李振北1 劉爭1 宮彥雙2 安超2 程漢華1 李衛全1

1.中油管道檢測技術(shù)有限責任公司；2.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院

 

摘要：針對雙金屬復合鋼管在使用過(guò)程中出現的內襯層腐蝕穿孔等缺陷問(wèn)題，開(kāi)展了基于脈沖渦流原理的雙金屬復合管道檢測技術(shù)研究。研制了適用于雙金屬復合管道的專(zhuān)項復合檢測器，可基于脈沖渦流原理對管道進(jìn)行金屬損失檢測。介紹了檢測器詳細設計方案及各項性能指標參數，并進(jìn)行了關(guān)鍵部件的性能測試和整機牽引測試。測試結果表明，檢測器能夠對普通鋼制管道和內襯不銹鋼雙金屬復合管道上存在的金屬損失缺陷進(jìn)行有效識別和準確量化。專(zhuān)項檢測器具有廣泛的推廣應用前景。

關(guān)鍵詞：雙金屬復合管道；內檢測器；脈沖渦流原理；多功能檢測

  

塔里木油田在國內最早將內襯不銹鋼復合管應用于集輸管線(xiàn)。內襯不銹鋼復合管道在投運過(guò)程中出現了管體腐蝕穿孔、環(huán)焊縫開(kāi)裂、環(huán)焊縫腐蝕，以及與外基管剝離塌陷產(chǎn)生夾層、褶皺變形等問(wèn)題[1]。受雙金屬復合管特殊的構造和材料屬性影響，現有無(wú)損檢測方法對于檢測評估復合管損傷均存在一定盲區。而基于脈沖渦流原理的雙金屬復合管道專(zhuān)項內檢測器可以有效解決這一問(wèn)題。

1  脈沖渦流檢測的原理及特性

1.1  基本原理

渦流檢測源于被檢測導體試件所處空間的磁場(chǎng)變化，在激勵線(xiàn)圈中通過(guò)的電流變化會(huì )使線(xiàn)圈周?chē)�產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，從而在被檢測導體試件中耦合出渦流場(chǎng)[2]。當被檢測導體試件的幾何特性、材質(zhì)屬性發(fā)生變化時(shí)，感應出來(lái)的渦流場(chǎng)被迫發(fā)生變化，以此來(lái)探知被檢測試件存在的缺陷[3]。如圖 1所示。

圖 1 渦流檢測的基本原理

由于脈沖渦流的激勵信號是具有可調占空比的方波信號，因此需要脈沖渦流的信號具有很寬的頻譜[4]。采用重復的寬頻脈沖激勵線(xiàn)圈，激勵線(xiàn)圈發(fā)出持續衰減的磁場(chǎng)信號，磁場(chǎng)信號在導體中感應出向導體內部傳播的持續衰減的渦流信號，渦流信號產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)作用在檢測線(xiàn)圈上，檢測線(xiàn)圈產(chǎn)生隨時(shí)間變化的瞬態(tài)電壓信號[5]。如圖 2所示。

圖 2 脈沖渦流無(wú)損檢測基本原理

1.2  脈沖渦流檢測的趨膚深度

趨膚深度就是電流滲入導體內的深度[6]，由于脈沖渦流的信號是方波信號，所以標準趨膚深度取基頻分量下的深度δ1為：

式中，Δ為激勵信號的脈寬，s；σ為被測金屬的電導率，s/m；μ為被測金屬的磁導率，H/m；ω1為基波角頻率，Hz。

由式（1）可知，如果想檢測深層缺陷就需要提高脈沖渦流的趨膚深度，增大激勵信號的脈寬和減小基波角頻率，可提高脈沖渦流檢測過(guò)程中的靈敏度。

1.3  剩余壁厚檢測

檢測線(xiàn)圈中產(chǎn)生隨時(shí)間變化的瞬態(tài)電壓信號，但峰值、峰值時(shí)間等早期電壓信號特征量容易受“振鈴效應”的影響。因此，可選用電壓信號晚期段斜率作為剩余壁厚檢測的特征量[7]。

2  檢測器設計

根據需求，基于脈沖渦流原理對管道進(jìn)行金屬損失檢測，同時(shí)集幾何測徑和管道中心線(xiàn)測繪功能于一體，研制一套適用于管徑406 mm雙金屬管道的專(zhuān)項復合檢測器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)專(zhuān)項檢測器）。通過(guò)高密度渦流傳感器和高采樣率對內襯管腐蝕情況進(jìn)行準確檢測和尺寸確定，用幾何測徑傳感器進(jìn)行高精度幾何測徑和凹痕尺寸檢測。最終確定檢測器的總體設計方案和各項參數性能指標（表 1）。

