智能内检测技术在城镇燃气管道的应用

金魏峰, 孙 静, 章卫文, 孙 凡, 方钊峰,董志明, 蔡嘉祺, 王彩虹

(1.杭州天然气有限公司, 浙江 杭州 310000; 2.国家管网集团浙江省天然气管网有限公司, 浙江 杭州 310051; 3.浙江理工大学, 浙江 杭州 310018)

1 概述

近年来,中国城镇燃气管道建设步伐不断加快,据住房和城乡建设部统计数据,截至2021年,城市天然气、液化石油气、人工煤气管道长度分别达92.909×104、2 910、9 165 km。随着我国燃气产业发展、科技不断进步、安全运营的贯彻落实,对管道实施完整性管理备受关注。

国家标准GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》颁布施行,国内油气管道的管理步入了新阶段。GB 32167—2015对长输油气管道完整性管理的内容做了详细规定,具体包括数据采集和整合、高后果区的识别、风险评价、完整性评价、风险消减与维修维护、效能评价等[1]。

由于高压城镇燃气管道与长输油气管道具有一定的相似属性,可借鉴其管道完整性管理,做好高压城镇燃气管道完整性管理相关工作,建立技术支撑的管道保护体系。在管道完整性管理中,智能内检测技术是首推检测手段和实况数据主要来源。

2 常用的智能内检测技术

根据检测原理可将检测技术分为漏磁检测技术、几何变形检测技术、压电超声波检测技术和电磁波传感检测技术等[2-4]。智能内检测技术的选择应根据管道存在的危害因素、历史检测情况和风险评估结果而确定,目前常用的是漏磁检测技术和几何变形检测技术,并结合惯性测绘检测技术。

① 漏磁检测技术

漏磁检测技术是利用永磁铁通过钢刷对管壁进行充分磁化,使其达到饱和状态。当管道中不存在缺陷时,磁力线平行于管道内部。当管道存在缺陷时,磁力线被其表面或近表面的缺陷阻隔,导致缺陷处的磁力线发生畸变。一部分磁力线漏出管道表面,形成漏磁场,传感器将获取的磁信号转化成电信号并储存,数据分析处理系统对传感器检测得到的漏磁数据进行可视化处理,生成最终的管道检测结果[2]。漏磁检测技术主要适用于金属损失、焊缝异常、管道特征(阀门、弯头、焊缝、三通等)、壁厚变化的检测,可提供缺陷尺寸、周向位置、地理方位等信息。该技术具有检测无须停输、检测环境要求低、检测结果置信度高等优点,但对管道建设条件和管输气量、压力等有一定要求。

② 几何变形检测技术

几何变形检测技术利用安装在前后皮碗之间的周向均匀分布的辐射状探测臂,探测臂均贴靠在管壁上,实时探测管道通径变化。若管壁有凹陷、褶皱等几何变形,与探测臂相连的角度传感器将机械位移量转变为电信号,经放大、处理后,储存到记录仪中[3]。变形检测器不仅可以检测到管道凹陷、椭圆度变形以及阀门、三通、焊缝、弯头等管道特征信息,还可以用于判断漏磁检测器的通过性,在管道投产前、服役时流量降低且压力增大、定期或不定期内检测等检测窗口期均可应用[5]。

③ 惯性测绘检测技术

惯性测绘检测技术是利用三维正交的陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元测量载体x、y、z方向的角速度和加速度,将采集到的信号送入计算机进行信号处理,解算出载体的姿态、速度和位置信息,从而得到载体运动轨迹。结合卫星定位技术,采用已知点坐标进行修正,可以得到载体运动三维坐标。在油气管道中心线测量中,惯性测绘检测技术通过与漏磁或变形检测器结合,不仅能够描绘出管道中心线精确坐标,还可以解算出管道缺陷、焊缝的精确坐标。该技术对管道所有特征点均可精准定位。

3 智能内检测技术应用

某城市燃气公司对所辖区域内介于两门站之间的高压城镇燃气管道试点进行完整性管理,在完成收集整理基础资料的前期工作后,对该管道进行智能内检测,为管道完整性管理提供支撑。具体如下。

3.1 管道基础资料

该条高压城镇燃气管道由三段构成,第一段管道于2005年10月投产,第二段管道于2011年1月投产,第三段管道于2017年3月投产,全长37.6 km,起于江东门站,终于北门站。途中有2个穿越段,分别是2 450 m的河流穿越段及60 m的铁路穿越段。

