在役天然氣管道缺陷檢測新技術概述

摘 要

摘要：分析了傳統(tǒng)的管道缺陷檢測技術的缺點，論述了超聲導波檢測技術、超聲相控陣檢測技術、衍射時差檢測技術的工作原理和優(yōu)點。關鍵詞：完整性管理；管道缺陷檢測；超聲導波；超聲相控
摘要：分析了傳統(tǒng)的管道缺陷檢測技術的缺點，論述了超聲導波檢測技術、超聲相控陣檢測技術、衍射時差檢測技術的工作原理和優(yōu)點。
關鍵詞：完整性管理；管道缺陷檢測；超聲導波；超聲相控陣；衍射時差
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運營，標志著我國已經步入天然氣高速發(fā)展的時代。天然氣管道在長期的服役過程中，由腐蝕、疲勞破壞、第三方破壞或管道內部潛在缺陷導致的管道泄漏事故頻頻發(fā)生[1]，不僅給管道運營企業(yè)帶來巨大的經濟損失，甚至會出現人身傷亡、環(huán)境污染等特大事故，進而影響到社會的穩(wěn)定。因此，各個管道運營企業(yè)都非常重視對在役天然氣管道缺陷的檢測技術研究。為了防止天然氣管道腐蝕穿孔、開裂等事故發(fā)生，我國每年用于管道維修的費用高達(3～5)×108元，而且有逐年增加的趨勢。受檢測手段的制約，天然氣管道損傷狀況多數不明，往往造成盲目開挖、盲目報廢，維修缺少科學性，從而造成人力、物力的大量浪費。對天然氣管道缺陷的檢測一直是困擾管道安全管理者的問題。因此，定期對天然氣管道的完整性[2～4]進行檢測成為管道維護不可缺少的必要手段之一。對天然氣管道缺陷的檢測是管道完整性檢測的一個重要組成部分。尋找一種經濟適用、快速高效的天然氣管道缺陷檢測新技術是迫切需要解決的問題。
2 天然氣管道缺陷檢測技術
    依據天然氣管道缺陷檢測的原理，現有的檢測方法[5～6]可分為直接檢測法和間接檢測法。最常用的直接檢測法是空氣取樣法，此法主要有兩種檢測器，即火焰電離檢測器和可燃氣體監(jiān)測器；間接檢測法的方法較多，如超聲波檢測技術、射線(X射線、叫射線)成像技術、漏磁檢測技術、超聲導波檢測技術、超聲相控陣檢測技術、衍射時差檢測技術等。本文主要介紹超聲導波檢測技術、超聲相控陣檢測技術、衍射時差檢測技術。
3 超聲導波檢測技術
   超聲波檢測技術、射線成像技術和磁漏檢測技術都屬于逐點檢測技術，只能對傳感器接觸到的天然氣管道部位進行檢測，而且檢測效率較低。對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，這些檢測技術無法進行有效的檢測。隨著科技的發(fā)展，超聲導波檢測技術的出現，解決了先前的間接檢測法(超聲波檢測技術、射線成像技術和磁漏檢測技術)在檢測天然氣管道缺陷時效率較低的問題。
3.1 傳統(tǒng)超聲波檢測技術的不足
   傳統(tǒng)超聲波檢測技術只能集中檢測管道的局部區(qū)域，具有檢測大面積管道缺陷速度慢、檢測效率低、只能檢測到探頭下面的那部分管道的不足。傳統(tǒng)超聲波檢測技術進行大面積管道缺陷的檢測時，就必須逐點地作許多次測量，也就是要頻繁地接近被檢測管道表面。對于難以接近或費用較大的區(qū)域，如此精細的檢測是不經濟的。
3.2 超聲導波的工作原理
   超聲導波[7]是指在有邊界的介質內平行于它的邊界線沿軸向傳播的超聲速機械波。超聲導波技術能夠從任意一個比較方便接近的天然氣管道截面位置進行檢測。檢測埋地天然氣管道時，超聲導波技術不需要直接接觸所有的天然氣管道，而是在現場開挖一處合適的位置就可以對一段埋地天然氣管道進行檢測。當需要檢測的天然氣管道穿越鐵路(公路)時，可以從鐵路(公路)的任意一側進行檢測。使用超聲導波技術可以節(jié)約大量的天然氣管道維護費用。
