油气管道外检测技术现状与发展趋势.pdf

2 01 2 正 第 1 期 管 技 术 Pi pe l i n e Te c h n i q u e 5 设 备 a n d Eq u i p me n t 2 01 2 No ．1 油气管道外检测技术现状与发展趋势 龙宪春 ， 张鹏 ， 喻建胜 ， 成磊 ， 黄泳硕 1 ． 西南石油大学， 四川成都6 1 0 5 0 0； 2 ． 川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院， 四川广汉6 1 8 3 0 0 摘要 介绍 了国内长输管道的现状， 分析 了油气管道常用的 5种外检测方法 P C M 管中电流法、 直 流电位梯度 D C V G 方法、 标准管／ 地电位检测技术 P ／ S 、 电流梯度检 测技术 C G D T 、 C I P S密间隔电 位法。比较 了它们在四川地区应用的优缺点 ， 并对其适 用性进行 了简要 阐述。最后 ， 对油气管道外检 测技术发展趋势进行 了展望。 关键词 管道； 外检测技 术； 外涂层 ； 电流 中图分类号 T E 9 8 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 2 0 l 一 0 0 2 0 0 3 Th e Pr e s e nt S i t ua t i o n a n d De v e l o p m e n t Tr e nd f o r t he I ns p e c t i o n Te c hn o l o g i e s o f Oi l Ga s o ut s i de Pi pe l i ne L O NG X i a n c h u n ‘ ，Z HANG P e n g ， YU J i a n s h e n g ， C HEN G L e i ， HU ANG Yo n g s h u o 1 ． S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C h u a n q i n g P e t r o l e u m S a f e t y E n v i r o n me n t Qu a l i t y S u r v e i l l a n c e a n d I n s p e c ti o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Gu a n g h a n 6 1 8 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e s t a t u s o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e s ． F i v e c o mmo n me t h o d s f o r o u t s i d e d e t e c t i n g o f 0 i l ＆ g a s p i p e l i n e s i n c l u d e p i p e l i n e c u r r e n t m a p p e r P C Mm e t h o d ， t h e d i r e c t - c u rr e n t v o l t a g e g r a d i e n t D C V Gme t h o d ， t h e s t a n d a r d p i p e ／ s u b g r o u n d v o l t a g e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y P ／ S ， t h e c u r r e n t g r a d i e n t d e t e c t i o n t e c h n o l o gy C G D T ， a n d t h e e | o s e i n t e r v a l p o t e n t i a l m e t h o d C I P S ． T h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f s e v e r a l ma i n m e t h o d s u s e