在役天然氣管道缺陷檢測(cè)新技術(shù)概述

摘 要

摘要：分析了傳統(tǒng)的管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，論述了超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)、衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)的工作原理和優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：完整性管理；管道缺陷檢測(cè)；超聲導(dǎo)波；超聲相控
摘要：分析了傳統(tǒng)的管道缺陷檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，論述了超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)、衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)的工作原理和優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：完整性管理；管道缺陷檢測(cè)；超聲導(dǎo)波；超聲相控陣；衍射時(shí)差
Review of New Technologies for Defect Detection of Natural Gas Pipeline in Service
JI Shouhong，WANG Qiang，SONG Yixin
Abstract：The disadvantages of conventional detection technologies of pipeline defbcts are analyzed.The working principles and advantages of new technologies including ultrasonic guided wave inspection technology，ultrasonic phased array inspection technology and time-of-flight diffraction are described.
Key words：integrity management；pipeline defect detection；sonic phased array；time-of-flight diffraction
1 概述
    陜京管道、西氣東輸和川氣東送等大型天然氣管道的投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)步入天然氣高速發(fā)展的時(shí)代。天然氣管道在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，由腐蝕、疲勞破壞、第三方破壞或管道內(nèi)部潛在缺陷導(dǎo)致的管道泄漏事故頻頻發(fā)生[1]，不僅給管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)霈F(xiàn)人身傷亡、環(huán)境污染等特大事故，進(jìn)而影響到社會(huì)的穩(wěn)定。因此，各個(gè)管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)都非常重視對(duì)在役天然氣管道缺陷的檢測(cè)技術(shù)研究。為了防止天然氣管道腐蝕穿孔、開裂等事故發(fā)生，我國(guó)每年用于管道維修的費(fèi)用高達(dá)(3～5)×108元，而且有逐年增加的趨勢(shì)。受檢測(cè)手段的制約，天然氣管道損傷狀況多數(shù)不明，往往造成盲目開挖、盲目報(bào)廢，維修缺少科學(xué)性，從而造成人力、物力的大量浪費(fèi)。對(duì)天然氣管道缺陷的檢測(cè)一直是困擾管道安全管理者的問(wèn)題。因此，定期對(duì)天然氣管道的完整性[2～4]進(jìn)行檢測(cè)成為管道維護(hù)不可缺少的必要手段之一。對(duì)天然氣管道缺陷的檢測(cè)是管道完整性檢測(cè)的一個(gè)重要組成部分。尋找一種經(jīng)濟(jì)適用、快速高效的天然氣管道缺陷檢測(cè)新技術(shù)是迫切需要解決的問(wèn)題。
2 天然氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)
    依據(jù)天然氣管道缺陷檢測(cè)的原理，現(xiàn)有的檢測(cè)方法[5～6]可分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。最常用的直接檢測(cè)法是空氣取樣法，此法主要有兩種檢測(cè)器，即火焰電離檢測(cè)器和可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)器；間接檢測(cè)法的方法較多，如超聲波檢測(cè)技術(shù)、射線(X射線、叫射線)成像技術(shù)、漏磁檢測(cè)技術(shù)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)、衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)等。本文主要介紹超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)、衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)。
3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)
   超聲波檢測(cè)技術(shù)、射線成像技術(shù)和磁漏檢測(cè)技術(shù)都屬于逐點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，只能對(duì)傳感器接觸到的天然氣管道部位進(jìn)行檢測(cè)，而且檢測(cè)效率較低。對(duì)于傳感器難以接觸到的某些管道位置，例如套管、穿越鐵路(公路)管道、架空管道以及水下穿越管道，這些檢測(cè)技術(shù)無(wú)法進(jìn)行有效的檢測(cè)。隨著科技的發(fā)展，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，解決了先前的間接檢測(cè)法(超聲波檢測(cè)技術(shù)、射線成像技術(shù)和磁漏檢測(cè)技術(shù))在檢測(cè)天然氣管道缺陷時(shí)效率較低的問(wèn)題。
3.1 傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)的不足
   傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)只能集中檢測(cè)管道的局部區(qū)域，具有檢測(cè)大面積管道缺陷速度慢、檢測(cè)效率低、只能檢測(cè)到探頭下面的那部分管道的不足。傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行大面積管道缺陷的檢測(cè)時(shí)，就必須逐點(diǎn)地作許多次測(cè)量，也就是要頻繁地接近被檢測(cè)管道表面。對(duì)于難以接近或費(fèi)用較大的區(qū)域，如此精細(xì)的檢測(cè)是不經(jīng)濟(jì)的。
3.2 超聲導(dǎo)波的工作原理
   超聲導(dǎo)波[7]是指在有邊界的介質(zhì)內(nèi)平行于它的邊界線沿軸向傳播的超聲速機(jī)械波。超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠從任意一個(gè)比較方便接近的天然氣管道截面位置進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)埋地天然氣管道時(shí)，超聲導(dǎo)波技術(shù)不需要直接接觸所有的天然氣管道，而是在現(xiàn)場(chǎng)開挖一處合適的位置就可以對(duì)一段埋地天然氣管道進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)需要檢測(cè)的天然氣管道穿越鐵路(公路)時(shí)，可以從鐵路(公路)的任意一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。使用超聲導(dǎo)波技術(shù)可以節(jié)約大量的天然氣管道維護(hù)費(fèi)用。
   超聲導(dǎo)波的工作原理[8～9]就是利用探頭上的壓電陶瓷材料和管壁緊密結(jié)合，激發(fā)出低頻超聲波脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)充斥整個(gè)天然氣管道圓周方向和整個(gè)管壁厚度，沿管道軸向向遠(yuǎn)處傳播。超聲導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)，若遇到缺陷則會(huì)立即發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，產(chǎn)生攜帶管道缺陷信息的反射回波，反射回波被探頭傳感器所接收。利用軟件將探頭傳感器所接收到的反射回波信號(hào)加以分析、比對(duì)處理后，即可判斷出天然氣管道內(nèi)外壁是否有腐蝕或裂紋等缺陷。
   超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)長(zhǎng)距離天然氣管道的缺陷或損傷而，無(wú)需剝離管道防腐層，能夠檢測(cè)天然氣管道內(nèi)外壁的腐蝕狀況和環(huán)向、縱向裂紋，可以檢測(cè)架空、穿越和跨越天然氣管道，可以從較遠(yuǎn)的位置檢測(cè)到設(shè)備難以到達(dá)的區(qū)域，可以在線檢測(cè)管道腐蝕狀態(tài)或監(jiān)測(cè)管道的狀態(tài)。
3.3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)
    超聲導(dǎo)波是以超聲波入射到管壁中傳播從而進(jìn)行長(zhǎng)距離快速篩選檢測(cè)的技術(shù)，具有檢測(cè)效率高、一次檢測(cè)覆蓋范圍大、速度快和可檢測(cè)整個(gè)管壁等優(yōu)點(diǎn)。利用超聲導(dǎo)波技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型天然氣管道缺陷的快速、大范圍檢測(cè)，可以有效地提高檢測(cè)效率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下穿越天然氣管道的檢測(cè)，具有良好的可操作性，越來(lái)越多地被應(yīng)用在天然氣管道的長(zhǎng)距離快速檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)等方面。
    超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)。一方面，由于超聲導(dǎo)波沿傳播路徑衰減小，可沿管道傳播50 In遠(yuǎn)的距離，且回波信號(hào)包含管道整體性信息。因此，相對(duì)于超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、射線成像等技術(shù)，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)實(shí)際上是檢測(cè)了一條線，而非一點(diǎn)。另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管道的內(nèi)外表面和管壁中都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚，因此，整個(gè)壁厚都可以被檢測(cè)到，這就意味著既可以檢測(cè)管道的內(nèi)部缺陷，也可以檢測(cè)管道的表面缺陷。
4 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)
    超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是近年來(lái)天然氣管道超聲波無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來(lái)越引起人們的重視與應(yīng)用。
4.1 超聲相控陣的工作原理
    超聲相控陣技術(shù)[10～11]。是多聲束掃描成像技術(shù)，使用由多個(gè)晶片組成的多陣元換能器來(lái)產(chǎn)生和接收超聲波波束，通過(guò)控制陣列中各陣元發(fā)射激勵(lì)(或接收)脈沖時(shí)間的延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來(lái)自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系.實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像成像的檢測(cè)技術(shù)。
    由多陣元換能器來(lái)產(chǎn)生的超聲波是一種由高頻電脈沖激勵(lì)壓電晶片在彈性介質(zhì)(管道)中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。超聲相控陣發(fā)射是通過(guò)控制各個(gè)獨(dú)立陣元的延時(shí)和靈敏度，可以生成不同輻射面的聲波.產(chǎn)生不同形式的電控聲場(chǎng)。由于超聲相控陣陣元的延遲時(shí)間可動(dòng)態(tài)改變，因此，使用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)天然氣管道缺陷主要是利用它的聲束角度可控和可動(dòng)態(tài)聚焦兩大特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.2 超聲相控陣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)