   超聲導波的工作原理[8～9]就是利用探頭上的壓電陶瓷材料和管壁緊密結合，激發(fā)出低頻超聲波脈沖信號，此脈沖信號充斥整個天然氣管道圓周方向和整個管壁厚度，沿管道軸向向遠處傳播。超聲導波在管道中傳播時，若遇到缺陷則會立即發(fā)生反射和透射現象，產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加以分析、比對處理后，即可判斷出天然氣管道內外壁是否有腐蝕或裂紋等缺陷。
   超聲導波檢測技術能夠檢測長距離天然氣管道的缺陷或損傷而，無需剝離管道防腐層，能夠檢測天然氣管道內外壁的腐蝕狀況和環(huán)向、縱向裂紋，可以檢測架空、穿越和跨越天然氣管道，可以從較遠的位置檢測到設備難以到達的區(qū)域，可以在線檢測管道腐蝕狀態(tài)或監(jiān)測管道的狀態(tài)。
3.3 超聲導波檢測的優(yōu)點
    超聲導波是以超聲波入射到管壁中傳播從而進行長距離快速篩選檢測的技術，具有檢測效率高、一次檢測覆蓋范圍大、速度快和可檢測整個管壁等優(yōu)點。利用超聲導波技術可以實現對大型天然氣管道缺陷的快速、大范圍檢測，可以有效地提高檢測效率，而且能夠實現對水下穿越天然氣管道的檢測，具有良好的可操作性，越來越多地被應用在天然氣管道的長距離快速檢測和性能評價等方面。
    超聲導波檢測技術與傳統(tǒng)超聲波檢測技術相比具有突出的優(yōu)點。一方面，由于超聲導波沿傳播路徑衰減小，可沿管道傳播50 In遠的距離，且回波信號包含管道整體性信息。因此，相對于超聲波檢測、漏磁檢測、射線成像等技術，超聲導波檢測技術實際上是檢測了一條線，而非一點。另一方面，由于超聲導波在管道的內外表面和管壁中都有質點的振動，聲場遍及整個壁厚，因此，整個壁厚都可以被檢測到，這就意味著既可以檢測管道的內部缺陷，也可以檢測管道的表面缺陷。
4 超聲相控陣檢測技術
    超聲相控陣檢測技術是近年來天然氣管道超聲波無損檢測領域發(fā)展起來的新技術，以其靈活的聲束偏轉及聚焦性能越來越引起人們的重視與應用。
4.1 超聲相控陣的工作原理
    超聲相控陣技術[10～11]。是多聲束掃描成像技術，使用由多個晶片組成的多陣元換能器來產生和接收超聲波波束，通過控制陣列中各陣元發(fā)射激勵(或接收)脈沖時間的延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系.實現聚焦點和聲束方位的變化，然后采用機械掃描和電子掃描相結合的方法來實現圖像成像的檢測技術。
    由多陣元換能器來產生的超聲波是一種由高頻電脈沖激勵壓電晶片在彈性介質(管道)中產生的機械振動。超聲相控陣發(fā)射是通過控制各個獨立陣元的延時和靈敏度，可以生成不同輻射面的聲波.產生不同形式的電控聲場。由于超聲相控陣陣元的延遲時間可動態(tài)改變，因此，使用超聲相控陣技術檢測天然氣管道缺陷主要是利用它的聲束角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特點來實現。
4.2 超聲相控陣檢測的優(yōu)點
    超聲相控陣技術的主要特點是多晶片探頭中各晶片的激勵(振幅和延時)均由計算機控制。壓電復合晶片受激勵后產生超聲波聚焦波束，聲束參數(如角度、焦距)均可通過軟件調整。掃描聲束是聚焦的，能以鏡面反射方式檢測出不同方位的裂紋，這些裂紋可能隨機分布在遠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。