d i n S i c h u a n P r o v i n c e a r e c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r S O a s t o i n t r o d u c e t h e a p p l i c a b i l i t y ． F i n a l l y． t h e d e v e l o p me n t t r e n d for t h e i n s p e c t i o n t e c h n o l o g i e s o f 0 i 1 a n d g a s o u t s i d e p i p e l i n e s a r e i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s p i p e； o u t s i d e d e t e c t i o n t e c h n o l o g y； o u t e r c o a t i n g； c u r r e n t 0 引言 国内建成油气管道长度超 过 7 ． 51 0 k m， 其 中 包含天然气管线 3 ． 81 0 k m， 原油管道 21 0 k m， 成 品油管线 1 ． 71 0 k m， 构成 了跨多个省市 、 多 区块的 长输管网。 国内管网跨多个地 区， 管道所处 的环境不 同， 有 高盐咸地区， 也有高湿地区， 因而管道的外腐蚀状况 存在很大差异。做好管道外腐蚀检测， 及时地发现运 行管道的缺陷 ， 确保油气管道安全可靠 的运行 ， 从 而 减小管道运营风险 ， 进 而降低油气管道事故 的发生概 率， 最终降低损失风险。文中将重点介绍几种管道外 检测技术 ， 并 以四川地 区管道 为例 比较 它们 的优缺 点 ， 最后介绍了管道外检测技术 的发展趋势。 1 国内长输管道现状 国内建成 了由西气东输 、 陕京线及复线 、 涩 宁兰 线及其复线 、 忠武线 、 兰银线 、 冀宁线 、 川气东送 为骨 收稿 日期 2 0 1 l一 0 6 0 8 收修 改稿 日期 2 0 1 1 0 82 1 干的供气网络系统， 主干管网总输送载荷能力每年超 过 1 0 “m ． 在东北 、 西北 、 华北 、 华东和中部 区域建成 了地区性 的输油管 网。主干管线 包括大庆至铁岭线 与其复线 、 铁岭至大连线、 铁岭至抚顺 线 、 铁岭至秦 皇 岛线 、 秦皇岛至北京线 、 阿拉山 口至独山子线 、 西部 管 道系统 、 东营至黄岛与其复线 、 东营至临邑与其复线 、 临沂与仪征线 、 仪征至长岭线等 。成 品油管线近几年 取到了长足的发展 ， 主要的成 品油管道包括乌鲁木齐 至兰州线 、 兰成渝线 、 兰郑长线 、 茂名至昆明线 、 鲁 皖 成品管道、 福炼一体化管道体系等。 2 管道外检测的主要方法 埋地钢管道的外涂层体系 由外涂层 和阴极 保护 系统组成。外涂层联合阴极保护方法经济高效 ， 阴极 保护能监控外涂层老化情况。这种 联合作用方法是 高效的保护钢管道腐蚀的经典技术， 并在国内外埋地 钢管腐蚀保护中广泛应用。 外涂层 是腐蚀控 制 的第一 步 ， 也是 最重要 的 防 第 1 期 龙宪春等 油气管道外检测技术现状与发展趋势 2 1 线 ， 它的完整性对管道 正常运转 起决定性作用 。外涂 层需要具有优秀的绝缘性与抗腐蚀性能， 它受很多因 素的影响 ， 如外涂层 材质 、 补 口方法 、 施工 情况 、 管道 的地质环境 等， 当管道运行超过一定 的保障年 限后 ， 外涂层性能会下 降， 具体体现 为老化 、 脱落 、 裂纹等 ， 这时管体表面可能直接、 间接与腐蚀环境接触而发生 腐蚀 ， 如不对外涂层进行检测及维护 ， 最后 可能导致 管道蚀穿 、 破裂等事故 。 检测钢制管道外涂层在不开挖 的情况下进行 ， 采 用检测设备非接触性地对管道外涂层性能进 行检测 ， 准确地对外涂层老化 与破损定位 ， 把检测 的数据换算 成电阻形式并分类统计 ， 进而与行业标准 表 1 进行 对比， 判断其外涂层状况， 进行综合评价， 最后提出整 改计划 ， 对存在安全隐患的管道外涂层 区及时进行维 护 ， 保证外涂层的完整 ， 保障管道的安全运营。 表 1 外涂层级别分类行业标准 2 ． 