管道内直径610 mm,设计压力为4.0 MPa。直管段材质为L360,壁厚11.9 mm,热煨弯头、冷弯头及河流穿跨越等特殊地段管道材质为L360M,壁厚12.7 mm。

根据线路现状及当地发展情况,沿线地区为三级地区和四级地区。

3.2 实施流程

该管道自投产后从未开展过清管检测。参考GB 32167—2015,现采用智能内检测法对该管道展开检测评估工作,以实现对该管道进行完整性管理的目标。实施流程如下:首先对目标管道进行可检性评估,评估通过后进行若干次清管作业,全线清管达到要求后进入检测环节,包括几何变形检测和漏磁检测,基于收集的检测数据进行汇总分析,且对可疑管位开挖验证,最后出具检测报告。

① 管道可检性评估

对管道运行情况、沿线环境、工艺设施、收发球筒、弯管、三通、阀门等进行调查、踏勘。评估内容如下。

a.收发球装置

收发球筒尺寸、周边操作空间和工艺设施等满足清管检测设备的收、发操作条件,具备可检性。

b.弯管

弯管弯曲半径越大,清管器和检测器通过能力越好。针对本管径,清管检测设备有对应的弯管弯曲半径要求,见表1,其中泡沫清管器对弯管弯曲半径无要求。清管检测设备对弯管弯曲半径的最大要求为4D(D为管道内直径),而管道沿途冷弯管弯曲半径≥40D,热煨弯管弯曲半径=5D,均满足清管检测设备对弯管弯曲半径的要求,具备可检性。

c.三通

管道存在未安装支管挡条的三通8处,存在卡停球风险。后全部整改为清管三通,支管水平或向上安装,满足设备通过要求,具备可检性。

d.阀门

沿线过球阀门操作顺畅,性能完好,无袖管(焊接在阀门两端的短节)壁厚超范围等情况,满足清管检测要求,具备可检性。在实施过程中,过球阀门若为远程控制阀门,需进行断电并将操作档切入停止档位,避免清管过程中引起阀门误动作。

e.运行工况

管道实际运行压力为2.5～3.2 MPa,流量调节范围满足检测器运行要求,具备可检性。

f.其他

管输介质、H2S含量、运行温度等评估可接受。

基于以上评估结果,该管道通过可检性评估。

② 清管和检测作业

考虑到该管道部分管段已运行逾15 a且从未进行清管,本次清管检测过程存在污物量过大的可能,故采用了多轮次、循序渐进的作业方案。

清管和检测具体过程如下。

第1轮:首先采用过盈量为6%的泡沫清管器对管道全线清管作业2遍,初检管道基本通球能力。回收泡沫清管器完整,未见严重损伤,初判管道内结构无明显异常。

第2轮:因第1轮清出铁磁性杂质较多,故此轮采用钢刷清管器加带测径板的皮碗清管器对管道全线作业2遍,对内壁进一步清洁及对管道变形进行初检。初检结果为测径板存在1处弯曲变形,经测量,变形量满足检测器通过条件,且清出污物减少。

第3轮:采用钢刷清管器全线清管作业1遍,清除管道内表面铁锈等污物。

第4轮:采用磁力清管器全线清管作业1遍,清除管道内铁磁性杂质。

经过以上4轮清管作业后,对全线管道进行变形特征检测和漏磁特征检测。

③ 检测数据汇总分析

a.变形缺陷

本次几何变形检测共检出管道变形4处,均为管体凹陷。4处管体凹陷均位于管道底部,初步判断可能由管道底部硬物挤压造成。

b.漏磁检测

本次漏磁检测检出金属损失5 610处,其中内部金属损失5 473处,外部金属损失137处。绝大多数金属损失深度(管道腐蚀壁厚与管道壁厚的比值)小于10%,最深一处金属损失深度为15%,位于管道内部,位于检测里程3 002.218 m处,所在管道壁厚为11.9 mm。

c.焊缝异常

本次检测检出焊缝异常564处,其中环焊缝异常324处,螺旋焊缝异常1处,直焊缝异常239处。所有检测出的焊缝异常均为轻度,未检出中度、重度焊缝异常。

由于焊缝缺陷位置的特殊性,漏磁检测不能准确地对焊缝异常深度进行量化,但在数据分析时对焊缝异常的严重程度进行了分级,分为重度、中度、轻度。

d.其他

本次检测开展了剩余强度评价,在运行压力3.4 MPa下,没有需要立即维修的金属损失和需要在再检测周期内计划维修的金属损失。

④ 开挖验证

为验证内检测结果的可靠性,现就其中一处焊缝异常进行开挖验证。经目视化检查发现焊缝4:00至7:00位置表面不平整,4:00至5:00位置存在错边现象。经射线探伤检测,显示该道焊缝存在轻微咬边和错边现象,且存在较多分散气孔,但气孔直径未超量,结论焊缝合格。

