本站小編為你精心準(zhǔn)備了油氣管道內(nèi)檢技術(shù)及裝備開發(fā)參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:油氣管道內(nèi)檢測是保障油氣管道安全的最有效的技術(shù)措施之一，而近年來出現(xiàn)的高碳鋼、大管徑、高壓力、高流速油氣管道對內(nèi)檢測技術(shù)與裝備提出了新的挑戰(zhàn)。為此，在調(diào)研電磁內(nèi)檢測新技術(shù)、極低頻微弱瞬態(tài)信號檢測新技術(shù)以及油氣管道內(nèi)檢測新裝備工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，基于電磁信號的主動發(fā)射與接收實現(xiàn)金屬缺陷的檢測，研發(fā)出電磁控陣檢測器新技術(shù)與裝備；基于杜芬混沌振子對含噪信號進(jìn)行檢測，實現(xiàn)對噪聲中的極低頻信號的檢測，研發(fā)出極低頻瞬態(tài)微弱信號檢測新方法與裝備，并開展了實際檢測工程驗證。研究結(jié)果表明：①研發(fā)的電磁控陣內(nèi)檢測新技術(shù)，利用直流勵磁磁場和高頻激勵磁場協(xié)同作用的機理，僅用小信號激勵即可實現(xiàn)響應(yīng)的攝動效果；②引入采集信息成分的壓縮采樣，可突破內(nèi)檢測器的速度瓶頸，使電磁控陣檢測器的檢測速度達(dá)到創(chuàng)世界記錄的8m/s；③研發(fā)的基于混沌的極低頻微弱瞬態(tài)信號檢測新方法，可突破高速運動條件下內(nèi)檢測器管外跟蹤定位過程中接收信號微弱且持續(xù)時間短暫的技術(shù)瓶頸，將微弱瞬態(tài)信號實時檢測的信噪比降低到－10dB以下。結(jié)論認(rèn)為，該新裝備的優(yōu)越性能已經(jīng)在實際運行的油氣管道檢測工程中得到了檢驗，將為國內(nèi)主干油氣管道的安全運行提供技術(shù)支撐和設(shè)備保障。