    與射線成像檢測技術相比，超聲相控陣檢測技術有如下優(yōu)點[12]：①超聲相控陣技術可以檢測出管道缺陷的埋藏深度及自身高度，而射線成像技術只能顯示管道缺陷的平面投影，超聲相控陣技術在缺陷定位方面要比射線成像技術準確；②超聲相控陣技術可以檢測出管道密集氣孔的埋藏深度，而射線成像技術只能定量缺陷的點數；③超聲相控陣技術可以檢測出管道焊縫未焊透缺陷的長度、埋藏深度及自身高度，而射線成像技術不能顯示管道焊縫未焊透缺陷的埋藏深度及自身高度。
5 衍射時差檢測技術
    衍射時差檢測技術是一種較新的天然氣管道缺陷檢測技術，它利用在管道中聲速最快的縱波在缺陷端部產生的衍射能量來進行檢測。
5.1 衍射時差檢測的工作原理
    衍射時差檢測技術的工作原理[13～14]：衍射時差檢測技術是依靠超聲波與缺陷端部的相互作用發(fā)出的衍射波來檢測出缺陷并對其進行定量的。當超聲波入射到缺陷端部時，依據惠更斯原理[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。檢測時采用一發(fā)一收(一個激發(fā)探頭和一個接收探頭)角度相同的雙探頭模式，利用缺陷尖端產生的衍射波信號進行探測和測量管道缺陷的尺寸。檢測過程中，激發(fā)探頭產生的寬角度縱波可以覆蓋整個管道的檢測區(qū)域。在無缺陷部位，接收探頭首先接收到在兩個探頭之間以縱波速度進行傳播的直通波，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，則通過缺陷上尖端和下尖端的超聲波將分別產生衍射波，這兩束衍射波在直通波和底面反射波之間出現。衍射波的信號比底面反射波的信號要弱很多，但比直通波的信號強。如果缺陷高度較小，則上尖端產生的衍射波和下尖端產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，要遲于從上尖端傳到接收探頭的衍射波信號，通過測量該時間差即可測量出缺陷的長度。
5.2 衍射時差檢測的優(yōu)點
    衍射時差檢測技術克服了其他超聲波檢測的一些固有缺點，天然氣管道缺陷的檢出和定量不受聲束角度、探測方向、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。
    衍射時差檢測技術與傳統(tǒng)超聲波檢測技術、射線成像技術相比有如下的優(yōu)點[16]：①衍射時差檢測技術的缺陷檢出率明顯高于傳統(tǒng)超聲波檢測技術和射線成像技術；②衍射時差檢測技術可用于管道缺陷擴展的監(jiān)控，是有效且能精確測量裂紋增長的方法之一；③衍射時差檢測技術可以精確地檢測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，裂紋擴展檢測誤差可達±0.3mm；④有效地檢測出任意方向的缺陷。
6 結語
    隨著在役天然氣管道服役年限的逐年增加，為減少管道在運行中的事故隱患，有必要對在役天然氣管道進行完整性管理，而對在役天然氣管道缺陷的檢測是管道完整性管理中的一個重要環(huán)節(jié)。隨著科學技術的發(fā)展，以超聲導波、超聲相控陣和衍射時差檢測技術為代表的檢測新技術的出現，克服了傳統(tǒng)檢測技術的許多缺點，不僅提高了檢測精度，而且也提高了檢測的速度，具有非常高的性價比，因此，這些檢測新技術代表了天然氣管道檢測技術的發(fā)展方向。精準的檢測技術能夠促進管道的完整性，提高天然氣管道的本質安全。
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(本文作者：季壽宏1 王強2 宋祎昕1 1.浙江浙能天然氣運行有限公司 浙江杭州 310052；2.中石油昆侖燃氣公司西北分公司 甘肅蘭州 730050)