漏磁检测技术在咸阳-宝鸡天然气输气管道中的应用

2021-09-23孙艳彬梁思维

石油管材与仪器 2021年4期

孙艳彬，梁思维

(陕西省天然气股份有限公司陕西西安 710016)

0 引言

管道内检测是指利用在管道内运行的可实时采集并记录管道信息的检测器所完成的检测，也叫智能检测、智能清管，是管道完整性管理工具之一。新建管道应在投产后3 a内进行首次内检测(也称基线检测)，可作为管道验收的依据，也可获取管道原始信息，为后期管道运行管理提供基础数据。再检测间隔根据内检测及完整性评价结果确定，最长不应超过8 a，可根据管道运行年限、运行环境、防腐层损坏程度等影响因素适当缩短检测周期。周期性的内检测可以掌握管道缺陷的分布和变化规律，制定科学合理的检修计划[1-3]，为管道安全运行提供依据。为了研究漏磁检测技术在天然气管道中的应用，以咸阳-宝鸡天然气输气管道(以下简称“咸宝线”)内检测作业为例，从前期准备工作、漏磁检测法的应用、检测数据处理、检验结果验证4个方面对漏磁检测技术全过程进行分析研究。

1 前期准备工作

检测前检测服务方对咸宝线管道建设、维修及维护情况进行了全面细致的现场勘察，充分了解管道的物理特性，包含管道规格及材质、收发球筒适用性、清洁程度及有无内涂层等；了解输送流体的特性，包含管道运输流体类型、压力、温度、流量等。检测服务方根据勘察结果和检测要求从检测精度和能力、灵敏度、目标缺陷类型识别能力、量化精度、定位精度及评价要求等多方面考虑选择确定了检测器，并明确提出检测器运行的各项工艺要求。勘察过程中如果发现不满足检测器通过性能指标的管道及附属设施，检测服务方应提出改造意见，或对检测器进行改造，使得检测器满足要求[4]。经过对咸宝线勘察后发现咸宝线除运行工艺条件需调整外，其他方面均满足检测器运行要求，我公司通过调整干支线连接状态、管道下载量等多种方式使咸宝线工艺条件满足检测器运行要求。

2 漏磁检测法的应用

2.1 检测前清管作业

内检测作业前，由于管道内部状况尚不清楚，会使运行检测器存在很多不确定因素。天然气长输管道中的黑粉会导致管道内径减少、摩阻力增大，造成检测器卡堵、偏磨，而黑粉覆盖检测器探头会造成检测精度降低；管道建设时施工不规范、管道管件制造不达标、运行过程中第三方施工导致管道变形等情况都会影响检测器通过，造成检测器卡堵甚至损伤。因此，在投运检测器前需利用清管器清除管道内黑粉等杂质，通过清管器在管道内运行状况的分析、运行前后数据的对比、磨损部位和程度的判断，初步了解管道内部状况，为保障检测器顺利运行、检测数据完整可靠提供保障[5-6]。

2.1.1 投运通过能力强的清管器

每条管道运行年限、输气量、气质等情况各不相同，选择的清管器类型和清管次数也有所不同，但首次清管一般使用通过性能高、不宜造成卡堵的清管器，以便初步判断管道清洁度以及通过能力。为了保险起见，咸宝线采用先运行泡沫清管器，再运行该线路常用的皮碗清管器的方式，通过清管初步判断管道内没有大量变形等影响清管器通过的情况，但黑粉量较大。

2.1.2 投运钢刷磁力清管器

初步确认管道通过能力后，需要清除管道内杂质使管道内清洁度达到漏磁检测器运行要求，可以通过钢刷清管器刮除附着在管壁上的杂质，利用磁力清管器吸附管道内铁磁性杂质。为了提高清管效率，咸宝线采用的是将钢刷清管器与磁力清管器结合的方式一次性完成刮除和吸附，但如果是有内涂层的管道则需用尼龙刷替换钢刷，防止钢刷损伤管道内涂层。

2.1.3 投运测径清管器

在漏磁检测前至少需投运一次带测径板的清管器，测径板的直径不应小于检测器的最小通过直径，通过测径板损伤情况，及时分析损伤原因，进一步判断管道通过能力[7-8]。咸宝线通过测径清管器判断出可能存在影响检测器通过的情况，但影响因素有很多种，可能是管道变形、阀门阀位不正、干线放空管伸入量过大等原因，可投运几何变形检测器精准定位并进一步分析。

