孫鵬

四川德源管道科技股份有限公司

摘要：介紹了一種創(chuàng)新型的多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以應(yīng)用于非標(biāo)發(fā)球裝置、低壓低流速等油氣田小口徑集輸管道的內(nèi)檢測(cè)，為油氣田管道的風(fēng)險(xiǎn)管控提供了新的解決方案。

關(guān)鍵詞：低壓低流速；小口徑；內(nèi)檢測(cè)；多模差動(dòng)渦流

目前部分油氣田管道受低壓低流速、變徑管等因素制約，存在過盈量較大、橢圓形變、彎頭曲率半徑較大、非標(biāo)收發(fā)球裝置等復(fù)雜工況，容易發(fā)生卡球風(fēng)險(xiǎn)，影響管道內(nèi)檢測(cè)工作的正常開展。電磁渦流內(nèi)檢測(cè)器具有與常規(guī)皮碗清管器相似的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在保證檢測(cè)器通過性良好的情況下，具備管道內(nèi)腐蝕缺陷檢測(cè)能力，為油氣田集輸管道檢測(cè)提供了一種新的解決方案。

1  渦流內(nèi)檢測(cè)原理及特點(diǎn)

1.1  原理

電磁渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理的一種無(wú)損檢測(cè)方法，其原理如圖 1所示。首先，通過激勵(lì)信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦交變電流通入檢測(cè)探頭的激勵(lì)端，交變電流使得檢測(cè)線圈周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，通常稱該磁場(chǎng)為原磁場(chǎng)。變化的磁場(chǎng)又使得在待測(cè)導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出電渦流信號(hào)。其次，導(dǎo)體中感應(yīng)出的電渦流信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)（通常稱該磁場(chǎng)為感應(yīng)磁場(chǎng)），渦流感應(yīng)磁場(chǎng)同樣會(huì)與線圈發(fā)生電磁感應(yīng)作用，進(jìn)而在線圈上感生電壓。當(dāng)導(dǎo)體中某些因素發(fā)生改變，如出現(xiàn)缺陷或電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸發(fā)生變化時(shí)，將影響渦流的強(qiáng)度和分布，進(jìn)而引起線圈感應(yīng)電壓的變化。通過測(cè)定線圈感應(yīng)電壓（阻抗）變化而實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的方法就是渦流檢測(cè)。

圖 1 渦流檢測(cè)原理圖

多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是在電磁渦流內(nèi)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，采用差動(dòng)耦合的方式進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，并利用渦流檢測(cè)對(duì)試件性能的多種參數(shù)作出反應(yīng)，從而建立多種識(shí)別模型進(jìn)行不同缺陷判別的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。

1.2  特點(diǎn)

多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)因其高度集成化和類似于清管器的外形設(shè)計(jì)，以及優(yōu)異的傳感器性能，使得內(nèi)檢測(cè)器具有長(zhǎng)度短、重量輕、通過性好、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于低壓低流速以及發(fā)球裝置為清管閥管道的內(nèi)檢測(cè)。

2  多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)

多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)并非單指內(nèi)檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)由多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人、無(wú)源智能跟球儀、檢測(cè)分析軟件、智能跟球軟件、用戶檢測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及內(nèi)檢測(cè)缺陷定位技術(shù)組成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從檢測(cè)作業(yè)、檢測(cè)器跟蹤、信號(hào)分析、缺陷定位以及用戶內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)管理的全流程管理，其中無(wú)源智能跟球儀和智能跟球軟件組成了無(wú)源智能跟球系統(tǒng)。

2.1  多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)器

多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)器整體結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)皮碗、里程輪系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和渦流傳感器組成（圖 2）。具有特點(diǎn)如下：

（1）與清管器外形類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。外形尺寸與清管器類似，高度集成化，體積小巧、重量輕、長(zhǎng)度短，收發(fā)球操作像清管一樣簡(jiǎn)單，能夠通過1.5 D彎頭，可以使用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)球筒、非標(biāo)發(fā)球筒、清管閥、臨時(shí)發(fā)球裝置進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。

（2）大提離高靈敏度渦流探頭配備大提離、高靈敏度低功耗渦流探頭，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出管道內(nèi)部裂紋、腐蝕、金屬損失、焊縫異常、針孔等異常缺陷。

（3）推動(dòng)壓差低至0.1 MPa。高度集成化的設(shè)計(jì)，使得檢測(cè)器體積小巧、重量輕，低至0.1 MPa的推動(dòng)壓差即可完成檢測(cè)器的運(yùn)行。

（4）寬泛的檢測(cè)速度范圍。采用專利技術(shù)的高頻采樣探頭，能夠?qū)崿F(xiàn)0.1 m/s～8 m/s范圍內(nèi)有效的、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集。

（5）對(duì)管道清潔度要求不高。專業(yè)研發(fā)的大提離、高靈敏度低功耗渦流探頭對(duì)管道清潔度要求不高，檢測(cè)前只需要1～2次清管，大大降低了檢測(cè)前清管對(duì)管道生產(chǎn)的影響。

圖 2 多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2  無(wú)源智能跟球系統(tǒng)

無(wú)源智能跟球系統(tǒng)由無(wú)源跟球儀和智能跟球軟件系統(tǒng)組成。

（1）無(wú)源智能跟球儀。該儀器的數(shù)據(jù)采集單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通球過程中產(chǎn)生的多聲源耦合聲場(chǎng)及次聲波陣列信號(hào)的采集，并上傳至云端。其輕量化、高度集成、防水防塵、高靈敏度及高采樣率的設(shè)計(jì)（圖 3），使得無(wú)源智能跟球儀具有現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷、可靠性強(qiáng)、靈敏度高的特點(diǎn)；同時(shí)，它支持各種通訊技術(shù)的定制化開發(fā)，包括4G、5G、北斗、GPS、Nora網(wǎng)絡(luò)等，以解決不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

