漏磁检测技术在新疆某油田的应用

张 伟,蔡青青,张 磊,张 勇,周卫军

(1.中国石油塔里木油田销售事业部,库尔勒 841000;2.中石油独石化分公司炼油厂销售车间,克拉玛依 833600;3.长江大学石油工程学院,荆州 434023)

埋地管道作为石油、天然气的传输载体,是连接上游资源和下游用户的纽带,是目前油品运输效率最高、成本最低、风险最小的一种运输方式。由于管道长期埋在地下,随着时间的推移,介质含水含杂质、外界土壤特性及地形沉降等因素的影响,管道会发生腐蚀、穿孔和泄漏等,给油田和国家带来严重的损失。除此之外,它还会引起有害物质的泄漏,对环境造成污染,甚至引发灾难事故,危及人身安全。

目前国内外腐蚀检测技术主要分为管道外检测技术和管道内检测技术。管道外检测技术是通过对管道的阴极保护系统进行检测,从而获得管道的受蚀状况,属于间接检测管道腐蚀的方法,其得到的原始数据往往需要工作人员的仔细分析和校验。而管道内检测技术由于其直观性、准确性和快捷性,得到了很快的发展。

1 漏磁检测系统原理

1.1 漏磁检测技术概况

管道内检测是将无损检测设备投入管道中,介质推动设备沿管道运行,利用计算机系统采集并记录探测到的管道缺陷信号,通过数据分析得到管道缺陷所在准确部位和大小。通过管道内检测可以实现对管线的测绘、管道变形检测、金属损失检测和管道裂纹检测。内腐蚀检测技术一般有漏磁通法、超声波法、涡流检测法和电磁超声法(EMAT)。而漏磁(MFL)技术因其可检测出腐蚀或擦伤造成的管道金属损失缺陷,甚至能够测量到那些不足以威胁管道结构完整性的小缺陷(硬斑点、毛刺、结疤、夹杂物和其他各种异常和缺陷),偶尔也可检测到裂纹缺陷,且对检测环境的要求不高,具有很高的可信度,可兼用于输油输气管道,至今被广泛应用并在不断地发展。

在国外,漏磁式管道内检测技术用于工业上已有几十年的历史。自从1965年美国AMF公司研制出第一台漏磁检测器以来,设备性能和技术水平不断提高,应用领域日趋广泛,是目前管道工业中应用历史最长,技术最成熟的检测技术。英国、美国和俄罗斯等国家都有专门研制和应用漏磁管道内检测设备的专业公司,检测管道的口径可从 100～1 400mm,每年检测施工里程达几万公里。国内的研究从1984年开始,应用从1987年开始,经过几年的引进、消化吸收和国产化研制工作,设备的规格不断增大、性能不断增强、适用范围也不断扩展。

1.2 漏磁检测原理

漏磁检测是以自动化为目的发展起来的一种自动无损检测技术。漏磁检测的基本原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上的。铁磁性材料的磁导率远大于其他非铁磁性介质(如空气)的磁导率。当用磁场作用于被测对象并采用适当的磁路将磁场集中于材料局部时,一旦材料表面存在缺陷,缺陷附近将有一部分磁场外泄出来,并且其强度与缺陷尺寸和深度有一定的对应关系。用传感器检测这一外漏磁场可以确定有无缺陷,进而可以评价缺陷的形状和尺寸。

钢管缺陷漏磁检测原理[1]是根据钢管被永久磁铁磁化后,当钢管中无缺陷时,磁力线绝大部分通过钢管;当管壁变薄,管内、外壁局部被磨损,有腐蚀坑、凹坑、通孔和裂纹等缺陷时,钢管缺陷处的磁阻变大,聚集在管壁的部分磁通向外扩张,磁力线发生弯曲并且有一部分磁力线泄漏出钢管表面,用磁感应元件(霍尔元件)在钢管表面相对切割磁力线产生感应电信号,通过对感应电信号的特征提取来对缺陷进行定性和定量分析。

如图1所示,其中大部分磁通在工件内部绕过缺陷,少部分磁通穿过缺陷,另有部分磁通离开工件的上下表面,经空气绕过缺陷,其中第三部分就是所谓的漏磁通。漏磁通的大小可以通过霍尔元件或移动的感应线圈测量得到,其信号强弱和分布与缺陷的严重程度和分布有密切关系。漏磁检测法就是通过测量被磁化的铁磁材料表面泄漏的磁场强度来判定工件缺陷的大小。

