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油气管道检测技术发展和现状 蒋承君 1, 巨西民2 1. 西安石油大学, 西安 710065; 2. 中国石油天然气集团公司管材研究所, 西安 710068 摘 要 对目前国内外油气管道的无损检测作简要介绍, 分析其原理、 现状、 应用范围及目前的不 足。 重点介绍射线检测技术和超声波检测技术, 并对各种无损检测方法作了比较。 管道内壁的检测和焊 缝的检测是管道无损检测的重点, 在此做了分析。对较新的磁记忆检测技术作了介绍。 关键词 管道; 射线; 超声波; 检测; 清管器 管道作为大量输送石油、 气体等能源的安全经 济的运输手段, 在世界各地得到了广泛应用, 为了保 障油气管道安全运行, 延长使用寿命, 应对其定期进 行检测, 以便发现问题, 采取措施。 从20 世纪70 年代开始, 我国油气管道大规模建 设到现在为止, 相继建成了原油管道、 天然气管道、 成品油管道、 海底油气管道约3104km〔 1〕。 陆上原油 管道主要分布在西北、 华东、 东北、 华北地区, 约1. 4 104km。陆上天然气管道有西气东输干线管网、 陕 京输气管网、 中国石化山东天然气管网 一、 二、 三 期 、 忠武线、 涩宁兰管道等。 其中西气东输管线是我 国输送距离最长、 输气压力最高、 管径最大、 钢材等 级最高的长输管线, 代表了我国目前管道建设、 检 测、 管理运营的最高水平。 成品油输送管道有兰成渝 管道、 克乌线等。 伴随油气田的开发, 油气管道的安全运行越来 越受到广泛的重视。 即使管道在敷设、 安装运行时达 到了相应的质量标准, 但管道的老化是不可避免的, 下表是西欧和前苏联油气管道的故障分析〔 2〕。 从表中可以看出, 在管道事故中, 腐蚀、 施工、 材 料缺陷及外部干扰是造成管道故障的主要原因。施 工和材料缺陷造成的管道故障往往出现在管道运行 的初期, 腐蚀造成的管道事故大多出现在管道运行 的后期。适用于制造行业的“ 浴缸” 事故概率曲线同 样适用于管道工程, 如图1。 现在我国对长输管道的检测多采用传统的管道 外检测技术, 即对管道的阴极保护系统进行检测, 从 而获得管道的受蚀情况。这类方法虽然能够实现在 不开挖、 不影响正常工作的情况下对埋地管道进行 检测, 但都属于间接检测管道腐蚀的方法, 而且得到 的原始数据往往需要工作人员的仔细分析和校验; 有的管外检测技术还不适用于公路、 铁路、 海洋等区 域下的管道, 无法实现对管道的全面检测。 针对管外 检测技术存在的问题, 德国、 美国、 日本和加拿大在 这方面的研究起步较早, 且已结合此项技术研制了 各 种 智能检测爬 行机 Intelligent pig 或 Smart pig , 简称爬行机, 并获得了成功的经验。 表1管道故障原因分析 地名管道故障原因 故障率 次 1103kma 故障原因所 占百分比 西欧 1973 至 1975 年 输油 管道 外部干扰0. 0508. 4 内外腐蚀0. 26043. 3 施工或材料缺陷0. 20033. 3 违反操作规程0. 0508. 3 其它原因0. 0406. 7 内外腐蚀0. 10016. 7 施工或材料缺陷0. 10016. 7 违反操作规程0. 0508. 3 其它原因0. 0508. 3 前苏联 1981 至 1990 年 输油 管道 外部干扰0. 07816. 9 内外腐蚀0. 18339. 9 施工或材料缺陷0. 16035. 0 违反操作规程0. 0132. 9 其它原因0. 0745. 3 图 1 浴缸形故障概率曲线 83 2008 年第3期 内蒙古石油化工 收稿日期 2007- 08- 12 第一作者 蒋承君, 男, 研究生, 2005 年毕业于西南石油学院油气储运专业, 获学士学位, 现就读于西安石油大学油气储 运专业, 研究方向为无损检测。 1 管道内检测技术 1. 1 陆上管道内检测技术 油气管道输送的基本要求是安全、 高效, 因此需 要对管道进行定期检测, 从而了解管道的腐蚀、 变形 等情况, 为管道的安全评估、 维护、 技术改造提供依 据。 在油气管道输送中, 清管器是不可缺少的重要 机具。 清管器种类较多, 从早期的简单型发展到现在 的智能型, 目前已发展到了300 多种, 广泛用于管线 清理、 检测、 管线填充, 排水、 交工试运转、 轧制钢鳞 的清除、 产物分离、 检漏、 内部腐蚀调查等方面〔 3〕。 根 据清管器的用途, 可主要分为三大类〔 4〕 传统型, 用于管线投产后的清理; 几何型, 用于管线各种情况的检测; 在线检测型, 用于检测金属损失和腐蚀情况。 对于检测清管器来说, 国外已研发的主要有三 种 磁通漏失检测清管器、 超声波检测清管器、 高频 涡流检测清管器。 1. 1. 1 磁通漏失检测清管器 磁通漏失检测的基本原理是建立在铁磁材料的 高磁导性这一特性之上, 钢管中因腐蚀裂纹、 气孔、 夹渣等产生的缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导 率, 钢管在外加磁场作用下被磁化, 当钢管中无缺陷 时, 磁力线大部分通过钢管, 此时磁力线均匀分布; 当钢管内部有缺陷时, 磁力线发生弯曲, 并且有一部 分磁力线漏出钢管表面。检测被磁化钢管表面溢出 的漏通, 就可判断缺陷是否存在〔 5〕。 漏磁通法适用于 检测中小型管道。 可以对各种管壁缺陷进行检测, 检 测时无需耦合剂, 也不会发生泄漏。 由于用漏磁检测金属管道损伤和腐蚀是非常经 济的检测方法, 因而采用漏磁检测技术 MFL 的智 能清管器获得了广泛应用。 现代MFL 装置可发出很 高分辨率的信号, 提供 4～56in 的测试范围。但这 些信号并不能高精度的显示出金属腐蚀或其它缺陷 的大小, 需对所获得的信号进行巧妙的处理。 这种方法的缺点是 小而深的管壁缺陷处的漏 磁信号要比形状平滑但很严重的缺陷处的信号大得 多, 所以漏磁检测数据往往需要经过校验才能使用。 检测过程中当管道所用材料混有杂质时, 还会出现 虚假数据。 1. 1. 2 超声波检测清管器 超声波检测法主要是利用超声波的脉冲反射原 理来测量管壁受蚀后的厚度, 这种方法的不足之处 是超声波在空气中衰减很快, 检测时一般要有声波 的传播介质, 如油或水等耦合剂。 日本钢管株式会社 NKK 研制的超声波检测 清管器在阿拉斯加原油管道 1200mm1280km 的 在线检测中得到了好评, 他们是用环向排列的超声 波传感器群检测油管内径、 壁厚、 外径的变化。 从国内外若干次运行测试的结果表明, 超声波 清管器能可靠地检测到母材及纵向焊接区, 甚至一 些凹陷中的长度30mm 的裂缝缺陷, 可靠性较强。 1. 1. 3 高频涡流检测清管器 涡流检测技术是一种新型技术, 它利用电磁感 应原理, 通过被检工件内感生涡流的变化来无损评 定导电材料及其工件的缺陷性质, 当导电体靠近变 化着的磁场或导体做切割磁感应线运动时, 导体内 产生呈涡状的电流, 即涡流, 与涡流伴生的感应磁场 与原磁场叠加, 结果使检测线圈的复阻抗发生改变。 