摘要：介紹了G4高清晰度復(fù)合檢測器的工作原理，闡述了其研制內(nèi)容、開發(fā)流程。以工業(yè)現(xiàn)場為例，結(jié)合試驗過程，詳細說明了實際應(yīng)用情況�？偨Y(jié)出該復(fù)合檢測器的功能和技術(shù)指標，理性分析了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高清晰度；管道檢測；復(fù)合檢測器；研制；應(yīng)用

管道內(nèi)檢測技術(shù)是用于辨別管道缺陷并使之量化的一種管道完整性管理的重要工具。通過開展管道內(nèi)檢測技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作，可進行剩余強度和金屬剩余壽命的安全性評估，為制定相應(yīng)的整治維修方案提供必要依據(jù)，并為下一次檢測分析對比積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使管道的盲目被動維修轉(zhuǎn)化為預(yù)知性主動維修，對風(fēng)險大的缺陷優(yōu)先修復(fù)，實現(xiàn)對管道本質(zhì)安全的可靠管理。

目前在役長輸天然氣管道成熟的檢測設(shè)備主要為變形檢測器和漏磁檢測器，中國石油大學(xué)（北京）與浙江浙能天然氣運行有限公司、中國石油沈陽龍昌管道檢測中心、海隆石油工業(yè)集團以及相關(guān)科技公司合作，研制出508 mm(20英寸)全新一代G4高清晰度復(fù)合檢測器。本文重點闡述其工作原理、試驗方法、工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況。

1 檢測原理

1.1 高清晰度漏磁檢測器

檢測器自身攜帶的磁單元將檢測器通過的局部管壁飽和磁化，在管壁的全圓周上形成磁回路。如果管內(nèi)壁或外壁有缺陷，管壁內(nèi)的磁力線將圍著缺陷重新分布，結(jié)果是一部分磁力線泄露出來，進入到周圍介質(zhì)，這就是漏磁場。泄露的磁場被位于磁極之間的、緊貼管壁的探頭檢測到。這些信號經(jīng)過濾波、放大、轉(zhuǎn)換處理后被記錄到存儲器中，檢測結(jié)束后經(jīng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理，對其進行識別和度量，工作原理如圖1所示。

圖1  漏磁檢測原理示意

1.2 高清晰度變形檢測器

檢測器自身攜帶的角度傳感器與接觸管壁的機械探頭相連，當機械探頭接觸管壁變形時，角度傳感器相應(yīng)產(chǎn)生變化，通過科學(xué)計算，將角度變化值轉(zhuǎn)化為電信號數(shù)值并記錄到存儲器中，通過后期數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理，對管道變形點進行識別和度量（圖2）。

圖2  變形檢測器原理示意

1.3 測繪單元

測繪單元集成在檢測器上，利用三軸陀螺和三軸加速度計，可精確計算推演出檢測器運行的管道中心線軌跡走向、曲度等重要參數(shù)，結(jié)合地面標記信息，通過后期數(shù)據(jù)分析，可對管道附件、環(huán)焊縫、缺陷等位置進行GPS定位，實現(xiàn)管線位移監(jiān)測，嵌入GIS地理信息系統(tǒng)，提高缺陷智能化管理水平（圖3）。

圖3  測繪單元原理示意

1.4 其他檢測單元

檢測器上還可搭載其他檢測單元，例如：壁厚測量單元、彎頭角度測量單元、溫度測量單元、壓力監(jiān)測單元、水露點測量單元、速度控制單元等，其目的是獲得更多的管道基礎(chǔ)信息，為后期開展管道風(fēng)險評價、完整性評價提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2高清晰度復(fù)合檢測器

高清晰度復(fù)合檢測器將漏磁檢測、變形檢測、中心線測繪、壁厚測量、彎頭角度測量、溫度測量、壓力監(jiān)測、水露點測量等檢測技術(shù)復(fù)合在一起，主要包括機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、上位機軟件系統(tǒng)，研發(fā)流程如圖4所示。

圖4  高清晰度復(fù)合檢測器研發(fā)流程

2.1  機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)包括檢測器的整體骨架、萬向節(jié)、皮碗三部分。其中骨架是整個檢測器的最基本結(jié)構(gòu)，通常采用圓筒狀，在其內(nèi)集成功能單元。萬向節(jié)具有連接作用，連接檢測器不同節(jié)，使其順利前進且順利通過彎頭，保證萬向節(jié)前后兩節(jié)可以按任意方向90°轉(zhuǎn)動。皮碗具有密封作用，使檢測器前后產(chǎn)生壓差，作為檢測器前進動力；要有一定的過盈量（通常為內(nèi)徑的3%），具有支撐作用，使檢測器可以沿管道中心線運行而不偏離；還要具有約10%～15%的彈性變形，保證其具有足夠的通過能力，順利通過彎頭。

2.2  電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集存儲模塊、供電模塊、傳感器模塊、里程采集模塊等。其工作原理為：通過里程采集模塊觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊，對各類傳感器檢測到的信號進行放大濾波處理，最后通過優(yōu)化的大數(shù)據(jù)采集模塊，完成數(shù)據(jù)的實時采集與存儲。電氣系統(tǒng)為檢測器的核心，要求有極高的工作穩(wěn)定性、超高信噪比、高速大數(shù)據(jù)采集，保證采集信息的準確和完整。

2.3  上位機軟件系統(tǒng)

