì)可行、效率較高的方案。
    ④ 對傳統(tǒng)檢測方法難于有效檢測的穿越河流、套管內(nèi)敷設(shè)等重點(diǎn)管段，可采用低頻超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測等先進(jìn)設(shè)備和方法。
4 結(jié)語
    通過對西寧市燃?xì)夤艿赖脑诰€局部完整性檢測，經(jīng)過多種檢測設(shè)備和方法的綜合測定，對在用管道安全性能及需采取的整改措施有了真實(shí)確切的結(jié)論，使管道管理各方掌握了管道運(yùn)行狀況，提高了日常管理的有效性，降低了運(yùn)行管理成本。由于城市埋地燃?xì)夤艿赖姆情_挖檢測不是直接接觸式檢測，尚有一些技術(shù)難題未完全解決，需要對現(xiàn)有的檢測方法進(jìn)行有效組合。因此，在確定檢測方案過程中，應(yīng)在結(jié)合國內(nèi)外埋地鋼質(zhì)管道檢測技術(shù)與方法原理，進(jìn)行分析及總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出綜合檢測技術(shù)，才能高效、高質(zhì)量地完成檢測工作，取得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的最佳組合。
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    (本文作者：高海林 西寧中油城市燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)咨詢有限公司 青海西寧 810000)