当被检物体上有缺陷存在时, 所形成的涡旋电流将 绕过缺陷, 使形成的感应电磁场和耦合后的阻抗发 生变化, 其变化将在探头上感应出来, 从而使缺陷被 检测。 涡流检测的主要优点是 对导电材料表面和近 表面缺陷的检测灵敏度高, 应用范围广; 不需耦合 剂, 可在高温等其它检测方法不适用的场合。 不足之处是 涡流对于铁磁材料的穿透力很弱, 只能用来检测材料表面缺陷, 如果材料表面的腐蚀 物有磁性垢层或磁性氧化物, 就可能给检测带来难 以区分的误差; 同时涡流检测难以区别缺陷的种类 和形状。 1. 1. 4 海底管道内检测 海底油气管道是投资高、 风险大的海洋工程, 它 对海上油气田开发、 生产与产品外输起着至关重要 的作用, 被喻为海上油气田的生命线。 海底管道的各 种损伤缺陷都有可能导致原油的泄漏, 造成海洋环 境的污染并严重影响作业的安全, 甚至造成停产。 因 此, 海底管道的在线检测十分必要。 荷兰的Rontgen 化学公司技术研究所以一种紧 凑型系缆工具的应用为基础, 开发出一套新的全覆 式超声波立管检测系统, 该系统用直探头超声波传 感器测管道的缺陷, 这种工具能轻松完成6～12in 的立管检测, 并为实时评估提供在线结果显示。 对钢 质立管焊缝进行自动超声检测时, 要求超声探头对 缺陷的尺寸具有较高的分辨率。美国和加拿大在这 方面作了深入研究, 结果发现, 高分辨率的探伤系统 对于疲劳检测是必需的。 英国的RST Projects 公司开发了一项用于炭化 氢管内检测的新技术。它采用一个完全设置在传统 的清理机器人的SAAM 智能采集与分析模块 来监 控载波信号经过管道时的动态反应。这种反应的测 量结果与温度、 压力的读数相结合, 能用来评估管道 的变形及内部腐蚀等情形〔 6〕。 2 国外管道腐蚀检测技术的发展趋势 国外 漏 磁 爬 行 器 Magnetic Flux Leakage Intelligent Pig 简称MFL Pig 的研制始于70 年代中 期, 目前已发展到第二代, 而超声波技术是80 年代 末才引进爬行器的。国外最先将超声波技术引进爬 行器的是日本的 NKK 日本钢管株式会社 和德国 的Pipetronix 公司。MFL Pig 在管道检测中得到了 较为广泛的应用。目前, 美国、 英国、 法国、 和德国等 已经开发很成熟的产品。MFL Pig 在管道内爬行 时, 携带一种或多种传感器, 在操作人员的远端控制 下进行系列的管道检测作业。与MFL Pig 相比, 超 84内蒙古石油化工 2008 年第3 期 声检测爬行器 UT Pig 由于检测时不受管道壁厚 的限制, 它的出现被认为是管道检测技术的一大进 步。现在许多国家的管道检测技术也都在致力于这 方面的研究。 实践也证明采用超声波检测法、 得出的 数据确实比漏磁法更精确。 目前国外管道公司在长输管道腐蚀检测中, 广 泛采用的主要是第二代漏磁管道检测器和超声波管 道检测器, 世界上接受腐蚀检测服务的油气管道已 达数十万公里, 并取得了很好的效果。 3 管道焊缝检测 在长距离、 大口径输送管道的建设运营中, 管道 对接焊缝质量的检测至关重要, 管道在焊接过程中 会出现一些缺陷, 出现在表面的缺陷有 未焊透、 咬 边、 焊瘤、 表面气孔、 表面裂纹等; 内部缺陷有 夹渣、 夹杂物、 未焊透、 未熔合、 内部气孔、 内部裂纹等。对 表面缺陷可采用磁粉检测或渗透检测。也可以采用 涡流检测, 对内部缺陷可用X 射线检测或超声波检 测, 在油气管道检测中, 较多采用的方法是射线检测 和超声波检测。 3. 1 射线探伤 以前的射线检测主要采用双壁单影法, 其检测 速度慢、 成本高、 成像质量一般。 