關(guān)鍵詞:油氣管道;內(nèi)檢測;缺陷;漏磁;動磁;直流勵磁磁場;高頻激勵磁場;混沌;極低頻;信噪比

引言

油氣管道是國家能源的大命脈，為了保障石油天然氣的安全可靠供給，國家相繼投資建設(shè)了西氣東輸一線、二線、三線油氣長輸管線、中緬油氣長輸管線、中俄東線長輸天然氣管線、黃渤海深海油氣輸送管線等重要的油氣輸送基礎(chǔ)設(shè)施。其中西氣東輸二線、三線油氣長輸管線年輸送流量為300×108m3，采用X70鋼管，管徑為1219mm，壓力為12MPa，介質(zhì)流速為7～8m/s。中俄東線長輸天然氣管線設(shè)計的年輸送流量為380×108m3，采用X80鋼管，管徑為1422mm，壓力為12MPa，介質(zhì)流速為8～10m/s，工作環(huán)境溫度最低達(dá)－40℃。中俄東線長輸天然氣管線是到目前為止的超級油氣管線（超大口徑、超高強度、超高壓力、超高流速和超低溫度）。超級管道的特殊工況對管道的運行維護(hù)提出了全新挑戰(zhàn)。油氣管道的安全運行事關(guān)國家經(jīng)濟安全、社會公共安全。油氣管道事故源隱蔽，事故后果難以預(yù)料，特別是低溫下高碳鋼脆性裂紋的潛在風(fēng)險大于常規(guī)金屬損失的風(fēng)險。降低或消除油氣管線風(fēng)險或事故隱患最有效的技術(shù)措施是進(jìn)行油氣管道內(nèi)檢測。國際上油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)與裝備經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了漏磁、超聲、電磁超聲等典型的管道金屬損失或裂紋內(nèi)檢測技術(shù)與裝備，以及速度控制裝置等配套的輔助裝置[1]。典型的漏磁內(nèi)檢測器的檢測速度只能在5m/s以下[2-4]，超聲或電磁超聲內(nèi)檢測器的檢測速度更低至2m/s。中國自主研發(fā)的油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)與裝備在最近十幾年取得了快速發(fā)展，與國外水平相當(dāng)?shù)墓艿缆┐艃?nèi)檢測器包括速度控制裝置已經(jīng)服務(wù)于中國的油氣管道，電磁超聲或壓電超聲內(nèi)檢測技術(shù)開發(fā)也有陸續(xù)報道。但國內(nèi)外現(xiàn)有可用的油氣管道內(nèi)檢測裝備在實際檢測工程中，多以犧牲業(yè)主的巨大經(jīng)濟利益為代價，由于管道內(nèi)檢測設(shè)備的低速性能，業(yè)主不得不對管網(wǎng)進(jìn)行減壓、減量輸送，以滿足檢測器的要求。而國際上的油氣交易規(guī)則是“照付不議”，即減量甚至停輸油氣仍按正常輸送計價收費。由此造成的油氣輸送減量的損失是管道檢測費用的成百上千倍。在國內(nèi)外均沒有高速高性能管道內(nèi)檢測設(shè)備的環(huán)境下，檢測期間油氣輸送減量的經(jīng)濟損失被認(rèn)為是理所當(dāng)然的。未來中俄超級長輸天然氣管道的內(nèi)檢測，如果還停留在現(xiàn)有的技術(shù)水平，減壓、減量輸送的經(jīng)濟損失將是超級空前的。實際上，中國已經(jīng)建好的主干長輸油氣管線和將要投入運營的長輸油氣管線，均要求在油氣輸送常態(tài)工況下實現(xiàn)管道內(nèi)檢測。這就要求油氣管道內(nèi)檢測器能夠?qū)崿F(xiàn)隨管道內(nèi)介質(zhì)流動檢測，即隨流檢測。在達(dá)到設(shè)計流量的輸送狀態(tài)下，我國主干長輸油氣管線或超級天然氣管線的介質(zhì)流速超過7m/s，瞬態(tài)最高速度達(dá)12～13m/s。中國油氣管道急迫需求檢測速度超過8m/s的管道內(nèi)檢測技術(shù)和重大裝備問世。在“十三五”開局之年，中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部重點研發(fā)項目資助、中國石油管道公司與清華大學(xué)聯(lián)合開展上述相關(guān)前沿技術(shù)研究。筆者主要介紹了在高速隨流內(nèi)檢測關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域所開展的研究工作，包括電磁控陣內(nèi)檢測新技術(shù)、極低頻微弱瞬態(tài)信號檢測新技術(shù)以及油氣管道內(nèi)檢測新裝備的工程應(yīng)用。

1電磁控陣內(nèi)檢測新技術(shù)