表 1 檢測器性能指標參數

2.1  結構設計

專(zhuān)項檢測器主體結構按功能劃分為驅動(dòng)節和檢測節，兩節之間由萬(wàn)向節串聯(lián)連接。驅動(dòng)節前、后共裝有4個(gè)碟形驅動(dòng)皮碗，最大皮碗間距為1.6 D（為管道外徑），驅動(dòng)皮碗過(guò)盈量4.7 %用以密封管輸介質(zhì)，提供驅動(dòng)力和支撐整節結構重量。驅動(dòng)節的耐壓艙體內裝有鋰電池供電系統提供電能。檢測節主要由兩個(gè)交錯安裝的檢測皮碗、里程輪總成、環(huán)焊縫識別輪總成、支撐輪總成、超低頻電磁波發(fā)射機等組成。檢測節的耐壓艙體內裝有電子系統和管道中心線(xiàn)測繪單元，如圖 3所示。

圖 3 專(zhuān)項檢測器結構

檢測皮碗采用深碟花瓣形結構型式，材質(zhì)為邵氏硬度60 HA的聚氨酯材料，在其制造階段將渦流檢測探頭嵌入并澆注在皮碗的花瓣體內[8-9]，安裝后每個(gè)花瓣體下裝有一個(gè)角度式幾何測徑探頭，用以檢測與花瓣體接觸的管道幾何尺寸變化。另外采用兩個(gè)檢測皮碗前后交錯布置方式可保證所有探頭對管道的周向全覆蓋，防止漏檢[10-11]，如圖 4所示。

圖 4 渦流檢測探頭結構（左）及周向覆蓋情況（右）

專(zhuān)項檢測器里程輪總成通過(guò)信息傳感器采集走過(guò)的里程信息，并按設定的采樣間距發(fā)送指令，觸發(fā)渦流探頭和幾何測徑探頭采集和存儲檢測數據，如圖 5（a）所示。環(huán)焊縫識別輪總成通過(guò)輪臂底端轉軸處的角度傳感器記錄數值變化，進(jìn)行環(huán)焊縫焊縫余高測量并采集檢測器經(jīng)過(guò)的環(huán)焊縫數量，對于后期數據分析和缺陷位置確定起到一定的輔助作用，如圖 5（b）所示。超低頻電磁波發(fā)射機可向外發(fā)射20 Hz～22 Hz的超低頻信號，幫助檢測人員定點(diǎn)跟蹤和設標定位檢測器所在位置。另外，檢測器內置集成管道中心線(xiàn)測繪單元完成管道中心線(xiàn)的測繪。

圖 5 里程輪總成和環(huán)焊縫識別輪總成

檢測過(guò)程中，檢測皮碗內的渦流探頭能夠拾取正常管道的壁厚信息和金屬損失情況，當遇到打孔盜油氣點(diǎn)，內襯層腐蝕穿孔、與外基管剝離產(chǎn)生夾層、褶皺和凹陷變形等工況時(shí)，渦流探頭同樣能夠拾取到相關(guān)缺陷的信息。當遇到內襯層凹陷和褶皺等管道幾何尺寸變化的工況時(shí)，由聚氨酯材料澆注而成的檢測皮碗可發(fā)生彈性形變以適應管道工況，在此過(guò)程中皮碗內側的幾何測徑探頭可檢測到皮碗的彈性形變，進(jìn)而間接獲得管道幾何尺寸的變化情況。

2.2  電子系統設計

檢測器電子系統采用模塊化設計[12]，按照功能劃分為控制模塊、激勵信號發(fā)生模塊、激勵信號放大模塊、艙門(mén)接口模塊、數據處理和存儲模塊等[13]，內部還集成了壓力、溫度和管道中心線(xiàn)測繪單元。渦流探頭與測徑探頭等通過(guò)艙門(mén)結構模塊與電子系統相連，如圖 6所示。

圖 6 檢測器電子系統結構示意圖

控制模塊根據里程脈沖信號控制激勵信號發(fā)生模塊產(chǎn)生可調幅值、頻率及占空比的脈沖電壓作為激勵信號[14]。經(jīng)激勵信號放大模塊放大后，通過(guò)艙門(mén)結構模塊輸出，作用于渦流探頭內的激勵線(xiàn)圈。激勵線(xiàn)圈在被檢測管道表面激勵出感應渦流，感應渦流的分布會(huì )因管體缺陷而產(chǎn)生變化，渦流探頭中的檢測元件拾取含有缺陷信息的感應渦流信號，并將該信號經(jīng)艙門(mén)接口模塊發(fā)送至數據采集和存儲模塊進(jìn)行處理和保存[15-16]。

3  檢測器性能測試

3.1  皮碗耐磨性能測試

在運行過(guò)程中，皮碗受到管道內壁的作用會(huì )產(chǎn)生一定的磨損。因此，在檢測器研制階段有必要開(kāi)展皮碗用聚氨酯材料的耐磨性能測試，驗證其耐磨性能是否符合制作和使用要求。