磁铁有永久磁铁和电磁铁两种,常用的传感器有线圈式和霍尔元件式两种。

1.2.1 线圈式传感器

测磁线圈的输出遵从电磁感应定律,输出电动势ε为：

式中N为线圈匝数;v为线圈运动速度,m/s;G为漏磁场沿扫描方向的梯度即 dφ/dl。可见,对于一定的N和v,相同直径的缺陷,漏磁输出与缺陷深度成比例。早期的管道腐蚀检测器多采用线圈式传感器,其特点是结构简单、耐用。

1.2.2 霍尔传感器

在一个半导体薄片中相对的两侧面通以控制电流I,在薄片垂直方向施加磁场B,则在半导体的另两个侧面会产生一个大小与I和B乘积成正比的电动势,这就是霍尔效应,利用这一效应可制成霍尔传感器来测量磁场的大小。霍尔传感器可以在静止状态下感受磁场,其频率响应可以从直流到微波,动态输出电动势的变化可达1 000∶1。霍尔传感器体积小、寿命长,但元件存在转换效率低、温度影响较显著等缺点。目前,许多新型检测器,特别是高清晰度检测器都采用这种传感器,它的另一优点是不受检测器运动速度的影响[2]。

1.3 漏磁在线检测系统的基本结构

管道漏磁在线检测系统由管道漏磁在线检测装置、里程标定装置和数据分析处理系统三部分组成[3]。管道漏磁在线检测装置是在管道中运行的部分,以管道输送介质为行进动力,直接对管道进行在线无损检测,其结构示意图如图2所示,它由动力节、测量节、记录节和电池节四部分构成,节间采用万向节软连接。

图2 漏磁检测系统的基本结构

测量节包括磁化装置和霍尔探头。磁化装置包括永磁铁、衬铁和钢刷,其功能主要是对被测管壁进行磁化,使管壁内产生磁通。霍尔探头内装有霍尔元件和前级放大电路,利用霍尔元件就可以测量漏磁通。

记录节为测量系统的核心部分,完成对所有部件的控制和数据保存。霍尔探头检测的信号经多路模拟选通开关分别送到A/D采集卡,转换成数字量后,送给记录节内的处理器进行压缩处理,最后将压缩结果存入IDE存储介质中。

里程标定装置由管道外标记标定、管道内外时间同步标定和行走轮记录组成,完成缺陷位置的确定。

数据分析系统是由数据格式处理软件、初步分析软件和数据管理软件等组成,用于生成最终的检测结果。管道内的漏磁信号被绘成色图,可以从色图上查看缺陷及腐蚀程度,并能从里程的显示来判定缺陷及腐蚀所在的位置,作为检测或评估管道寿命的依据。

2 应用实例

新疆某油田某天然气管线始于西气东输一线主力气田,管径为φ1 016 mm,管线全长约160 km。鉴于管道完整性管理要求,油田特委托ROSEN公司对该管线进行了基于漏磁通原理的管道金属损失的内检测工作,其完整的内检测过程主要包括以下几个步骤。

2.1 管道机械清洗

机械清管的主要目的是清出管内的污物、障碍物、沉积杂质和管壁结蜡,最大程度地保证内检测效果的准确性。

ROSEN公司为确保后期内检测的准确性,连续5次使用普通机械式清管器对该管线进行了清管,最后两次(双向皮碗清管器和磁性清管器)清管作业清出的污物量＜5 L,管道清洁程度已经达到了漏磁检测器的运行要求[4]。

2.2 管道变径检测

管道变径检测是对管道的通过性能(最小通过直径)进行测试,其检测结果用于判断管道能否进行下一步的几何检测和漏磁检测。

Rosen公司对管道进行了两次变径检测,分别使用带有90%管道内径的测径盘和95%管道内径的测径盘的测径清管器进行清管。90%测径盘测得前直径为888mm,后直径为887 mm;95%测径盘测得前直径为938 mm,后直径为919 mm。而按规定最小几何检测安全内径参数为850 mm。根据检测结果,确认可以执行内几何检测。