1 P C M 管中电流法 利用 P C M管中电流法测量管线的电流衰减 ， 当向 管道施加电流信号时， 也称为电流梯度法。运用电流 测绘系统将测得的电流绘成 电流梯度图 ， 应用于在役 管道外涂层状态的评估、 新投产管道外层补口质量的 验 收、 管道阴极 保护的运营情况监测 、 管道 的搭接 点 的查找和定位 、 管道泄漏点的定位等 。 2 ． 1 ． 1 P C M 检 测仪 的构 成 P C M检测仪 由 1台发射仪、 多个接 收器 、 A字架 及地极构成 ， 其工程应用过程见 图 1 。 图 1 P C M 检测仪工程应用结构 图 2 ． 1 ． 2评 价 原理 P C M评价的核心是遥控地面 电流信号 的强弱来 控制发射到管道表面的电流 ， 通过检测到 的电流变化 规律， 进而判断外防腐层的破损定位与老化程度。加 载到管道上的电流会产生相应的电磁场 ， 磁场强弱与 加载电流的大小成正比， 同时随着传输距离增大， 电 流信号逐渐减小。 电流衰减的关系式为 ， I o e 1 单位距离的电流衰减变化率 y Y I n ， 0 ／ ， ／ 2 式中 ， 为接收机在管道上方读取的被测点的电流值 ， A ； ， n 为发射机向管道施加的电流值， A ； 为测量点到 施加电流点的距离， m； 口为衰减常数。 当管道外涂层有破损时 ， 电流通过破损点流 向大 地， 该点处的电流衰减率突然增大， 可判定外涂层破 损点的位置。 2 ． 2 直流电位梯度 DC VG 方法 在管线上施加 D C 直流电源， 与加在阴极保护上 类似 ， 通 过一个 灵敏 的毫伏表来 检测 电流 的大 小。 D C V G技术已经应用 在检测管道 的外涂层腐蚀方面 ， 提供外涂层损伤方面的信息， 它能精确定位外涂层缺 陷及其严 重程度。这样就可 以在 阴极 保护系统等方 面提前做好修补和研究的准备工作。D C V G由断流器 和测量仪组成。 评价原理是向管道施加直流 ， 电流可 以通过有抵 抗力的土壤到达外涂层有破损 的金属管道处 ， 电压梯 度就会显示出变化 ， 电流越大 ， 距离 防腐层破损 的区 域越近 ， 电压梯度越来越集 中。一般来说 ， 破损越大 ， 电流越大， 电压梯度也越大。 2 ． 3 标准管／ 地电位检测技术 P ／ S 该技术 主要用 于监 控 阴极保护有 效性。它 采用 万用表来测接地 C u ／ C u S O 电极与管道表面某监测点 之间的电位 ， 通过电位与距离构成的曲线 了解 电位的 分布， 把当前电位与以往电位区别开来， 可用检测来 的阴极保护电位来判定是否对管道外涂层起保护作 用 。该法运用简单快捷。 2 ． 3 ． 1 标准管／ 地电位检测技术的构成 标准管／ 地 电位检测设备主要 由 1 个 阴极保护发 射站和测量仪组成 。 2 ． 3 ． 2 标准管／ 地 电位检测技 术的评价原理 通过向被测管道通 以阴极保护电流， 使其阴极 2 2 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t J a n ． 2 01 2 化。然后测量其电流和电位偏移 的差别 ， 根据所测得 的基本参数计算出管段的外涂层绝缘性能参数。其 原理见图 2 。 图 2 检测原理 图 图 2中， A点放置 1台带有通／ 断装置的直流电源 电流发射站 ， 向管道输送阴极电流， 在 点和 c点 测其管中电流， 两者之差为 △ ， ， 并在 曰点和 C点测其 相对远方大地的通／ 断状态下 的管道对大地的电位偏 移 ， 两者之差为 h E． 这样就可以计算 出该段管道中电 流的损耗为 △ 一△ ， c ， 平均电位偏移为 E 。 ／ 2 ， 则该段管道的泄漏电阻为 Rt 8 E c ／ [ 2 △ ， 日 一△ ， c ] 3 2 ． 4电流梯度检测技术 C G DT 向管道加载交流电流信号， 并沿着管道检测此信 号 ， 记录其在管道 中的衰减情况 ， 来推算外涂层的完 好情况。电流信 号管道的传播大小取决于管道 的材 质与管道外涂层的属性。当管道外涂层 良好时 ， 电流 信号的衰减是有规律 的； 当外涂层存在破损时 ， 由于 管道与土壤接触， 电流信号将大量流失， 造成沿管道 上的交流信号衰减加快， 电流信号大幅减小。这样可 以比较检测衰减常数与管道固有衰减常数来确定管 道外涂层破损位置 ， 见图 2 。 