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埋地管道无损检测技术

埋地管道无损检测技术

Review of Nondestructive Testing Technique for Buried Pipelines

SHEN Gong-tian , JINGWei-ke

(China Special Equipment Inspection and Research Center , Beijing 100013 , China)

ZUO Yan-tian

(China University Pet roleum , Beijing 102249 , China)

Abstract : Buried pipelines are widely used in the t ransportation of liquid and gas media such

as crude oil andnatural gas. Because of t ransporting under the bad working environment , they

are possible to happen the leakageand explosion. The nondest ructive testing (NDT) technique

used by cell testing , welding testing and in2servicetesting of buried pipelines are reviewed. The

purpose used the NDT methods are indicated. Excepted the normalNDT methods , some

advanced NDT methods for buried pipeline are also int roduced , such as X2ray real2timeimaging ,

automatic ult rasonic testing , pipeline pig testing and ult rasonic guided waves testing methods.

Keywords :Nondest ructive testing ; Buried pipeline ; Review ; X ray real2time imaging ;

Pipeline pig ; Guidedwaves

输送管道作为一种特殊承压设备越来越广泛用于石油、化工、化肥、电力、冶金、轻工和医药

等各工业领域和城市燃气、供热系统。压力管道按其用途分为长输管道、公用管道和工业管道。长

输管道主要用于输送石油、天然气和成品油,城市公用管道主要用于输送天然气、煤气和蒸汽,由于长

输管道和城市公用管道输送距离长、经过人口稠密的地区、穿越道路与河流等,因此基本上采用埋地

的方式,埋深一般在地下0. 5~2 m ,这些管道的直径一般在89~1 219 mm ,壁厚一般在6~30 mm。

工业管道主要用于炼油、化工、化肥、电力、冶金、轻工和医药等各工业领域生产过程中的液体、

气体工业介质的输送,因此主要位于该类工厂的厂区之内,一般采用地上管廊的安装方式。

随着我国经济持续、快速发展,社会对埋地管道的需求将会迅速增加,未来的一二十年,我国将进

入埋地管道建设和发展的高峰期。

鉴于埋地压力管道具有泄漏和爆炸的潜在危险,世界上的工业发达国家都颁布有关法规或规范

对埋地压力管道的设计、施工焊接、运行等过程进行严格控制,以确保埋地管道的运行安全。我国在

压力管道安全管理方面起步较晚,近年来,与此有关的泄漏与爆炸事故频繁发生,威胁到人身安全且破

坏生态环境,因此,提高压力管道的检测技术,确保压力管道的安全运行在我国具有十分重大的意义。

