【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 技術(shù)油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座油氣管道無損檢測(cè)技術(shù)管道作為大量輸送石油、氣體等能源的安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸手段,在世界各地得到了廣泛應(yīng)用,為了保障油氣管道安全運(yùn)行,延長(zhǎng)使用壽命,應(yīng)對(duì)其定期進(jìn)行檢測(cè),以便發(fā)現(xiàn)問題,采取措施。一、管道元件的無損檢測(cè)（一）管道用鋼管的檢測(cè)埋地管道用管材包括無縫鋼管和焊接鋼管。對(duì)于無縫鋼管采用液浸法或接觸法超聲波檢測(cè)主要來發(fā)現(xiàn)縱向缺陷。液浸法使用線聚焦或點(diǎn)聚焦探頭,接觸法使用與鋼管表面吻合良好的斜探頭或聚焦斜探頭。所有類型的金屬管材都可采用渦流方法來檢測(cè)它們的表面和近表面缺陷。對(duì)于焊接鋼管，焊縫采用射線抽查或100 %檢測(cè)，對(duì)于100 %檢測(cè)，通常采用X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)。（二）管道用螺栓件對(duì)于直徑 50 mm 的鋼螺栓件需采用超聲來檢測(cè)螺栓桿內(nèi)存在的冶金缺陷。超聲檢測(cè)采用單晶直探頭或雙晶直探頭的縱波檢測(cè)方法。二、管道施工過程中的無損檢測(cè)（一）各種無損檢測(cè)方法在焊管生產(chǎn)中的配置國外在生產(chǎn)中常規(guī)的主要無損檢測(cè)配置如下圖一中的A、B、C、E、F、G、H工序。我國目前生產(chǎn)中的檢測(cè)配置主要崗位如下圖中的A、C、D、E、F、G、H工序。油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座圖一 大口徑埋弧焊街鋼管生產(chǎn)無損檢測(cè)崗位配置（二）超聲檢測(cè)全自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)目前在國外已被大量應(yīng)用于長(zhǎng)輸管線的環(huán)焊縫檢測(cè)，與傳統(tǒng)手動(dòng)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)相比，其在檢測(cè)速度、缺陷定量準(zhǔn)確性、減少環(huán)境污染和降低作業(yè)強(qiáng)度等方面有著明顯的優(yōu)越性。全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)采用區(qū)域劃分方法，將焊縫分成垂直方向上的若干個(gè)區(qū)，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對(duì)其進(jìn)行分區(qū)掃查，檢測(cè)結(jié)果以雙門帶狀圖的形式顯示，再輔以TOFD(衍射時(shí)差法)和B掃描功能，對(duì)焊縫內(nèi)部存在的缺陷進(jìn)行分析和判斷。全自動(dòng)超聲波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)情況復(fù)雜，尤其是軌道位置安放的精確度、試塊的校準(zhǔn)效果、現(xiàn)場(chǎng)掃查溫度等因素會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，因此對(duì)檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判需要對(duì)多方面情況進(jìn)行綜合考慮，收集各種信息，才能減少失誤。（三）射線檢測(cè)射線檢測(cè)一般使用X 射線周向曝光機(jī)或γ射線源，用管道內(nèi)爬行器將射線源送入管道內(nèi)部環(huán)焊縫的位置，從外部采用膠片一次曝光，但膠片處理和評(píng)價(jià)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，往往影響管道施工的進(jìn)度，因此，近年來國內(nèi)外均開發(fā)出專門用于管道環(huán)焊縫檢測(cè)的X 射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)設(shè)備。油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座圖二 管道環(huán)焊縫自動(dòng)掃描X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)圖二為美國Envision公司生產(chǎn)的管道環(huán)焊縫自動(dòng)掃描X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，該設(shè)備采用目前最先進(jìn)的CMOS成像技術(shù)，用該設(shè)備完成Φ 609mm(24 in)管線連接焊縫的整周高精度掃描只需1～2 min，掃描寬度可達(dá)75 mm，該設(shè)備圖像分辨率可達(dá)80μm，達(dá)到和超過一般的膠片成像系統(tǒng)。（四）磁粉檢測(cè)磁粉檢測(cè)的基礎(chǔ)是缺陷處漏磁場(chǎng)與磁粉的磁相互作用。鐵磁性材料或工件被磁化后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面或近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下目視可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、形狀和大小。