检测衰减常数的计算如下 以 I n A I A ／ A I n 4 式中 △ 厶、 △ ， 分别为检测点 A 、 B与发射点的电流差， A ； ￡ 为管段 A 、 曰两点之间的距离， m ． 管道固有衰减常数 a 0 ％／ r 0 ， R o p ／ [ 霄 D- 8 8 ] ， r 0 r D ／ R P 5 式 中 a 。为管道固有衰减常数 ， m～； 尺 。为管道纵向电 阻， Q m～； D为管径 ， mm； r 0为管道横向电阻 ， Q m； 6 为管壁厚度， m m； JD 为管材的电阻率， Q m m m～； R 为管道外涂层绝缘参数． 2 ． 5 C I P S密间隔电位法 该方法和标准管／ 地电位检测方法相近， 但是它 在更短间距 1 5 m 来读取电位。它指出阴极保护 缺省区域， 也可通过计算机 自动沿管线取样， 但缺点 是测试人员工作强度也相应增大， 由于需要拖拉电缆 而大大限制使用范围， 尤其不适应野外操作。这种方 法对外涂层破损位置精度在 4 - 1 m范围内。 3 5种方法在 四川盆地的运用及优缺点 比较 四川盆地的气矿分布于东部与西部的山区、 南部 与中部 的丘 陵地 区， 地貌特性差性大 ， 因而对集气管 线外涂层检测方法的优选显得非常重要 ， 下面介绍 5 种管道外检测技术应用于四川各大气矿的优缺点。 多频管中电流法 P C M 优点在 于一次可检测 较 长的集气管道 5 0 0 m ， 缺陷定位能力较强且设备 轻 便 。缺点在于检测结果显现为图形状 ， 当有外界 电流 干扰时 ， 缺 陷图形 的判定难度较大， 因此对检测人员 经验与技能水平有较大 的要求。适用 于具备检测 资 质的单位对管道防腐层与其阴极保护措施进行综合 检测评价。 D C V G方法优点是缺陷定位能力强且设备轻便， 缺点是探明缺陷后需进行来 回检测定位 ， 因而检测速 度慢 。适于地域起伏小 的旱地 ， 对已泄漏或短矩离管 道防腐层进行详尽检测。 标准管／ 地电位测试技术 P ／ S 优点是对管道阴 极保护检测效果好 ， 检测速度较快 ， 并能判断管道防 腐层优劣； 其缺点在于对管道缺陷大小与位置精确定 位能力不足， 连续评价能力差。它适用于在役集气管 道 日常监控与维护。 电流梯度检测技术优点在于其加入了磁场衰减 ， 因而基本不受外界影响 ， 缺点是只能对一段管道 防腐 层进行评价 ， 评价速度慢 ， 且无法对 防腐层破损位 置 定位相对精确。适用于管道运行的 日常维护与监控。 密间隔电位测试 C I P S 优点是能检测到缺陷具 体位置 、 并估算缺陷大小 ， 对 阴极保护效果进行评价。 缺点是检测进度慢 ， 电位测试桩 的连接导电漆包线与 管道周围植物易形成缠绕并至使断线 ， 受周边地面活 动情况限制大。适于周边活动少且地势平坦地区并 对管道防腐层与阴保设施进行综合检测评价。 4 油气管道外检测技术发展趋势 目前 国外 已广泛使用 C I P S与 D C V G联合检测方 法实现对管道外 涂层 的地面检 测技术 ， 且技 术较 成 熟。其检测方案是 1 管道外涂层检测采用 D C V G方法 ， 确定集气 管道外涂层的损坏类型并确定位置 ， 做好记录。 2 利用 C I P S密间隔电位检测技术在管道记录 处开启瞬时切断电位， 测量用于 I R值计算的管 一 远 地电位。 下转第 2 6页 2 6 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t J a n ． 2 01 2 3 ．2 2 3 ．2 l 3 ．2 O 3 ． 1 g 3 ． 1 8 3 ． 1 7 3 ． 1 6 a 出站压 力原始数据 1 0 曼0 霎 一 1 0 - 2 0 b 二次 B样 条小波变换 高频分量 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 时间， s c D B小波变换 高频分量 图 5 末 站压 力数 据及 小波变换 波形 度为9 7 ． 3 1 6 6 k m． 二次 B样条小 波变 换定位结果与 D B小波定位结果对 比如表 1所示。 表 1 二次 B样条小 波与 I B小波定位结果对 比 图4、 图 5与表 1 综合对比表明， 所给出的采用二 次 B样条小波算法进行泄漏定位的算法区分度大， 且 定位精度较高。 4 结束语 研制的与 S C A D A系统相结合的成 品油管道泄漏 监测与定位系统经实践证明正确可行。