依據GB/T 9867—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐磨性能的測定（旋轉輥筒式磨耗機法）》，采用油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗室的HM-8580型DIN磨耗試驗機對皮碗用聚氨酯材料標準試樣進(jìn)行了耐磨性能的標定測試。試樣共計10件，采用模具澆注成圓柱形，直徑為16.0 mm±0.2 mm，高度為12.0 mm±0.1 mm。將試樣用10.0 N±0.2 N的垂直作用力壓緊在磨耗試驗機的輥筒上，每件試樣共進(jìn)行3次磨耗測試，磨耗行程達到40 m時(shí)自動(dòng)停機，每次磨耗測試完成后用精度為±0.1 mg的電子秤稱(chēng)量試樣質(zhì)量并記錄。

通過(guò)對30組試驗數據的處理及取平均值計算，測試結果表明：皮碗用聚氨酯材料相對體積磨耗量的平均值為36 mm3，滿(mǎn)足Q/SY 05262—2019 《機械清管器技術(shù)條件》中關(guān)于皮碗DIN 磨耗≤55 mm3的使用要求。

3.2  檢測器牽引測試

為驗證專(zhuān)項檢測器的各項性能指標是否滿(mǎn)足設計要求，開(kāi)展了專(zhuān)項檢測器在缺陷管道內的牽引測試。缺陷管道由多根管徑為406 mm的管道組成，一部分為常規壁厚的普通鋼制管道，一部分為包含內襯不銹鋼的雙金屬復合管道組成。每種管道上均包含縮徑、打孔盜點(diǎn)、凹陷變形和坑狀金屬損失等人工缺陷，另外雙金屬復合管內還存在部分內襯層與外基管剝離塌陷、褶皺變形類(lèi)的人工缺陷，如圖 7所示。

圖 7 內襯層與外基管剝離塌陷、褶皺變形類(lèi)缺陷

牽引測試方案是將鋼絲繩穿過(guò)缺陷管道，兩端分別與檢測器和叉車(chē)相連；通過(guò)上位機聯(lián)調控制檢測器進(jìn)入檢測狀態(tài)；然后讓叉車(chē)分別以0.5 m/s、1.0 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s和4 .0 m/s的牽引速度牽引檢測器通過(guò)缺陷管道；驗證不同速度條件下專(zhuān)項檢測器對缺陷的檢測能力（圖 8）。牽引測試過(guò)程中，管外的聲波接收定位儀能夠接收到檢測器上超低頻聲波發(fā)射機發(fā)射的超低頻聲波信號，并記錄檢測器的通過(guò)信息。

圖 8 Φ406 mm專(zhuān)項檢測器的牽引測試示意圖

測試結果表明，在0.5 m/s～4.0 m/s牽引速度條件下，專(zhuān)項檢測器能夠準確識別普通鋼制和內襯不銹鋼雙金屬復合管道內存在的坑狀金屬損失、幾何縮徑、打孔盜點(diǎn)、凹陷變形、復合管內襯層塌陷和褶皺、內表面坑狀金屬損失等缺陷，對缺陷尺寸進(jìn)行精確量化，并與里程信息準確對應。說(shuō)明專(zhuān)項檢測器各項性能指標滿(mǎn)足設計要求，具備工業(yè)現場(chǎng)應用的條件。

4  結語(yǔ)

基于對脈沖渦流原理的技術(shù)研究，研制了適用于管徑406 mm雙金屬復合管道的專(zhuān)項內檢測器，集渦流檢測、幾何測徑檢測、管道中心線(xiàn)測繪等功能于一體，能有效識別和量化管道缺陷。對于解決內襯不銹鋼雙金屬復合管道檢測難題，提升油田管網(wǎng)事故預防和災害控制技術(shù)水平，保障油田集輸管道的安全平穩運行，具有重要的現實(shí)意義。

受限于脈沖渦流原理，檢測精度對傳感器與被檢管壁之間的提離較為敏感，在應用過(guò)程中提離大小受傳感器支撐結構，檢測器在役運行速度的平穩性，管道內的清潔度及凹陷變形和褶皺區的大小等多種因素的影響。需要在今后的研究中結合測試和工程實(shí)踐不斷進(jìn)行改進(jìn)完善和優(yōu)化，保證傳感器提離的一致性。

 

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作者簡(jiǎn)介：李振北，1986年生，高級工程師，2017年博士畢業(yè)于機械科學(xué)研究總院機械設計及理論專(zhuān)業(yè)，現主要從事管道內檢測技術(shù)與設備的研發(fā)工作。聯(lián)系方式：0316-2074813轉8005，lizhenbei1986@126.com。