國內(nèi)很少對(duì)焊管坡口面進(jìn)行磁粉檢測(cè)。國外使用的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，主要采用熒光磁懸液濕法檢測(cè)。自動(dòng)磁粉檢測(cè)設(shè)備采用磁化線圈在鋼管壁厚方向?qū)ζ驴诿婢植看呕瑫r(shí)在坡口表面噴灑熒光磁懸液，憑借在該部位裝置的高分辨率攝像系統(tǒng)，將磁化、磁懸液噴灑區(qū)域的影像傳輸在旁邊的監(jiān)視屏上，操作人員監(jiān)視屏幕，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)磁痕影像，找出缺陷。磁粉檢測(cè)適用于檢測(cè)鐵磁性材料表面和近表面的缺陷，因此對(duì)于奧氏體不銹鋼和有色金屬等非鐵磁性材料不能用磁粉檢測(cè)的方法進(jìn)行探傷。由油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座于馬氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼具有磁性，因此可以進(jìn)行磁粉檢測(cè)。磁粉檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)表面和近表面的裂紋、夾雜、氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，但難以發(fā)現(xiàn)表面淺而寬的凹坑、埋藏較深的缺陷及與工件表面夾角極小的分層。三、鋼質(zhì)管道管體無損檢測(cè)技術(shù)鋼質(zhì)管道管體的無損檢測(cè)，主要就是管體的完整性（如剩余壁厚、管道缺陷、表面腐蝕形態(tài)、腐蝕產(chǎn)物類型、腐蝕深度等）檢測(cè)。表一列出了目前常用的管道檢測(cè)技術(shù)及其檢測(cè)內(nèi)容。表一 管道檢測(cè)技術(shù)分類（一）彈性波檢測(cè)技術(shù)彈性波檢測(cè)是利用管道泄漏引起的管道內(nèi)壓力波的變化來進(jìn)行診斷定位，一般可分為聲波、負(fù)壓力波和壓力波三種。其主要工作原理是利用安置好的傳感器來檢測(cè)管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的彈性波并進(jìn)行探測(cè)定位。這種技術(shù)的關(guān)鍵是區(qū)分正常操作時(shí)和發(fā)生泄漏時(shí)的彈性波。目前有兩種方法，一油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座種是利用硬件電路的延時(shí)來進(jìn)行信號(hào)過濾，另一種是結(jié)合結(jié)構(gòu)模式識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來區(qū)分正常操作時(shí)和發(fā)生事故時(shí)產(chǎn)生的不同波形，從而更好地監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)行。（二）漏磁通檢測(cè)技術(shù)漏磁式管道腐蝕檢測(cè)設(shè)備的工作原理是利用自身攜帶的磁鐵，在管壁圓周上產(chǎn)生一個(gè)縱向磁回路場(chǎng)。如果管壁沒有缺陷，則磁力線封閉于管壁之內(nèi)，均勻分布。如果管內(nèi)壁或外壁有缺陷，則磁通路變窄，磁力線發(fā)生變形，部分磁力線將穿出管壁產(chǎn)生漏磁。漏磁檢測(cè)原理圖三所示。圖三 漏磁檢測(cè)原理漏磁場(chǎng)被位于兩磁極之間的緊貼管壁的探頭檢測(cè)到，并產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后被記錄到檢測(cè)器上的存儲(chǔ)器中，檢測(cè)完成后，再通過專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放處理、判斷識(shí)別。從整個(gè)檢測(cè)過程來說，漏磁檢測(cè)可分為圖四所示的四個(gè)部分：圖四 漏磁檢測(cè)流程圖漏磁檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；較高的檢測(cè)可靠性；（2）可以實(shí)現(xiàn)缺陷的初步量化；（3）在管道檢測(cè)中，厚度達(dá)到30mm的壁厚范油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座圍內(nèi)，可同時(shí)檢測(cè)內(nèi)外壁缺陷；（4）高效，無污染，自動(dòng)化的檢測(cè)可以獲得很高的檢測(cè)效率。漏磁檢測(cè)技術(shù)的局限性：（1）只適用于鐵磁材料；（2）檢測(cè)靈敏度低；（3）缺陷的量化粗略；（4）受被檢測(cè)工件的形狀限制由于采用傳感器檢測(cè)漏磁通，漏磁場(chǎng)方法不適合檢測(cè)形狀復(fù)雜的試件；（5）漏磁探傷不適合開裂很窄的裂紋，尤其是閉合型裂紋；（6）不能對(duì)缺陷的類型或者缺陷的嚴(yán)重程度直接作定量性的分析。（三）超聲波檢測(cè)技術(shù)管道超聲檢測(cè)是利用現(xiàn)有的超聲波傳感器測(cè)量超聲波信號(hào)往返于缺陷之間的時(shí)間差來測(cè)定缺陷和管壁之間的距離；通過測(cè)量反射回波信號(hào)的幅值和超聲波探頭的發(fā)射位置來確定缺陷的大小和方位。圖五為超聲波檢測(cè)原理圖, 圖中Wt代表管道正常壁厚, SO代表超聲波探頭與管道內(nèi)表面間的標(biāo)準(zhǔn)位移。