我国于1996 年由原劳动部颁布了《压力管道安全管理与监察规定》标准,而石油、石化和电力等部

门也制定了一些设计和安装标准[1~5 ] 。埋地管道的失效原因主要包括腐蚀穿孔、焊缝上存在的各种

超标焊接缺陷开裂和人为破坏等,下面根据埋地管道制造、安装和使用的不同阶段所采用的无损检测

技术分别加以综合介绍。

1 埋地管道元件的无损检测

压力管道由各种压力管道元件安装而成,包括管子、管件、法兰、阀门、膨胀节、波纹管、密封

元件及特种元件,其材质有金属和非金属两大类。

1. 1 埋地管道用钢管

埋地管道用管材包括无缝钢管和焊接钢管,无缝钢管采用液浸法或接触法超声波检测主要来发

现纵向缺陷。液浸法使用线聚焦或点聚焦探头,接触法使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探

头。所有类型的金属管材都可采用涡流方法来检测它们的表面和近表面缺陷。

焊接管又分螺旋和直缝焊接钢管,焊缝采用射线抽查或100 %检测,对于100 %检测,通常采用X

射线实时成像检测技术。

1. 2 埋地管道用锻制管件

锻制管件主要包括法兰、三通、弯头和封头等,其制造应符合国家标准GB/ T 9115 —2000 和原

机械部标准JB 82 —1994 等的有关规定。通常采用超声波来检测锻件中的危害性冶金缺陷。一般

采用纵波直探头对加工过程中的实心锻件进行检测,采用横波斜探头对内外径之比< 80 %的环形或

筒形锻件进行周向检测。

1. 3 埋地管道用钢棒材

钢棒材主要用于锻件和螺栓的制造。对于直径> 50 mm 的钢螺栓件需采用超声来检测螺栓杆内

存在的冶金缺陷。超声检测采用单晶直探头或双晶直探头的纵波检测方法。

1. 4 埋地管道非金属附件

管道附件的非金属镶装件、填料和密封垫,应根据管道所输送的介质,进行相应的介质耐腐蚀性、

耐温等的检测。

2 埋地管道安装过程中的无损检测

管道安装过程中的焊接施工是管道建设中最主要的环节之一。在施工作业中,安装单位在具备

ISO 9000 质量体系认证资质的前提下还需按照ISO 9000 质量管理和质量保证系列标准,建立起管

道施工焊接质量体系,由无损检测对管道焊接施工质量进行着直接的监督。

随着目前油气输送管道钢级、口径、壁厚和输送压力的增高,管道焊接施工难度加大,对管道对接

环焊缝的无损检测技术要求也日趋严格。通常执行的行业标准如SY 0401 —1998[6 ] 、HG 20225

—1995 和GBJ 235 —1982[7 ] 等,是按照管线工作压力、通过的区段或环境,要求采用一定比例的超

声波检测和X 射线检测,对于穿越地段,要求对接环焊缝全长必须进行100 %超声波检测和X 射线检

测,无损检测的操作标准为JB 4730 —2005[8 ] 。

但从目前情况来看,上述标准规定的检测比例已经不为大多数业主采用,而是按照目前国际上通

用的检测要求(以输送何种介质进行划分) 进行检测,在分析和归纳管线设计技术规范后可以看出,在

环焊缝检测项目上均存在着一个共性,即规定了100 %X 射线检测和一定比例的超声波检测,如西气

东输管线检测规范中就规定,对壁厚≥6 mm ,管径> 150 mm 的对接环焊缝必须进行100 %全自动超

声波检测或100 %X 射线检测。检测方法、技术要求及检验标准的确定应符合API 1104 —1999[9 ] 及

相关企业标准SY 4056~SY 4065[ 10~17 ] 的规定,其中SY 4060 被SY 0460 代替。

2. 1 目视检测

管口焊接、修补和返修完成后应及时进行目视检测,包括焊缝及管体表面清洁状态的检查,焊缝余

高、宽度、错边量和咬边深度的测量,焊缝表面裂纹、未熔合、夹渣、气孔等缺陷的检查等。焊缝外

观需达到规定的验收标准,目视检测不合格的焊缝不得进行无损检测。检测工作开始前,检验量具需经

计量部门按照有关标准校准,且只能在校准期内使用。

2. 2 射线检测