“十三五”前高于5m/s檢測速度的管道內(nèi)檢測器技術(shù)與裝備國內(nèi)外均為空白狀態(tài)。電磁控陣內(nèi)檢測器的總體構(gòu)想是筆者在申報2016年度國家重點研發(fā)項目時提出來的，其初衷是尋求8m/s檢測速度下油氣管道金屬缺陷檢測的解決方案，其主旨思想是采用電磁信號的主動發(fā)射與接收實現(xiàn)金屬缺陷的檢測。圖1給出了金屬材料的動態(tài)演化B—H曲線（B表示磁感應(yīng)強度，H表示磁場強度），由圖1可以看出，在直流勵磁磁場和高頻激勵磁場的協(xié)同作用下，激勵磁場具有攝動效應(yīng)，工作點從Q(|B|,|H|)變到Q'(|B＋b|,|H＋h|)，即較小的磁感應(yīng)強度變化（b）帶來較大的磁場強度（h）變化，同時動態(tài)磁導(dǎo)率（μbh）遠(yuǎn)小于靜態(tài)磁導(dǎo)率（μBH）。為保證在8m/s移動速度下實現(xiàn)油氣管道金屬損失與裂紋的檢測，需要在200μs內(nèi)完成周向探頭的信號發(fā)射與接收，并完成缺陷信號的采集與存儲。為此設(shè)計的電磁控陣探頭構(gòu)架如圖2所示。其中的激勵線圈和接收線圈物理上覆蓋；發(fā)射和接收由主控模塊通過程序控制來實現(xiàn)；發(fā)射的信號為沖擊型磁激勵信號，并由MOS驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大；接收信號為管道被測區(qū)域的磁沖擊響應(yīng)的差分信號[5]，該差分信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊放大后，進(jìn)行模擬信息采樣[6]；模擬信息采樣的目的是降低頻率極高的磁沖擊響應(yīng)的采樣速率，以滿足200μs內(nèi)完成周向探頭的信號發(fā)射與接收、采樣、傳輸、存儲等一系列工作。信息采樣信號包含了被測缺陷的全部信息。該信號的由勵磁磁場和激勵磁場的動態(tài)演化而來，稱之為動磁響應(yīng)信號。圖3和圖4分別給出了實測的金屬試件內(nèi)表面缺陷和外表面缺陷的動磁響應(yīng)信號波形圖。圖中標(biāo)識“ID”為內(nèi)表面，“OD”為外表面；標(biāo)識“ID20-10-6”代表長度為20mm、寬度為10mm、深度為6mm的內(nèi)表面缺陷。圖3實測的金屬試件3種長、寬、深尺寸的內(nèi)表面缺陷的動磁響應(yīng)信號波形圖圖5給出了一組檢測速度8.6m/s條件下，采用陣列探頭實測的管道缺陷動磁響應(yīng)信號波形圖。由圖5可知，電磁控陣檢測新技術(shù)實現(xiàn)了8m/s速度下的管道缺陷檢測，是目前世界首創(chuàng)檢測速度最快的油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)。比較圖4和圖5可知，內(nèi)表面和外表面缺陷的輸出信號相位極性相反。信號在橫軸的持續(xù)長度反映了缺陷的長度，信號幅值的大小反映了缺陷的深度。

2極低頻瞬態(tài)微弱信號檢測新技術(shù)

在高速油氣管道內(nèi)檢測工程中，管道內(nèi)檢測器的管外跟蹤和定位是一項重要的配套工程。跟蹤是指在固定的觀測點檢查內(nèi)檢測器是否通過該點，定位是指當(dāng)內(nèi)檢測器在運行過程中發(fā)生卡堵意外情況時，找到卡堵的準(zhǔn)確位置。實現(xiàn)上述跟蹤定位的實用解決方案是極低頻磁信號發(fā)射與接收方案[7-10]。其中極低頻磁信號發(fā)射機搭載在管道內(nèi)檢測器上，極低頻磁信號接收機在管道外部一定距離的地面或水中。圖6給出了一種深海油氣管道內(nèi)檢測器管外跟蹤定位的整體方案框架，其核心難點在于極低頻磁信號的接收。極低頻磁信號發(fā)射機既要滿足常態(tài)工況下的跟蹤需求，又要滿足異常情況下的定位需求。這就決定了發(fā)射機要有足夠長的壽命和適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率，如400h/0.5W。又由于發(fā)射機隨內(nèi)檢測器高速運動，這就決定了管外接收機處的極低頻磁信號是微弱瞬態(tài)信號[11]。圖7給出了穿越管道磁場垂直分量強度與發(fā)射源中心距的關(guān)系曲線。由圖7可知，23Hz的極低頻磁信號，經(jīng)過20mm厚的管道衰減了2個量級，到達(dá)中心線6m處衰減了4個量級。與背景地磁場相比，距離管道中心線6m處的信號大約比地磁場信號低4到5個量級。圖8給出了距離中心距6m處實測的接收線圈上的感應(yīng)信號（圖8-a為噪聲，圖8-b為信號＋噪聲），直觀上已經(jīng)不能看出極低頻信號的存在了。為實現(xiàn)噪聲中的極低頻信號檢測，采用杜芬混沌振子[12-13]對含噪的信號進(jìn)行檢測，特征頻率選為23Hz，混沌振子的輸出結(jié)果如圖9所示（圖9-a是含噪信號，圖9-b是混沌振子輸出信號），其中在2.5～8.0s輸出的是標(biāo)準(zhǔn)23Hz信號，由此判斷被測采樣數(shù)據(jù)中含有23Hz信號。經(jīng)過仿真可知，混沌振子檢測器可以可靠的檢測出信噪比低至－10dB的含噪信號，信號最短持續(xù)周期為6個周期。