圖五 超聲波檢測(cè)原理圖超聲波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）檢測(cè)速度快，檢測(cè)成本低；（2）檢測(cè)厚度大，靈敏度高；（3）缺陷定位較準(zhǔn)確；（4）對(duì)細(xì)微的密閉裂紋類缺陷靈油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座敏度高。超聲波檢測(cè)的缺點(diǎn)：（1）由于受超聲波波長(zhǎng)的限制，該檢測(cè)法對(duì)薄管壁的檢測(cè)精度較低，只適合厚管壁，同時(shí)對(duì)管內(nèi)的介質(zhì)要求較高；（2）當(dāng)缺陷不規(guī)則時(shí)，將出現(xiàn)多次反射回波，從而對(duì)信號(hào)的識(shí)別和缺陷的定位提出了較高要求；（3）由于超聲波的傳導(dǎo)必須依靠液體介質(zhì)，且容易被蠟吸收，所以超聲波檢測(cè)器不適合在氣管線和含蠟高的油管線上進(jìn)行檢測(cè)，具有一定局限性。（四）電磁超聲檢測(cè)電磁超聲技術(shù)（EMAT）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的無損檢測(cè)新技術(shù)。這一技術(shù)是以洛侖茲力、磁致伸縮力、電磁力為基礎(chǔ)，用電磁感應(yīng)渦流原理激發(fā)超聲波。電磁超聲的發(fā)射和接收是基于電磁物理場(chǎng)和機(jī)械波振動(dòng)場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)化，兩個(gè)物理場(chǎng)之間通過力場(chǎng)相互聯(lián)系。從物理學(xué)可知，在交變的磁場(chǎng)中，金屬導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流，同時(shí)該電流在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛侖茲力的作用，而金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波，頻率在超聲波范圍內(nèi)的應(yīng)力波即為超聲波。與之相反，該效應(yīng)具有可逆性，返回聲壓使質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)在磁場(chǎng)作用下也會(huì)使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，因此可以通過接收裝置進(jìn)行接收并放大顯示。人們把用這種方法激發(fā)和接收的超聲波稱為電磁超聲。與傳統(tǒng)壓電超聲換能器相比，EMA的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）非接觸檢測(cè)，不需要耦合劑；（2）可產(chǎn)生多種模式的波，適合做表面缺陷檢測(cè)；（3）適合高溫檢測(cè)；（4）對(duì)被探工件表面質(zhì)量要求不高；（5）在實(shí)現(xiàn)同樣功能的油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座前提下，EMAT探傷設(shè)備所用的通道數(shù)和探頭數(shù)都少于壓電超聲；（6）發(fā)現(xiàn)自然缺陷的能力強(qiáng)，對(duì)不同的入射角有明顯的端角反射，對(duì)表面裂紋檢測(cè)靈敏度較高。EMA的缺點(diǎn)：（1）EMAT的換能效率要比傳統(tǒng)壓電換能器低20—40dB；（2）探頭與試件距離應(yīng)盡可能??；（3）EMAT僅能應(yīng)用于具有良好導(dǎo)電性能的材料中。（五）渦流檢測(cè)技術(shù)渦流檢測(cè)技術(shù)是目前采用較為廣泛的管道無損檢測(cè)技術(shù)，其原理為：當(dāng)一個(gè)線圈通交變電時(shí)，該線圈將產(chǎn)生一個(gè)垂直于電流方向（即平行于線圈軸線方向）的交變磁場(chǎng)，把這個(gè)線圈靠近導(dǎo)電體時(shí)，線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)電體中感應(yīng)出渦電流（簡(jiǎn)稱渦流），其方向垂直于磁場(chǎng)并與線圈電流方向相反。導(dǎo)電體中的渦流本身也要產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)發(fā)生作用，使通過線圈的磁通發(fā)生變化，這將使線圈的阻抗發(fā)生變化，從而使線圈中的電流發(fā)生變化。通過監(jiān)測(cè)線圈中電流的變化（激勵(lì)電流為恒定值），即可探知渦流的變化，從而獲得有關(guān)試件材質(zhì)、缺陷、幾何尺寸、形狀等變化的信息。渦流檢測(cè)技術(shù)可分為常規(guī)渦流檢測(cè)、透射式渦流檢測(cè)和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)。常規(guī)渦流檢測(cè)受到趨膚效應(yīng)的影響，只適合于檢測(cè)管道表面或者亞表面缺陷，而透射式渦流檢測(cè)和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)則克服了這一缺陷，其檢測(cè)信號(hào)對(duì)管內(nèi)外壁具有相同的檢測(cè)靈敏度。其中遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法具有檢測(cè)結(jié)果便于自動(dòng)化檢測(cè)(電信號(hào)輸出)、檢測(cè)速度快、適合表面檢測(cè)、適用范圍廣、安全方便以及消耗的物品最少等特點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國家得到廣泛的重視，廣泛用于在油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座用管道的檢測(cè)。