目前, 管线环焊缝检 测采用了先进的检测工艺 如爬行器等自动检测设 备等 , 对于管道环焊缝射线检测, 一般分为X 射线 和射线检测。前者用于壁厚在26mm 以下的管线环 焊缝检测, 后者多用于大壁厚、 架空管或X 射线探伤 机难以到达的部位。由于环焊缝缺陷一般以体积性 缺陷为主, 如; 夹渣、 气孔等, 故利用射线穿过介质的 能量衰减, 在胶片上记录缺陷是环焊缝无损检测的 主要方法。 由于X 射线检测的清晰度、 灵敏度均高于 射线检测, 因此, 一般尽可能采用X 射线检测〔 7〕。 射线检测的主要局限在于裂纹探测和裂纹尺寸 测量方面, 对裂纹探测, 特别是在厚焊缝中, 射线照 相技术没有超声波技术可靠。 另有CT 技术, 即计算机辅助层析成像技术, 采 用一面状射线束透过工件的一个层面, 检测器阵列 在射线束处在同一平面, 通过机械驱动装置对工件 表面形成一定的扫描透射, 采集射线束穿过该层面 的图像, 实现对这一层面的检测。 3. 2 超声检测 超声波是超声振动在介质中的传播, 其实质是 以波动形式在弹性介质中的传播的机械振动。超声 波检测是使超声波与被检工件相互作用, 根据超声 波的反射、 透射和散射行为, 对被检工件进行缺陷检 测、 几何特性测量、 组织结构和力学性能变化的检测 和表征, 并进而对其进行评价的一种无损检测技术。 超声波检测技术在焊缝检测中的应用越来越广 泛。这是由于超声检测诸多优点和超声自动检测相 关技术日益成熟决定的, 超声检测能可靠地检测缺 陷, 而且能够对缺陷准确定位。同射线检测相比, 超 声波对裂纹的检出灵敏度高得多, 对焊缝中的危险 缺陷裂纹、 未焊透, 尤其是微裂纹和轻微未焊 透, 用超声波探伤比其它几种常规无损检测方法更 容易, 且超声波仪器简单, 检测速度快。 目前无损检测技术发展趋势正由无损检测技术 NDT 向无损检测评价 NDE 方向发展, 向高准确 度、 高可行性方向发展。超声波检测的数字化、 自动 化、 智能化和图像化成为超声无损检测技术研究的 热点, 标志着超声无损检测的现代化进程。 其中超声 成像技术可提供直观和大量的信息, 直接反映物体 的声学和力学特性, 有非常广阔的发展前途〔 8〕。 4 其它检测技术 金属磁记忆检测技术 磁记忆检测技术是基于磁性特征的磁弹性效 应。 由俄罗斯教授杜波夫于上世纪90 年代后期率先 提出的一种创新的金属诊断技术。并且已开发出了 专门的检测仪器。 磁记忆检测的基本原理是 记录在工作载荷作 用下设备局部应力集中区产生的漏磁场。检测对象 中的漏磁值反映导磁率的张量, 相当于有工作载荷 作用形成的应力和变形的张量。 金属磁记忆检测的方法是, 利用处于地球磁场 中的铁磁性金属的磁性能在应力和变形集中区产生 不可逆变化, 而在金属与空气边界出现磁导率跃变 所产生的漏磁场。测试该漏磁场便可无损、 快速、 便 捷、 准确地确定铁磁性金属结构上的应力和变形集 中区, 即设备上最危险的区段和部件, 进行强度和寿 命的诊断。 磁记忆检测的优点 磁记忆检测是以应力和变 形集中区为标志的最危险区域的无损检测方法通过 磁记忆检测可以早期诊断, 并较为准确地评价设备 的安全性; 对外露部分的检测无需停止工作, 能检测 正在运行的设备; 无需对被检测对象表面进行去除 涂层、 打磨等预处理, 降低了成本; 与传统检测方法 配合, 能提高检测效率和精度。 不足 目前, 国内的磁记忆检测理论和实际应用 方面与俄罗斯相比有一定差距, 对磁记忆信号与部 件应力和变形集中区的对应关系没有定量表述, 没 有形成比较成熟的技术标准〔 9〕。 