3油氣管道內(nèi)檢測新裝備的工程應(yīng)用

自主研制了168～1422mm系列化油氣管道內(nèi)檢測裝備，包括油氣管道變形檢測器、油氣管道漏磁/動磁內(nèi)檢測器、油氣管道內(nèi)檢測器跟蹤定位用極低頻發(fā)射機和接收機等3種典型設(shè)備。3種典型設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)如表1～3所示。使用研發(fā)的油氣管道變形檢測器、油氣管道漏磁/動磁內(nèi)檢測器、極低頻發(fā)射機和接收機對實際工業(yè)油氣管道進(jìn)行了檢測和跟蹤。圖10給出了一個天然氣管道驗收工程中的變形檢測結(jié)果。變形檢測器在空壓機的壓力驅(qū)動下移動，瞬時速度達(dá)到53m/s，仍可靠的獲得了如圖虛線所指示的管道變形信號。圖11給出了在8m/s牽拉速度下，漏磁/動磁內(nèi)檢測器采集到的典型管道缺陷的高清漏磁信號。圖12為管道內(nèi)檢測器極低頻跟蹤工程中實測接收機天線信號及檢測判決信號。

4結(jié)束語

油氣管道內(nèi)檢測是保證油氣輸送安全的技術(shù)保證。隨著國家經(jīng)濟社會的發(fā)展石油天然氣輸送進(jìn)入了大管徑、高壓、大流量、高速度的新時代，管道內(nèi)檢面臨高速隨流檢測的新挑戰(zhàn)。為解決這一世界性難題，清華大學(xué)在國家科技部重點研發(fā)項目的資助下，開展了一系列管道高速內(nèi)檢測技術(shù)與裝備研發(fā)，并開展了實際檢測工程驗證。筆者提出了電磁控陣內(nèi)檢測技術(shù)，利用直流和高頻磁場對被測金屬缺陷的協(xié)同作用機理并引入壓縮采樣技術(shù)，實現(xiàn)了8m/s條件下的管道金屬損失缺陷的檢測，研發(fā)成功世界上檢測速度最高的漏磁/動磁內(nèi)檢測器。為實現(xiàn)高速條件下的管道內(nèi)檢測器的管外跟蹤定位，提出了基于混沌的瞬態(tài)微弱極低頻信號檢測方法，可檢測的信噪比低至－10dB。高速管道內(nèi)檢測器技術(shù)與設(shè)備和配套的高速跟蹤定位技術(shù)與裝備為中國主干油氣管道的安全運行提供堅強的技術(shù)支撐和設(shè)備保障。

參考文獻(xiàn)

[1]耿麗媛.兩種勵磁方式漏磁內(nèi)檢測的簡化試驗對比[J].油氣儲運,2018,37(4):385-389.

[7]蔡雄,郭靜波,胡鐵華,張志文,陳水平.鐵磁管道用極低頻磁發(fā)射機的逆向優(yōu)化設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2014,35(3):634-641.

[8]王淳,郭靜波,劉紅旗,胡鐵華.基于最小二乘的極低頻微弱信號實時檢測方法[J].儀器儀表學(xué)報,2009,30(12):2468-2473.

[9]紀(jì)健,李玉星,紀(jì)杰,敬華飛.聲波傳感技術(shù)在多相流管道泄漏檢測中的應(yīng)用[J].油氣儲運,2018,37(5):493-500.

[10]楊理踐,申晗,高松巍,劉斌.管道內(nèi)檢測器低頻跟蹤定位方法[J].油氣儲運,2018,37(6):613-619.

[11]郭靜波,譚博,蔡雄.基于反相雙峰指數(shù)模型的微弱瞬態(tài)極低頻信號的估計與檢測[J].儀器儀表學(xué)報,2015,36(8):1682-1691.

[13]李玉星,劉翠偉,方麗萍,李雪潔.基于混沌振子的輸氣管道微泄漏音波信號處理方法[J].油氣儲運,2017,36(6):683-688.

作者：胡鐵華 郭靜波 單位：清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系