渦流檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）檢測(cè)速度高，檢測(cè)成本低，操作簡(jiǎn)便；（2）探頭與被檢工件可以不接觸，不需要耦合介質(zhì)；（3）檢測(cè)時(shí)可以同時(shí)得到電信號(hào)直接輸出指示的結(jié)果，也可以實(shí)現(xiàn)屏幕顯示；（4）能實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化檢測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)永久性記錄。渦流檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)：（1）只適用于導(dǎo)電材料，難以用于形狀復(fù)雜的試件；（2）只能檢測(cè)材料或工件的表面、近表面缺陷；（3）檢測(cè)結(jié)果不直觀，還難以判別缺陷的種類、性質(zhì)以及形狀、尺寸等；（4）檢測(cè)時(shí)受干擾影響的因素較多，易產(chǎn)生偽顯示。（六）激光檢測(cè)技術(shù)激光檢測(cè)系統(tǒng)主要包括激光掃描探頭、運(yùn)動(dòng)控制和定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)三個(gè)部分，利用了光學(xué)三角測(cè)量的基本原理。與傳統(tǒng)的渦流法和超聲波法相比，激光檢測(cè)（或輪廓測(cè)量）技術(shù)具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)精度高、采樣點(diǎn)密集、空間分辨力高、非接觸式檢測(cè)，以及可提供定量檢測(cè)結(jié)果和提供被檢管道任意位置橫截面顯示圖、軸向展開圖、三維立體顯示圖等優(yōu)點(diǎn)。但是激光檢測(cè)方法只能檢測(cè)物體表面，要全面掌握被測(cè)對(duì)象的情況，必須結(jié)合多種無損檢測(cè)方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短。（七）管道機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)管道機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)行走的機(jī)械，可以攜帶一種或多種傳感器，在操作人員的遠(yuǎn)端控制下進(jìn)行一系列的管道檢測(cè)維修作業(yè)，是一種理想的管道自動(dòng)化檢測(cè)裝置。油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座一個(gè)完整的管道檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)包括移動(dòng)載體、視覺系統(tǒng)、信號(hào)傳送系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。管道機(jī)器人的主要工作方式為: 在視覺、位姿等傳感器系統(tǒng)的引導(dǎo)下，對(duì)管道環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，接近檢測(cè)目標(biāo)，利用超聲波傳感器、漏磁通傳感器等多種檢測(cè)傳感器進(jìn)行信息檢測(cè)和識(shí)別，自動(dòng)完成檢測(cè)任務(wù)。其核心組成為管道環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)（視覺系統(tǒng)）和移動(dòng)載體。目前國外的管道機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，它不僅能進(jìn)行管道檢測(cè)，還具有管道維護(hù)與維修等功能，是一個(gè)綜合的管道檢測(cè)維修系統(tǒng)。四、管道外覆蓋層檢測(cè)技術(shù)（一）PCM檢測(cè)法PCM（多頻管中電流檢測(cè)法）評(píng)價(jià)的核心是遙控地ICI電流信號(hào)的張弱來控制發(fā)射到管道表ICI的電流，通過檢測(cè)到的電流變化規(guī)律，進(jìn)而判斷外防腐層的破損定位與老化程度。加載到管道上的電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)張弱與加載電流的大小成正比，同時(shí)隨著傳輸距離增大，電流信號(hào)逐漸減小。當(dāng)管道外涂層有破損時(shí)，電流通過破損點(diǎn)流向大地，該點(diǎn)處的電流衰減率突然增大，可判定外涂層破損點(diǎn)的位置。但PCM法對(duì)較近的多條管道難以分辨、在管道交叉、拐點(diǎn)處及存在交流電干擾時(shí)，測(cè)得數(shù)據(jù)誤差大。（二）DCVG檢測(cè)技術(shù)DCVG（直流電壓梯度測(cè)試技術(shù)）的原理是對(duì)管道上加直流信號(hào)時(shí)，在管道防腐層破損裸漏點(diǎn)和土壤之間會(huì)出現(xiàn)電壓梯度。在破損裸漏點(diǎn)附近部位，電流密度將增大，電壓梯度也隨著增大。普遍情況下，裸漏面積與電油氣儲(chǔ)運(yùn)前言知識(shí)講座壓梯度成正。直流電壓梯度檢測(cè)技術(shù)就是基于上述原理的。在用DCVG測(cè)量時(shí)，為了便于對(duì)信號(hào)的觀察和解釋，需要加一個(gè)斷流器在陰極保護(hù)輸出上。測(cè)量過程中，沿管線以2m的間隔在管頂上方進(jìn)行測(cè)量。DCVG的優(yōu)點(diǎn)為能準(zhǔn)確地測(cè)出防腐層的破損