射线检测一般使用X 射线周向曝光机或γ 射线源,用管道内爬行器将射线源送入管道内部环焊

缝的位置,从外部采用胶片一次曝光,但胶片处理和评价需要较长的时间,往往影响管道施工的进度,因

此,近年来国内外均开发出专门用于管道环焊缝检测的X 射线实时成像检测设备。图1 为美国

Envi2sion 公司生产的EnvisionScan GW22TM 管道环焊缝自动扫描X 射线实时成像系统,该设备

采用目前最先进的CMOS (Complementary Metal Oxide Semi2conductor ) 成像技术, 用该设备完

成< 609 mm(24 in) 管线连接焊缝的整周高精度扫描只需1~2 min ,扫描宽度可达75 mm ,该设备图

像分辨率可达80μm ,达到和超过一般的胶片成像系统。

图1 管道焊缝自动扫描X 射线实时成像系统

2. 3 超声检测

全自动超声检测技术目前在国外已被大量应用于长输管线的环焊缝检测,与传统手动超声检测

和射线检测相比,其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染和降低作业强度等方面有着明显的

优越性。全自动相控阵超声检测系统采用区域划分方法,将焊缝分成垂直方向上的若干个区,再由电子

系统控制相控阵探头对其进行分区扫查,检测结果以双门带状图的形式显示,再辅以TOFD (衍射时差

法) 和B 扫描功能,对焊缝内部存在的缺陷进行分析和判断。加拿大R/ D Tech 公司已开发了专用于

长输管线环焊缝检测的相控阵超声自动检测系统。

2. 4 压力试验和气密性试验

埋地管道在焊接施工完成后,要进行压力试验和气密性试验。

压力试验以液体或气体为介质,对管道施加的压力为设计压力的1. 5 倍,对管道的强度和严密性

进行试验,试验结果应符合设计要求和GBJ 235 —1982 标准中的相关规定。

气密性试验以气体为介质,在设计压力下,采用发泡剂、显色剂、气体分子感测仪或其它专门手段

等检查管道系统中泄漏点。试验结果应符合设计要求和GBJ 235 —1982 标准中的相关规定。

3 在用埋地管道的无损检测

对在用埋地管道进行检测的主要目的是评价管道本体的结构完整性,检测内容包括位置走向勘

测、腐蚀评价、泄漏检测和缺陷检测技术等四大方面。根据其特点,检测技术又可分为内检测和外检

测两大类。将检测仪器放在管道内部为内检测技术,目前主要为管道内部爬行器和智能管道机器人。

将仪器放置在管道外部,通称为外检测技术,但根据是否需要与管体直接接触,外检测技术又分为开挖

检测和不开挖检测技术。该章节重点介绍内检测和与管体直接接触的外检测技术,不开挖检测和泄漏

检测监测技术将在后续的文章中进行专题介绍。

3. 1 管道内部机器人检测技术

管道检测机器人(又叫管道机器人) 在管道检测中得到较为广泛的运用。目前,美国、英国、法国

和德国等已开发出很成熟的产品,近年来我国也已开发出有关管道机器人样机,并在检测中得到成功

应用。管道机器人是一种可在管道内行走的机械,可以携带一种或多种传感器,在操作人员的远端控制

下进行一系列的管道检测作业。一个完整的管道检测机器人应当包括移动载体、视觉系统、信号传

送系统、动力系统和控制系统。管道机器人的主要工作方式为在视觉、位姿等传感器的引导下,对管

道环境进行识别,接近检测目标,利用超声波、漏磁通和涡流传感器等进行信息检测和识别,自动完成

检测任务。其核心组成为管道环境识别系统(视觉系统) 和移动载体。目前国外的管道机器人的技术

已经发展得比较成熟,它不仅能进行管道检测,还具有管道维护与维修等功能,是一个综合的管道检测

维修系统。

图2 所示为测量管道内部几何尺寸的管道机器人,通过采用多通道传感器来测量管道的内表面,

可以测量管道内壁的凹坑、折皱、椭圆度、弯曲半径或弯角,也可以发现管道内部的腐蚀。图3 为采

用漏磁通传感器检测的管道机器人,图4 为采用超声波传感器检测的管道机器人。