    超聲相控陣技術(shù)的主要特點(diǎn)是多晶片探頭中各晶片的激勵(lì)(振幅和延時(shí))均由計(jì)算機(jī)控制。壓電復(fù)合晶片受激勵(lì)后產(chǎn)生超聲波聚焦波束，聲束參數(shù)(如角度、焦距)均可通過(guò)軟件調(diào)整。掃描聲束是聚焦的，能以鏡面反射方式檢測(cè)出不同方位的裂紋，這些裂紋可能隨機(jī)分布在遠(yuǎn)離聲束軸線的位置上。由于相控陣探頭聲束不僅聚焦而且可以轉(zhuǎn)向，因此，多向裂紋都可以被超聲相控陣探頭檢出。
    與射線成像檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)[12]：①超聲相控陣技術(shù)可以檢測(cè)出管道缺陷的埋藏深度及自身高度，而射線成像技術(shù)只能顯示管道缺陷的平面投影，超聲相控陣技術(shù)在缺陷定位方面要比射線成像技術(shù)準(zhǔn)確；②超聲相控陣技術(shù)可以檢測(cè)出管道密集氣孔的埋藏深度，而射線成像技術(shù)只能定量缺陷的點(diǎn)數(shù)；③超聲相控陣技術(shù)可以檢測(cè)出管道焊縫未焊透缺陷的長(zhǎng)度、埋藏深度及自身高度，而射線成像技術(shù)不能顯示管道焊縫未焊透缺陷的埋藏深度及自身高度。
5 衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)
    衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)是一種較新的天然氣管道缺陷檢測(cè)技術(shù)，它利用在管道中聲速最快的縱波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射能量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
5.1 衍射時(shí)差檢測(cè)的工作原理
    衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)的工作原理[13～14]：衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)是依靠超聲波與缺陷端部的相互作用發(fā)出的衍射波來(lái)檢測(cè)出缺陷并對(duì)其進(jìn)行定量的。當(dāng)超聲波入射到缺陷端部時(shí)，依據(jù)惠更斯原理[15]可知，此端部立即成為新的衍射波源，該波源向360°方向發(fā)射衍射波。檢測(cè)時(shí)采用一發(fā)一收(一個(gè)激發(fā)探頭和一個(gè)接收探頭)角度相同的雙探頭模式，利用缺陷尖端產(chǎn)生的衍射波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量管道缺陷的尺寸。檢測(cè)過(guò)程中，激發(fā)探頭產(chǎn)生的寬角度縱波可以覆蓋整個(gè)管道的檢測(cè)區(qū)域。在無(wú)缺陷部位，接收探頭首先接收到在兩個(gè)探頭之間以縱波速度進(jìn)行傳播的直通波，然后接收到底面反射回波。如果在天然氣管道中存在裂紋缺陷，則通過(guò)缺陷上尖端和下尖端的超聲波將分別產(chǎn)生衍射波，這兩束衍射波在直通波和底面反射波之間出現(xiàn)。衍射波的信號(hào)比底面反射波的信號(hào)要弱很多，但比直通波的信號(hào)強(qiáng)。如果缺陷高度較小，則上尖端產(chǎn)生的衍射波和下尖端產(chǎn)生的衍射波可能互相重疊。從管道缺陷下尖端傳到接收探頭的衍射波信號(hào)，要遲于從上尖端傳到接收探頭的衍射波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量該時(shí)間差即可測(cè)量出缺陷的長(zhǎng)度。
5.2 衍射時(shí)差檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)
    衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)克服了其他超聲波檢測(cè)的一些固有缺點(diǎn)，天然氣管道缺陷的檢出和定量不受聲束角度、探測(cè)方向、缺陷表面粗糙度、管道表面狀態(tài)及探頭壓力等因素的影響。
    衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)、射線成像技術(shù)相比有如下的優(yōu)點(diǎn)[16]：①衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)的缺陷檢出率明顯高于傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)和射線成像技術(shù)；②衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)可用于管道缺陷擴(kuò)展的監(jiān)控，是有效且能精確測(cè)量裂紋增長(zhǎng)的方法之一；③衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)可以精確地檢測(cè)出缺陷的埋藏深度和自身高度，定量的精度很高，一般誤差為±1mm，裂紋擴(kuò)展檢測(cè)誤差可達(dá)±0.3mm；④有效地檢測(cè)出任意方向的缺陷。
6 結(jié)語(yǔ)
    隨著在役天然氣管道服役年限的逐年增加，為減少管道在運(yùn)行中的事故隱患，有必要對(duì)在役天然氣管道進(jìn)行完整性管理，而對(duì)在役天然氣管道缺陷的檢測(cè)是管道完整性管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以超聲導(dǎo)波、超聲相控陣和衍射時(shí)差檢測(cè)技術(shù)為代表的檢測(cè)新技術(shù)的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的許多缺點(diǎn)，不僅提高了檢測(cè)精度，而且也提高了檢測(cè)的速度，具有非常高的性價(jià)比，因此，這些檢測(cè)新技術(shù)代表了天然氣管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。精準(zhǔn)的檢測(cè)技術(shù)能夠促進(jìn)管道的完整性，提高天然氣管道的本質(zhì)安全。
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(本文作者：季壽宏1 王強(qiáng)2 宋祎昕1 1.浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司 浙江杭州 310052；2.中石油昆侖燃?xì)夤疚鞅狈止?甘肅蘭州 730050)