5 结论 超声波检测技术和射线检测技术是目前已经十 分成熟的技术, 在油气管道的无损检测中获得了大 量的应用。 这对管道在安装和使用过程中, 保证其质 量和安全运行起到了至关重要的作用, 对于材料中 可能出现的体积性缺陷 如夹渣、 气孔 采用射线检 测技术效果较好, 而对材料任意方向上的平面缺陷 如致密裂纹或未熔合 , 则用超声波检测效果较好。 对管道内表面检测可采用智能机器人或智能清 管器, 以实现自动检测并能准确确定缺陷的位置和 缺陷的等级。 磁记忆检测技术是比较新型的检测技术, 其具 有常规检测技术所不具有的优点, 但目前此类技术 尚不十分成熟, 有待进一步发展和出台相应的技术 标准和规范。 85 2008 年第3期 蒋承君等 油气管道检测技术发展和现状 浅谈工业锅炉安全阀的正确选用 乔晓东 乌兰察布特种设备检验所 安全阀动作的可靠性直接关系到锅炉及人身的 安全。 按照锅炉的工作条件正确选用安全阀, 是关系 着安全阀能否起到安全保护作用的先决条件。 因此, 正确选用工业锅炉安全阀是十分重要的。 正确地选用安全阀涉及到两个方面的问题 一 方面是安全阀本身的动作特性和参数指标; 另一方 面是锅炉的工作条件。换句话说, 某种型号的安全 阀, 它适用于什么样工作条件的锅炉; 而某种工作条 件下的锅炉应该选用哪一种型号的安全阀才合适。 锅炉检验和安全阀校验工作的实践表明, 只有两者 兼顾才能正确选用安全阀。下面从安全阀和锅炉的 两个方面来分别阐述工业锅炉安全阀的选用要点。 1 安全阀方面 为 了 便 于 阐 述观 点, 按照 原 机 械 部 标 准 JB30875 阀门型号编制方法 , 首先把工业锅炉 常用的三种弹簧式安全阀型号介绍如下 第一种型号 A48Y1. 6C A表示安全阀; 4表示法兰连接; 8表示弹 簧式不封闭扳手全启式; Y表示阀座密封面材料 为硬质合金; 1. 6表示公称压力为 1. 6MPa; C表 示阀体材料为ZG25Ⅱ。 第二种型号 A47H1. 6 A表示安全阀; 4表示法兰连接; 7表示弹 簧式不封闭带扳手微启式; H表示阀座密封面材 料为合金钢; 1. 6表示公称压力为1. 6MPa; □表 示阀体材料为HT 25- 47。 第三种型号 A27T- 1. 0 A表示安全阀; 2表示外螺纹连接; 7表示 弹簧式不封闭带扳手微启式; T表示阀座密封面 或衬里材料为铜; 合金; 1. 0表示公称压力为 1. 0MPa; □表示阀体材料为HT 25- 47。 注 第二、 第三种型号符号代表意义中, □表示空白。 因为公称 压力小于或等于1. 6MPa 的安全阀阀体材料如果是 HT 25- 47, 阀体材料代号可以省略不写 。 要点1 全启式安全阀适用于蒸汽锅炉, 微启式 安全阀适用于热水锅炉, 且两者之间不宜调换。 其主要原因是 全启式安全阀阀瓣开启高度等 于或大于流道直径的1/ 4, 为突开作用式, 即在压力 升高不多的情况下, 阀瓣突然急速开启排放介质, 具 有动作灵敏、 排放量大和回座迅速等优点。 另外全启 式安全阀的下阀体的容积比微启式大, 其出口通径 也比进口通径大一个数量级, 这样就满足了当安全 阀排放时蒸汽体积膨胀的需要, 因此它适用于蒸汽 锅炉。微启式安全阀阀瓣工启高度仅为流道直径的 〔 参考文献〕 [ 1] 薛振奎, 等. 我国油气管道综述[ A] . 中国石油 天然气管道科学研究院, 管道科学研究. 论文 选集 1999～2003 [ C] , 北京, 石油工业出版 社, 2004 8～9. 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