2.3 电子几何清管器的内几何检测(EGP)

电子内几何检测是对管道内的管段、设备进行检测并模拟漏磁通检测的一项检测内容,用以推论这条管线没有影响ROSEN公司CDP检测的主要障碍。

ROSEN公司对管道进行内几何检测的结果显示,除工具经历波动或者螺纹焊缝影响区域的数据结果可能受到影响外,其他的记录数据完整,质量较好。此外,管线上的主要设备都能被检测到。

2.4 漏磁通金属损失检测(CDP)

2.4.1 设置定标点

由于内检测器的里程轮在如此长距离的管线中行走,由于打滑或者弯头的影响,很容易导致累积误差,导致以后找几何缺陷点出现困难。为了便于以后对此次漏磁检测工程中检测出来的缺陷点进行开挖验证或是进行维修补强,必须在管线的沿途对行走距离进行修正。此次检测共设置了21个BM5型跟踪器和30个BM7型定标点。平均每隔5.32 km设置一个定标点对内检测器在管线的行走距离进行修正。

2.4.2 漏磁通金属损失检测

Rosen工程公司对管道进行了智能检测,其漏磁检测器在管中的运行参数如表1。

本次检测基本实现所有检测条件,无数据/距离丢失,传感器漏失在可接受范围内,磁化等级在可接受范围内,工具平均速度为2.2m/s。

2.5 数据处理及最终报告

所有的现场检测完成后,ROSEN公司通过ROSEN 的专业数据管理软件——ROSOFT,对检测的数据进行整理分析并出具最终检测报告。

最终检测报告指出,此次内检测使用 ROSEN CDP一次性成功实施了金属损失的检测。总体看来,在磁化等级较好的区域,除阀门外,数据质量很好,可信度较高。此外,共有24个金属损失缺陷点被检测到。金属损失0%～9%,不适用;金属损失10%～19%,23个;金属损失20%～29%,1个;金属损失30%以上,无。最大壁厚损失28%,缺陷可能是环焊缝缺陷,位于管线检测距离0.19 km。报告中对于每个缺陷的描述通过金属损失特征分布图、缺陷方位图、管壁损失分布图、长度分布图、宽度分布图和深度分布图来具体表示。

2.6 最终评价

最后在管道检测结果的基础上,ROSEN公司进行了相应的归纳性建议：根据腐蚀检测分析,缺陷遵循界定的压力标准内,即无80%金属损失缺陷,无须采取补救措施。

3 结语

(1)此次管道的内几何检测和金属损失检测结果表明,管道中无影响管道本质安全的缺陷,故没有开挖验证的必要,因而报告的准确性难以从统计学上加以认定和评价。但此次管道漏磁内检测工程一次性成功运行ROSEN的EGP和CDP,得到的数据完整、清晰,再一次验证了基于漏磁通原理的管道内检测技术已经相当成熟。

(2)出具的检测报告增加了用户对管线安全的自信度,丰富了管道完整性管理的基础信息。

(3)此次检测对今后的管道完整性管理的漏磁内检测技术工作起到了很好的总结指导作用。

(4)管道漏磁内检测技术在国际上属于垄断技术,仅有少数几家公司掌握该项技术。国内在一些大学和研究机构己开始开展该技术的研究。目前,这项技术在我国虽然起步较晚,但是起点较高。现已全面开展在该技术领域内国际领先技术水平的关键技术的研究,且已取得初步成果。借助国内的技术力量,并将国际上成熟的检测成果应用到产品中去,是使我国的漏磁检测器研制水平在短时间内跻身国际先进行列的捷径。未来漏磁检测技术必将在维护管道安全生产上发挥越来越重要的作用。

[1]刘慧芳,张鹏,周俊杰,等.油气管道内腐蚀检测技术的现状与发展趋势[J].管道技术与设备,2008(5)：46.

[2]王瑞利,李斌,高强.漏磁检测与超声波检测技术应用比较[J].管道技术与设备,2006(5)：15.

[3]黄辉,何仁洋,熊昌胜,等.漏磁检测技术在管道检测中因素分析[J].检测监测,2009,23(8)：46.

[4]SY/T 6597—2004 钢质管道内检测技术规范[S].