图2 用于管道内几何尺寸测量的管道机器人

图3 漏磁检测管道机器人

图4 超声检测管道机器人

3. 1. 1 漏磁通检测技术

漏磁通(MFL) 检测主要用于检测管道的腐蚀缺陷,提供管道上所有缺陷和管件的里程、距最近参

考点的距离、周向位置、距上下游环焊缝的位置、缺陷的深度和轴向长度等信息。目前,它已被广泛

地应用在长输管道、炼油厂管网、城市管网和海底管线的检测上。

由于漏磁信号和缺陷之间是非线性关系,管壁的受损情况需通过检测信号间接推断出来,其检测

精度相对于超声波检测法较低,适用于最小腐蚀深度为20 %~30 %壁厚的腐蚀状况检测。该方法要

求传感器与管壁紧密接触,由于焊缝等因素的影响,管壁凹凸不平,使上述要求有时难以达到。同时由

于在测量前必须将管壁磁化,因此漏磁通法仅适合薄管壁。但是由于其价格低廉,检测精度能满足我国

大部分地区的要求,目前在我国使用较多。

3. 1. 2 涡流检测技术

该技术主要用于检测管壁内表面的裂纹、腐蚀减薄和点腐蚀等,是目前采用较为广泛的管道无损

检测技术,分为常规、透射式和远场涡流检测。常规涡流检测受到集肤效应的影响,只适合于检测管道

表面或近表面缺陷,而透射式涡流检测和远场涡流检测则克服了该缺点,对管内外壁具有相同的检测

灵敏度。其中远场涡流法具有便于自动化检测(电信号输出) 、检测速度快、适合表面检测、适用范

围广、安全方便以及消耗的物品最少等特点,在发达国家得到广泛的重视。

由于温度和探头的提离效应、裂纹深度以及传感器的运动速度等均对涡流检测信号都有一定的

影响,而且由于远场涡流很难由检测信号直接确定缺陷种类,因此要考虑影响压力管道涡流检测信号

的各种因素,才能取得较好的检测效果。

3. 1. 3 超声波检测技术

该法利用超声波直探头发射超声波,根据管道内外壁反射波的时间差来检测壁厚及腐蚀情况。相

对于漏磁通法而言,其具有直接和定量化的特点,其数据损失可由相关的软件补偿,所以有较高的精

度。但缺点是由于受超声波波长的限制,对薄壁管的检测精度较低,只适合厚壁管,同时对管内的介质

要求较高。当缺陷不规则时,将出现多次反射回波,从而对信号的识别和缺陷的定位提出了较高要求。

目前超声波检测的发展方向主要为提高对细小缺陷的检测精度和提高对伪信号的识别能力。

由于超声波的传导必须依靠液体介质,且容易被蜡吸收,所以对含蜡高的油管线进行检测,具有一

定局限性。由于从发射器到管壁之间需要均相液体作为声波传播媒介,所以用于天然气管道时,需要在

一个液体段(通常为凝胶) 的两端运行两个常规清管器,超声波检测器放入液体段中运行。日本钢管株

式会社(N KK) 研制的超声波检测清管器能再现管道壁厚和管道内壁表面的图像,探测焊缝腐蚀,检测

腐蚀深度为管壁厚度的10 %。该公司研制的不需要耦合剂(即能用于天然气管线) 的轮式干耦合超

声波检测器,取得了满意效果,目前正在开发可用于长距离天然气管道的检测器。

3. 1. 4 激光检测技术

该检测技术主要是检测管道内部的腐蚀和变形,它的发展是基于现代光学、微电子学和计算机技

术的基础,测量系统主要包括激光扫描探头、运动控制和定位系统、数据采集和分析系统三个部分,

利用了光学三角测量的基本原理。与传统的涡流法和超声波法相比,激光轮廓测量技术具有检测效率

高、精度高、采样点密集、空间分辨力高、非接触式检测、可提供定量检测结果和被检管道任意位

置横截面显示图、轴向展开图、三维立体显示图等优点。但是激光检测只能检测物体表面,要全面掌

握被测对象的情况,必须结合多种无损检测方法。目前,已研究出将激光轮廓测量法与漏磁通或超声法

结合的管道检测系统。

3. 2 直接接触管道本体的外部检测技术

对埋地管道的外部检测,一般首先采用不开挖检测技术对管道本体的腐蚀状况进行快速测评,或

采用在线泄漏检测技术对管道的泄漏状况进行诊断和评价,对于认为腐蚀严重或者发生泄漏的部位,

还需要进行开挖来对管道本体进行更进一步的检测,以发现管道本体上产生的裂纹和腐蚀等缺陷。