另外,又选取6处异常点进行了开挖验证,包含1处凹陷、2处腐蚀造成的金属损失、1处环焊缝异常和2处未知物,其中未知物分别为钢筋混凝土锚固墩和螺旋焊缝异常增厚。对凹陷进行开挖验证,得出凹陷原因为山体岩石突出,导致管道受力变形,开挖后去除岩石,并移除位于附近管道正上方的大型树木,去除了影响条件后,缺陷回弹至正常范围。

4 内检测报告

对该高压城镇燃气管道智能内检测出具的报告主要包含以下内容。

① 检测报告及数据处理执行的标准。执行的标准为GB/T 27699—2011《钢质管道内检测技术规范》,现在此标准已作废。现行标准为GB/T 27699—2023《钢质管道内检测技术规范》,此标准于2023年5月23日实施。

② 检测工程概述。

③ 金属损失检测器技术指标。主要包括检测器长度、检测器重量、连续检测长度、最佳运行速度、最大承压能力、可通过最小弯头曲率半径、最小弯头半径、可通过最大斜接角度、可通过最大管道变形量、最小通过孔径、能否区分内外部金属损失、适用的输送介质等。

④ 资料汇总。以数据、图形的形式表示管道上全部信息,包括金属损失的分类统计结果、管道特征(例如焊缝、弯头、三通、阀门等)列表数据、地面标记点列表数据、各类过程记录表等。例如:变形检测器发收记录表、漏磁检测器发收记录表、变形检测器调试记录表、漏磁检测器调试记录表、开挖验证记录表、会议记录、方案变更等。

5 经验总结

① 对于城镇燃气管道,管道全线情况往往复杂多变,由于施工及投产时间非连续性,即使同管径管道,也常由若干不同材质及制造工艺的管材组成。在对管道进行智能内检测时,要充分考虑各类管材特征及性能,制定合理严谨的清管及检测方案。如对直缝管道清管时,应选择耐磨性更好的聚氨酯类材料的皮碗检测器,以避免检测时因磨损而导致清管效果降低或设备损坏;在管道设计环节,尽量选择挡条三通。

② 使用年限久远的管段往往沉淀有大量重烃类杂质及污垢,导致内检测过程的实施相对困难。故内检测应以该管段为出发点,然后循序渐进延伸到其他管段。

③ 在本次管道内检测过程中,途经两个大型穿越管段,其中以穿越钱塘江底管段的检测最具代表性。该管段是全线最低段,管底标高-22～-25 m,因其敷设位置的特殊性,具有杂质污垢易沉淀堆积且日常巡检困难的特点。在本次内检测过程中,解决了检测器卡顿问题后,在过江管段两岸埋设定位盒,尽管江面跨度较大,最终通过智能内检测过程,收集到了江底管段包括标点定位及管段服役现状的全部资料。

④ 无论在清管阶段还是检测阶段,都需要控制好清管检测装置的运行速度。适宜运行速度为1～3 m/s,速度过快易造成检测数据丢失,过慢则影响工作效率。

⑤ 管道智能内检测能收集到管道全线完整准确的坐标定位、管道附件、焊缝、缺陷等各类数据。可补充完善服役年限久、缺乏基建资料的管道底层数据库,为管道完整性管理实施提供可靠数据。如在本次智能内检测中,统计出该管道共有管段3 422 根(不包含阀门、三通等)。同时,检测数据显示,存在83根管段壁厚小于11.9 mm,该种壁厚管段在资料中未见(可另行核实),这也是对资料的补充或质疑。

6 结束语

城镇燃气管道往往经过人口密集区域,周边地理环境复杂多变,要对其进行完整性管理,除必需的日常巡查安检外,还可进行周期性的管道智能内检测。通过智能内检测,运营企业能及早发现危险因素,可有计划性、有针对性对管道缺陷采取措施,防止管道失效或事故发生,从而有效提升管道本体安全性,延长了管道寿命。管道智能内检测技术支持管道完整性管理,无论从安全角度还是经济角度看,都是积极有效的。