圖 3 無(wú)源智能跟球儀現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

（2）智能跟球軟件。智能跟球軟件平臺(tái)（圖 4），整合震動(dòng)次聲信號(hào)處理算法以及云臺(tái)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模型，依托集成事件數(shù)據(jù)庫(kù)，智能對(duì)清管器/檢測(cè)器運(yùn)行速度、位置等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、預(yù)測(cè)及通報(bào)。具體功能包括：過球信號(hào)智能判別、檢測(cè)器/清管器實(shí)時(shí)位置和速度計(jì)算與推動(dòng)、跟蹤記錄及報(bào)告一鍵導(dǎo)出、地圖應(yīng)用以及與第三方系統(tǒng)對(duì)接等。

圖 4 智能跟球軟件平臺(tái)界面圖

3  現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1  “閥發(fā)閥收”應(yīng)用案例

被檢測(cè)管道于2019年投運(yùn)，收發(fā)球裝置均為清管閥，管道規(guī)格為Φ168×6.3 mm，長(zhǎng)度約2.9 km，設(shè)計(jì)壓力為3.0 MPa，運(yùn)行壓力為1.65 MPa，日輸送氣量為2.8×104 m3/d～3.2×104 m3/d，輸送介質(zhì)為頁(yè)巖氣。

（1）檢測(cè)面臨的挑戰(zhàn)。收發(fā)球裝置空間受限，發(fā)球和收球均采用清管閥，常規(guī)檢測(cè)器的電子硬件尺寸受限，因而無(wú)法采用常規(guī)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)；工藝控制挑戰(zhàn)大，采用清管閥收球時(shí)，由于沒有足夠的減速長(zhǎng)度，檢測(cè)器存在沖撞清管閥閥芯球筒的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）解決方案。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，根據(jù)收發(fā)球清管閥尺寸定制化設(shè)計(jì)和制造了PIGPROX電磁渦流檢測(cè)器，并且與客戶針對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行了周密部署與安排。通過采用PIGPRO-TR無(wú)源智能跟球系統(tǒng)，在檢測(cè)器進(jìn)站前1 km進(jìn)行工藝控制，降低檢測(cè)運(yùn)行速度，最終順利完成檢測(cè)，并獲得了高質(zhì)量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2  低壓低流速原油管道內(nèi)檢測(cè)應(yīng)用案例

被檢測(cè)管道于2016年投運(yùn)，線路上無(wú)閥室，收發(fā)球筒為標(biāo)準(zhǔn)球筒，管道長(zhǎng)度28.45 km，管道規(guī)格Ф219 mm×6 mm。該線于2016年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，發(fā)球壓力0.65 MPa，收球壓力0.52 MPa，輸量范圍是420～480 t/d，輸送介質(zhì)類型為含硫化氫原油。

（1）檢測(cè)面臨的挑戰(zhàn)。介質(zhì)中含有硫化氫，有較強(qiáng)的腐蝕性；運(yùn)行壓差約0.1 MPa，理論運(yùn)行速度小于0.2 m/s，存在運(yùn)行動(dòng)力小，運(yùn)行速度慢的情況，檢測(cè)器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約2天，對(duì)檢測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行提出挑戰(zhàn)；監(jiān)聽難度大，速度慢，有保溫層，且為沙地，信號(hào)不穩(wěn)定，對(duì)監(jiān)聽器提出更高的挑戰(zhàn)。

（2）解決方案。根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)及挑戰(zhàn)，通過雙方討論，為確保發(fā)球成功，發(fā)球采用以下解決方案：①搜集歷史清管及檢測(cè)信息，編寫專項(xiàng)實(shí)施方案；②針對(duì)該管線進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新增一節(jié)電池組（圖 5、圖 6），實(shí)測(cè)續(xù)航時(shí)間57 h 23 min，根據(jù)歷史清管時(shí)長(zhǎng)約51 h，滿足管線檢測(cè)要求；③采用公司自研靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)的PIGPRO-TR無(wú)源智能跟球設(shè)備。

圖 5 長(zhǎng)續(xù)航Φ 219mm電磁渦流內(nèi)檢測(cè)器設(shè)計(jì)圖

4  結(jié)語(yǔ)

多模差動(dòng)渦流內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)在油氣田管道的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了油氣田低壓低流速管道、發(fā)球裝置為清管閥的管道以及不滿足漏磁內(nèi)檢測(cè)條件的管道內(nèi)檢測(cè)空白，讓原來(lái)“unpiggable”的管道變得“piggable”，消除了原來(lái)“unpiggable”的管道本體缺陷的管理盲區(qū)。同時(shí)PIGPRO-TR無(wú)源智能跟球技術(shù)與電磁渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)點(diǎn)式跟球的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢測(cè)器/清管器的實(shí)時(shí)跟蹤與定位，為管道內(nèi)檢測(cè)作業(yè)安全運(yùn)行提供了有力保障。

作者簡(jiǎn)介：孫鵬，1988年生，本科，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)建造師、NACE CP3、RT/UT/PT/MT/ECT/MFL等無(wú)損檢測(cè)工程師，從事油氣輸送管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與市場(chǎng)管理工作。聯(lián)系方式：15708463536，sunpeng@deyuanpipe.com。