上位機軟件安裝在移動PC上，通過測試盒與檢測器連接，按照預(yù)設(shè)的通訊協(xié)議，完成對檢測器電氣系統(tǒng)的調(diào)試，保證電氣系統(tǒng)性能狀態(tài)完好。其主要功能為：供電系統(tǒng)測試、里程標定、時鐘標定、探頭測試與標定、采集與存儲模塊測試、數(shù)據(jù)管理等。測試過程采用實時圖形顯示方式，操作直觀清晰。

3 牽拉試驗

高清晰度復(fù)合檢測器研發(fā)完成，先期開展溫度、水壓、振動、耐磨等關(guān)鍵試驗，試驗結(jié)果合格后，再對樣機進行牽拉試驗，目的是驗證其整體動態(tài)性能指標。牽拉試驗流程如下。

（1）在被檢管道上預(yù)制人工缺陷，缺陷類型和大小必須滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。

（2）標定檢測器的所有傳感器，保證一致性。

（3）按不同速度進行牽拉試驗，速度范圍為0.20～5.00 m/s。

（4）將牽拉試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，通過已知缺陷數(shù)據(jù)，對檢測數(shù)據(jù)進行評判度量，科學(xué)調(diào)整數(shù)據(jù)評判模型，要求檢測數(shù)據(jù)中的缺陷度量值與實際缺陷一一吻合，有效提高數(shù)據(jù)評判的準確度。

2017年10月9日，高清晰度復(fù)合檢測器在中國石油沈陽龍昌管道檢測中心完成0.20～5.00 m/s牽拉試驗，效果良好，證明該復(fù)合檢測器具備工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用能力（圖5）。

圖5  牽拉試驗組圖

4 工業(yè)現(xiàn)場試驗

2017年11月，使用高清晰度復(fù)合檢測器對中海油氣電集團海南發(fā)電有限公司所轄天然氣管線實施內(nèi)檢測（圖6、圖7）顯示，檢測器運行平穩(wěn)，未發(fā)生卡球事件，壓力、輸氣量等參數(shù)穩(wěn)定。檢測器收出后，機械外觀完好，電氣系統(tǒng)運行正常。經(jīng)軟件回放，全程各通道信號均完好，檢測數(shù)據(jù)完整。

圖6  現(xiàn)場發(fā)送檢測器                     圖7 現(xiàn)場接收檢測器

試驗中檢測器運行速度：0～5.00 m/s，運行期間平均速度1.67 m/s，滿足檢測器的最佳運行速度要求。檢測器運行速度曲線如圖8所示。

圖8  平均速度曲線

分析檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該管道上共存在金屬損失6 000余處、焊縫異常信號50余處、變形點20余處，檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)。通過數(shù)據(jù)分析軟件，得出金屬損失里程分布柱狀圖（圖9）和金屬損失分布周向圖（圖10）。

圖9  金屬損失缺陷里程分布

圖10 金屬損失>5%wt分布周向圖

本次工業(yè)現(xiàn)場試驗表明，高清晰度復(fù)合檢測器可清晰地檢測到變形、內(nèi)外腐蝕、制造安裝缺陷、機械損傷及其他管道金屬異常情況，實現(xiàn)對埋地管道的缺陷、管壁厚度變化、缺陷內(nèi)外分辨、管道特征（管箍、補疤、焊縫、三通、閥門等）的識別，達到設(shè)計指標要求（圖11）。

圖11 檢測器性能精度指標

5 結(jié)束語

G4高清晰度復(fù)合檢測器是在成熟的三軸漏磁檢測器基礎(chǔ)上，衍生出的第四代檢測器，是目前我國最新、最先進、完全國產(chǎn)化的管道內(nèi)檢測設(shè)備�？梢詮V泛應(yīng)用于油氣長輸管道領(lǐng)域，用于查找管體及管件的腐蝕缺陷、機械損傷、打孔盜油口、變形缺陷及管道移位等影響管道安全運行的重要危害因素。將腐蝕檢測、變形檢測、測繪等關(guān)鍵技術(shù)復(fù)合為一體，將大大提高對缺陷信號分析的一致性和準確性，尤其是對管道危害最大的變形點金屬損失。進一步提高管道缺陷的評判水平，為開展管道風(fēng)險評價、剩余壽命評價和科學(xué)制定管道維保方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，從而達到延長管道使用壽命的目的。

G4高清晰度復(fù)合檢測器功能齊全，使用時可根據(jù)需求隨意組合，使用方式靈活多樣。在有效提高檢測效率的同時，將大幅度降低現(xiàn)場檢測成本，實現(xiàn)“降本增效”，具有很好的應(yīng)用前景。

董紹華教授： 1972年生，中國石油大學(xué)（北京）教授，博士生導(dǎo)師，管道技術(shù)與安全研究中心主任。管道完整性與安全技術(shù)專家；第五屆國家安全生產(chǎn)專家組成員；國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備壓力管道技術(shù)委員會委員； NACE STAG 75 完整性技術(shù)專家委員會主席；北京石油學(xué)會理事兼石油應(yīng)用與儲運專業(yè)委員會主任；擔(dān)任2017年國家重點研發(fā)計劃“公共安全專項”國家儲備庫安全項目首席。主要研究方向為管道完整性管理技術(shù)、管道安全評價技術(shù)、管道信息大數(shù)據(jù)工程技術(shù)等。曾獲省部級獎勵25項，參與編制行業(yè)、企業(yè)技術(shù)標準40余部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇。