一种用于长输油气埋地管道外检测系统的设计与验证

诸海博，张 军，宋华东，袁 峰，王松亭，常 伟，张文强，何 方

(国机传感科技有限公司，辽宁沈阳 110043)

0 引言

长输油气管道是工业输送石油、天然气、水和其他重要资源的载体之一，是国家能源的“大动脉”，有着重要的战略意义[1-2]。截止目前，全球现役油气管道约3 800条。

通常情况下，管道在铺设时外壁均带有防腐层，回填后施加阴极保护系统。由于管道长期处于埋地状态，其自身防腐层易被土壤环境所影响，导致防腐层破损、剥离等现象[3]，这就会造成管道自身的腐蚀。由此可知，管道防腐层的破损对埋地管道的安全运营有着重大的安全隐患，所以检测并评价埋地管道防腐层状态具有重要意义[4]。

目前检测埋地管道防腐层有2种技术，一种是交流电压梯度技术，另一种是直流电压梯度技术[5]。这些技术均有各自的特点，但由于其单一的检测方式获得的管道数据不全面[6]。所以现寻求一种新的检测技术将各种检测数据融合、对齐，增加数据的关联性，更好地评价管道的安全程度。

本文介绍了一种埋地管道综合外检测系统HB-XLI，该系统由探管仪、GPS定位、检测探仗、多功能综合采集器、声呐系统、手持平板构成。通过试验验证系统的功能，并将数据与现有检测方式的数据进行对比分析。

1 综合外检测系统设计

综合外检测系统HB-XLI包括探管仪、检测探仗、多功能综合采集器、手持平板、GPS定位、声呐系统等。综合外检测系统HB-XLI如图1所示。

图1 综合外检测系统框图

1.1 探管仪

探管仪如图2所示，探管仪(包括接收机与发射机)工作原理：对目标管道施加一个定频的交流信号，激励信号自发射点开始沿着管道传播(管中电流信号强度将随着管道距离的增加而衰减)，电流流经管道时，在管道周围产生磁场，利用接收机在管道上方可检测到激励信号的强度。本文研制的探管仪包括128 Hz、640 Hz、1 280 Hz 3个主动信号和50 Hz、100 Hz2个被动信号，可更好地检测管道路径。

图2 探管仪

1.2 检测探仗

检测探仗如图3所示。检测探仗主要用来检测埋地管道在防腐层破损时泄漏出的交流电压梯度(ACVG)与直流电压梯度(DCVG)。目前，该检测探仗采用轻便的碳纤维材料制作，采用饱和硫酸铜溶液作为探针，该探仗可同时采集埋地管道ACVG与DCVG/CIPS的信号[7]，并根据后续的信号处理来区分2种信号的特性。

图3 检测探仗

1.3 多功能综合采集器

多功能综合采集器如图4所示。多功能综合采集器主要功能是在同一时间、同一检测点收集各设备的检测信号，并进行数据存储与数据关联。其包括蓝牙通信、RS422串口通信、WiFi通信、A/D采集等通信模块，同时也包括控制核心系统、存储单元、电池管理模块等。多功能综合采集器系统框图如图5所示。

图4 多功能综合采集器

图5 多功能综合采集器系统框图

1.4 其他设备

声呐设备如图6所示。声呐设备主要用于管道跨河时，探测水面到河床的深度，辅助探管仪对河床下的管道进行检测。

图6 声呐设备

GPS设备如图7所示。GPS设备将采用亚cm级定位系统，其主要用来对检测点进行精确的定位，为未来的开挖验证提供有力的保障，同时可根据检测点进行坐标绘制，绘制出管道走向[8]。

图7 GPS设备

手持平板如图8所示。手持平板采用军用等级，并配有WiFi模块，可用来与多功能综合采集器进行实时通信。其作用是在检测过程中，多通道综合采集器接收各设备的完整信息实时传送给手持平板中，使操作人员更好地获取管道信息。

图8 手持平板

2 综合外检测设备试验与数据对比

本文研发的综合外检测设备整机如图9所示。为了更好地验证设备整机的整体性能，对该设备进行对比试验与分析，将获取的数据与目前市场上主流外检测设备(PCMx)测试的数据进行比较。

图9 综合外检测整机设备

2.1 试验环境

针对外检测综合采集系统HB-XLI的测试包括实验室环境与野外环境。实验室环境主要检测ACVG、DCVG、CIPS等电信号，检测信号与PCMx或福禄克F289电压表进行比较。室外环境主要测试探管仪的埋深，检测信息与PCMx进行比较，并测试各设备之间的通信情况。

室外试验是采用通电导线代替通电管道，选择合适的地点进行坑土作业，并埋入一段导线，采取发射机直接连接导线终端，并采用PCMx的发射机通0.1 A的混频交流电进行测试(所有检测均以PCMx为准)。

本次实验室测试主要测量ACVG、DCVG、CIPS的电信号等，采用盐水模拟土壤环境，剥落线皮的导线模拟防腐层破损的管道，交流发射机发射0.1 A混频交流信号，直流电压源发射25 V/1.6 A信号。

2.2 探管仪数据分析

探管仪主要用来探测管道埋深。通过在试验环境中使用探管仪与PCMx设备测试的对比结果如表1所示。

表1 埋深对比 m

2.3 ACVG数据分析

ACVG代表交流电压梯度，其在实际测量中可精确定位防腐层破损位置，并对防腐层的破损程度有一定的指导作用[9]。本次试验为室内试验，其环境如图10、图11所示，测试结果对比如表2所示。

图10 测试现场

图11 ACVG数据对比

表2 ACVG数据对比 dB

2.4 DCVG/CIPS数据分析

DCVG代表直流电压梯度，其在实际测量中可精确定位防腐层破损位置，并对防腐层的破损程度有一定的指导作用。

CIPS主要测量管道的阴极保护电位，通过测得的直流电信号判断出目标管道的阴极保护电位是否达标[10]。

本次试验为室内试验，其环境如图10所示，测试结果如图12所示，其测试结果对比见表3、表4。

图12 DCVG/CIPS数据对比

表3 CIPS数据对比 V

表4 DCVG数据对比 V

2.5 室外整机设备通信测试

通信测试主要测试综合外检测设备的有线通信与无线通信状态(5 m范围内)，其检测结果见表5。

表5 设备通信情况

2.6 软件开发及应用

管道综合外检测上位机软件是一款基于windows平台的工业数据测量软件，它充分利用windows平台稳定、开放、高速的数据传输等优势，以简单、易于使用为目标，创新性地将服务器、客户端模式搭建在无线通讯的TCP/IP架构协议上，不仅具有高速稳定的通讯速度，还具备无线通讯的快捷与方便。软件采用充分优化的数据结构，具有数据管理、分享、备份功能。

本软件是针对HB-XLI管道综合外检测系统研发的集测量、控制，数据显示、存储、分析为一体的综合性软件；与管道外检测采集器、声呐系统、GPS系统、探管仪等组成专业的管道数据采集的检测系统。系统界面如图13～图16所示。

图13 数据显示界面

图14 数据曲线显示界面

图15 文件存储界面

图16 参数设置界面

3 结束语

本文研发的长输油气埋地管道综合外检测检测器设备HB-XLI，包括探管仪、检测探仗、多功能综合采集器、手持平板、GPS定位、声呐系统。通过实验室环境与室外环境的试验，与市场主流设备的对比，验证了该设备的功能性，并得到以下结论：综合外检测设备检测数据在模拟管道环境下与现有市场主流设备保持一致；由于现场条件限制，本次试验均为模拟管道环境试验，收集数据较少，还需进行大量的现场试验。