3. 2. 1 常规无损检测技术

管道开挖后,使用最多的仍为常规超声、磁粉和渗透检测技术。采用超声波直探头可检测管道的

壁厚和腐蚀缺陷,采用斜探头可检测焊缝内部的缺陷,但对于薄壁管道需要采用特殊的探头。采用磁粉

和渗透检测技术可以检测管道本体的表面裂纹。

3. 2. 2 超声导波检测技术

埋地管道的开挖检测需要很大的工程量和较长的时间,但有时不开挖会使指定检测的部位与实

际腐蚀最严重的部位可能存在一定的误差,因此开挖点并不见得是存在腐蚀缺陷或泄漏的部位,因此

埋地管道的检测需要一种通过一个开挖点能够对两边较长范围内的管道进行精确定位检测的技术。

近年来,人们利用某些特定频率的超声波可以在线状材料中长距离传播而衰减较小的特点,开发出了

专门用于埋地或带保温层管道腐蚀的超声导波检测仪器。图5 为英国TWI 集团下的PI 公司最新推

出的Teletest 设备。

该技术由安装在管道上的环形传感器发出频率仅略高于声频的低频导波信号,通过在传感器的

背面采用机械和气压的方法使得传感器与管体表面能良好接触。通过采用计算机控制下的电信号激

发传感器,可在传感器和管体表面之间的均匀空间产生出导波,这些导波可在管体内沿着轴向向管道

的两边均匀传播,就象一个环形的波在扫查整个管道。

图5 埋地管道超声导波检测设备

导波的传播受频率和壁厚的影响,当波在前进方向上遇到管壁厚度的变化时,其一部分能量即被

反射回传感器,就能检测管道的不连续性。对于管道上的焊缝,其表现为沿着管体周围厚度均匀的增加,

因此遇到焊缝时波前都要被反射回来,这些波具有与缺陷波同样的波形模式,但会与焊缝存在的部位

完全吻合。如在管道的某一部位发生腐蚀,局部的厚度就会减薄,这就导致缺陷波除了反射外还会发生

散射,同时还会发生模式的转换,反射回来的就是缺陷波叠加转换波形成的波,而由非均匀的源产生的

转换波可能揭示出管道在某处出现了弯曲。图6 为典型的埋地管道超声导波信号。

图6 典型的埋地管道超声导波检测信号

该技术对于截面损失率> 9 %的腐蚀检出率为100 % ,对于3 % < 截面损失率< 9 % 的腐蚀视具

体情况检出率不等。开挖一点的一次检测长度精度分别为±100 m(清洁、装满液体和带环氧涂层管

道) 、±35 m (严重腐蚀管道) 、±15 m (带沥青涂层管道) ,对于埋地管道一次检测长度会有所缩短。

腐蚀部位定位精度为±100 mm。

3. 2. 3 电磁超声技术

检测的内容同常规超声检测技术,但是超声波探伤需对探伤对象的表面进行处理,使其达到一定

的表面光洁度。而电磁超声波探伤与常规方法相比无需机械和液体耦合,对沾染或结渣轻微的表面无

需进行处理,大大减少了辅助性工作量。电磁超声的原理是在交变的磁场中铁磁金属内将会产生磁致

伸缩现象,从而在金属内部产生弹性波,此效应呈现可逆性。人们把用该方法激发和接收的超声波称为

电磁超声。目前,电磁超声换能器可以象传统的压电晶片换能器一样在金属件中产生纵波、横波、斜

声束以及聚焦声束,可同常规的超声波探伤一样来检查工作中的缺陷。这种换能器所具有的缺陷检出

能力和信噪比能够与以往的压电陶瓷换能器相媲美。

4 小结

(1) 元件的制造过程中,为保证快速、准确和高效的检测,焊接钢管的焊缝主要采用X 射线实时

成像检测技术,无缝钢管主要采用涡流检测技术,而锻件主要采用超声检测技术。

(2) 安装过程中,主要是保证焊接的质量和提高检测效率,因此对环焊缝的检测采用管道专用的

射线实时成像技术或自动超声检测技术。

(3) 在埋地压力管道的使用过程中,主要检测因介质、载荷、温度和环境等因素的影响而产生的

腐蚀、冲蚀和应力腐蚀开裂等缺陷,因此除开挖后采用超声、磁粉和渗透等常规无损检测方法外,还主

要采用管道机器人和超声导波等专门适用于埋地管道的无损检测新技术和方法。

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