2.2 几何变形检测器

投运几何变形检测器费用较高，但可避免盲目投运漏磁检测器带来的风险，为了保证漏磁检测作业顺利进行同时获得管道几何变形缺陷数据，我公司决定在咸宝线漏磁检测作业前投运几何变形清管器进一步了解管道内部状况。几何变形检测器不仅能精确定位管道变形的部位、时钟方位，同时可以测得管道的几何参数，如曲率半径、椭圆度、凹陷程度等，以及管道内介质的操作数据，如流速、压力、温度等，为后续漏磁检测提供了必要的保障。

几何变形检测器的主体结构同其清管器的主体结构相同，只是增加了测量装置、电子仪器、记录仪器和里程表，多个涡流记录通道和额外的电子机械距离记录通道，可做到360°圆周覆盖，如图1所示，其中白色箭头表示检测器运行方向，红色箭头表示涡流记录通道，避免检测器被管道内的杂质干扰，可提供准确的测量数据。

图1 几何变形检测器工作原理示意图

几何变形检测器通过管道的某一个特征点时，一个特定的信号就会产生，检测服务方对各种特征进行分类记录，通过计算对其进行区分、辨别，确定缺陷信息。

咸宝线通过运行几何变形检测器获取了管道几何变形缺陷数据，没有影响漏磁检测器通过的变形缺陷，同时判断出导致测径清管器变形的原因是沿线一个干线阀门阀位不正，检测结果显示该阀门开位有5°左右偏差，根据检测结果对阀门限位进行调整后再次运行测径清管器测，测径板无损伤变形情况，分析后认为可以投运漏磁检测器。

当然，如果管道弯头和内径信息可靠，且完整性管理评价不需要实施变形评价，可使用带测径板的清管器或模拟器代替变形检测器。通过将清管器按照检测器尺寸进行改造或投运退役的检测器模拟检测所需工况条件，同时可在模拟器上安装管道数据记录器(PDL)记录模拟器运行信息，通过对运行结果分析调整运行工况，并有针对性的对检测器进行改造。

2.3 漏磁检测器

投运清管器、几何变形检测器最终目的是实施漏磁检测，漏磁检测是内检测作业最后、也是最核心的步骤。咸宝线通过一系列的清管作业使管道内清洁度达到了运行漏磁检测器的要求，通过投运几何变形检测器确定了管道变形状况，处理了影响漏磁检测器通过的因素，达到了漏磁检测器的运行要求。

漏磁检测是基于磁通量泄漏的工作原理，在管壁的金属损失处会引起磁通量泄漏到管壁外面，这些泄漏的磁通量可被传感器检测到[9-10]，作为管道金属损失缺陷分析的特征信号，如图2所示，可精准地检测并定位管道金属损失缺陷。另外，漏磁检测器需要配合地面标记器一同使用，以便更加精准的定位特征信号，而检测结果也需要专业人员和软件进一步分析获取。

图2 漏磁检测器工作原理示意图

通过漏磁检测发现咸宝线存在多处金属损失缺陷，但检测结果是否准确、缺陷处置方案的制定需要通过开挖验证后确认，通过开挖咸宝线多处缺陷点对比缺陷类型、特征、位置等特征参数发现检测报告数据与现场开挖验证结果基本一致，误差在允许范围，进一步验证了漏磁检测技术的可靠性，为后续制定管道维护计划、确定再检测周期提供了依据，避免因缺陷未及时发现带来的安全风险。

2.4 地面标记器

地面标记器是检测器的配套设备之一，也是检测器提高定位精度的主要辅助设备，它能够检测并记录检测器通过设标参考点的时间，检测前应通过地面标记器等坐标工具设标，将检测器与地面标记器数据相结合，对缺陷和特征进行准确定位[11-13]，设标间距宜为1～2 km。因地面标记器通过蓄电池供电，续航时间有限，为防止因电池电量不足导致的数据丢失，咸宝线在检测时间确定后提前一天开始埋设。

2.5 定位装置

此外，清管器、检测器运行过程中，需确认其通过各监听点时间，且运行过程中可能因工艺条件、管道变形等原因引起停球、卡球等现象，为保证能够随时检测到其在管道内的运行位置，需配套使用定位装置。定位装置包括：带有接收天线的手持定位仪和安装在清管器、检测器上的信号发射装置。检测定位装置基于一个安装在清管或检测设备上能够发出低频脉冲的电磁发射器，将脉冲信号透过管壁发射到手持定位仪上，如图3所示，来实现定位功能，手持接收器可记录清管器、检测器运行通过时间，借助于设备内置接口可以将存储的数据传到电脑上，以便更直观的观察检测器的运行情况。