系统采用的 G P S与中断技术进行时钟异地 同步的方法保证 了首末 站时 间的精确一致 ， 采用的分段斜率法判漏准确 ， 系 统所使用的二次 B样条小波提高了泄漏点的定位精 度。现场应用表明 系统报警迅速 ， 定位准确 ， 并且对 于缓慢泄漏的检测也具有较好效果。 参考文献 [ 1 ] 靳世久， 唐秀家， 王立宁， 等． 原油管道泄漏检测与定位． 仪器仪表学报， 1 9 9 7 ， 1 8 4 3 4 33 4 8 ． [ 2 ] 王长建， 叶伟文 ， 肖超波， 等． 负压波在管道泄漏检测与 定位中的应用． 管道技术与设备， 2 0 0 9 6 2 72 8 ； 3 8 ． [ 3 ] 王占山， 张化光， 冯健， 等． 长距离流体输送管道泄漏检测 与定位技术的现状与展望． 化工自动化及仪表， 2 0 0 3 ， 3 0 5 51 0 ． [ 4 ] 任伟建， 康朝海， 于镝． 小波奇异性分析在输油管道泄漏 检测中的应用． 计算机测量与控制， 2 0 0 6 ， 1 4 7 8 5 5 8 57． [ 5 ] 梁鸿生， 周军伟， 李玉军 ， 等． 基于虚拟仪器的输油管道泄 漏监测定位系统的实现． 计算机测量 与控制， 2 0 0 5 ， 1 3 5 4 1 5 4 1 7 ； 4 3 3 ． [ 6 ] 冯健， 张化光， 伦淑娴 ， 等． 输油管道泄漏检测与定位系统 的研制． 东北大学学报自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 4 8 7 3 1 73 4． [ 7 ] 赵学智， 林颖， 陈文戈， 等． 奇异性信号检测时小波基的选 择． 华南理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 2 8 1 0 7 5 8 0． [ 8 ] MA L L A T S ， H WA N G W L ． S i n g u l a r i t y d e t e c t i o n a n d p r o c e s s i n g wi t h wa v e l e t s ．I EEE Tr a ns a c t i o n s o n I n f o r ma t i o n T h e o r y ， 1 9 9 2 ， 3 8 2 6 1 7 6 4 3 ． 作者简介 李敏 1 9 8 5 一 ， 硕士研究生， 研究方向为复杂工业过 程智能检测。 上接第 2 2页 3 确定管道外涂层破损区域 的保护度和管道外 涂层缺陷区的相关参数 ， 缺陷大小确定方法 是对缺陷 区 I R值百分比的估算 ， 并判定其等级。 此技术 的优点是能够精确地找到缺 陷的位置并 估算其大小 ， 判 断其 等级 ， 减小开挖量。随着这种方 案的深人应用 ， 将成为国内主要检测方法 。 参考文献 [ 1 ] 蒲明． 2 0 0 9年我国油气管道新进展． 国际石油经济， 2 0 1 0 3 1 4一l 9 ． [ 2 ] 喻建胜 ， 张鹏． 油气管道外防腐层 P C M评价技术． 中国测 试技术 ， 2 0 0 8 ， 3 4 4 23 ． [ 3 ] 黄昌碧， 陈晖． 管道防腐层检测技术现状及发展． 石油仪 器 ， 2 0 0 3 ， 1 7 5 5 7 ． [ 4 ] 刘海峰． 国内油气长输管道检测技术的现状与发展趋势． 天然气工业， 2 0 0 4 ， 2 4 1 1 1 4 71 5 0 ． [ 5 ] F O S T N ． P i p e l i n e c o a t i n g f a u l t s e v M u e d ． C o r r o s i o n P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l ， 1 9 8 7 ， 3 4 4 2 0 2 2 ． [ 6 ] 刘海峰． 国内油气长输管道检测技术的现状与发展趋势． 天然气工业 ， 2 0 0 4， 2 4 1 1 1 4 71 5 0 ． [ 7 ] 桑运水． 输送管道在线检测安全评价及修复技术． 东营 中国石油大学出版社， 2 0 0 5 91 9 ． 作者简介 龙宪春 1 9 8 4 一 ， 在读硕士 ， 主要从事油气管道系 统安全可靠性评价、 风险评价分析以及油气管道系 统完整性管理技术研究与压力设备检测。 ∞ d l 姆馨