图3 定位装置工作原理示意图

3 检测数据处理及检测报告

3.1 检测数据完整性

检测器运行后，传感器的物理损坏、通道数据丢失或噪声覆盖，以及运行速度等都可能造成检测数据丢失，故内检测作业完成后首先要确认检测数据的完整性，各通道信号应清晰、完整，地面标记器数据应健全，然后对检测数据进行预处理，如出现数据不完整，且影响检测结果有效性的情况，应根据数据缺失情况安排进行再检测。由于咸宝线在检测作业前做了充分的准备工作，检测作业过程开展顺利，数据完整健全。

3.2 检测数据预处理

应在现场完成检测数据预处理，如变形量超过管道外径5%的几何变形缺陷的相关信息、金属损失大于管道公称壁厚50%以上的金属损失缺陷的相关信息等，并根据预处理结果出具现场报告[14]。经过对咸宝线数据进行预处理，虽然该管线已运行近20 a，但管道状态较好，未出现超过管道外径5%的几何变形缺陷和金属损失大于管道公称壁厚50%以上的金属损失缺陷。

3.3 检测报告

经过检测服务方对数据进行计算分析提供了最终检测报告，报告中包含缺陷点特征的类型、尺寸、时钟方位、里程位置等具体信息及分布图，如图4所示(其中FLOW代表介质流向；OD代表管道外径；looking d/s看向下游的时钟界面图，d—down，s—stream)，以及管道长度、壁厚、走向等基础信息，没有发现信息缺失，如已知的阀门或大内径三通等特征遗漏或没有记录，则需根据数据缺失情况判断是否需要重新运行检测器。

图4 缺陷点特征信息示意图

咸宝线管道整体状况较好，缺陷多为金属损失缺陷，但实际上内检测可以检测出多种缺陷，常见缺陷主要有金属损失缺陷(包括外腐蚀、内腐蚀、划痕等)、类裂纹缺陷(包括应力腐蚀开裂、疲劳裂纹、氢致裂纹等)、变形(凹陷、鼓胀、椭圆度等)以及各种部件(包括阀门、配件、弯头等)。图5是典型的信号样本，它代表了管道的某种特征，其中：横坐标是记录里程；纵坐标是不同时钟方位传感器通道记录的数据。

图5 典型信号样本

4 检测结果验证和利用

4.1 结果验证

根据管道运行状况、管线长度、场站(阀室)间距、缺陷点分布情况、地理位置条件等，在检测报告中选择合适的缺陷点进行开挖验证、测绘，每个场站(阀室)间距验证点宜为2个，每条管道的验证点应不少于5个[14]，咸宝线选择了10处缺陷点进行开挖验证。通过检测报告中缺陷点的里程位置、参考桩、距目标环焊缝距离、时钟位置等确定缺陷位置，对缺陷进行测量，将现场实测结果与检测结果进行对比，如图6所示，其中图6(a)横坐标代表记录里程；第一个纵坐标代表距12:00方向周向距离；第二个纵坐标代表时钟方位；FLOW代表介质流向。对缺陷修复后防腐、回填[15]，并由检测服务方出具缺陷评价报告，明确提出修复意见及再检测周期。

图6 检测缺陷信号与现场开挖验证结果对比

4.2 缺陷修复

开挖验证后对严重缺陷需进行修复，通常采用堆焊、补丁、套筒、夹具、复合材料等方式对缺陷进行修复，使管道重新达到设计承压能力，有效防止管道事故的发生，保证管道的安全平稳运行[16]。通过对各种修复补强从安全风险、补强效果、施工工艺、维修成本及服役寿命等方面进行综合对比，咸宝线有2处严重缺陷采用了碳纤维复合材料进行修复补强，不仅可以使管道恢复正常使用条件，而且减少了换管带来的社会影响和气量损失，其余缺陷根据检验结果确定再检测周期。

4.3 数据对比分析

随着管道完整性管理的全面开展，部分天然气长输管道已开展过多轮次内检测，但不同轮次的内检测数据应进行关联对比，使管道内检测缺陷评价、维修计划制定、再检测周期确定等更加科学准确，充分利用其数据作为管道完整性管理的重要依据[17]。对于管道运营方而言，不应将查找并修复影响管道完整性的本体缺陷作为唯一目的，还应全面掌握缺陷的成因、发展趋势以及如何终止或者减缓缺陷的增长[18-19]。