油气输送管线检测准确度影响因素分析.pdf

～ 7 O 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷第2期 ●技术讨论 油气输送管线检测准确 度影 响因素分析 孙 永 泰 胜利石油管理局钻 井工艺研 究院 摘要简要地介绍 了油气输送管线检测技术现状和几种检测方法，并说 明了检测装置标验和 检测结果分析评定的重要性。 以胜利油 田 b 3 2 5 n l lT l 管径 的超声波检测装置为例，进 行研 究和分 析，并提 出了影响检测准确度的外界 因素和 系统本身因素，如对相关因素进行 了理论研究和试验， 给 出了研究结论和改进建议 ，进而提 出了提高管线检测结果准确性和可靠度 的措施，以及进 一步 提高检测结果准确性和可靠性的研究构想。 关键词 油气管线检测 超声波检测装置 影响因素 措施 准确性 0 引 言 目前，世界各石油生产国对油气输送管线的检 测十分重视 ，许多发达国家通过立法要求对管线进 行定期检测。各 国研究部门和开发部 门对管线的检 测系统特别是油气输送的在线检测系统进行了大量 的研究工作 ，目前已有的管线在线检测方法主要有 以下几种 1 漏磁检测 技术。利用漏磁原理检测 管道 裂缝与缺陷 ，是 目前常用的检测方法之一 ，适用于 薄壁和中壁厚管道。 2 超声波检测技 术。利用超声波检测技 术 对输油管道进行在线检测。超声管道智能检测器的 应用仅是近 1 0年的事 。 目前德国 P I I 公 司开发 了 专用 于输 油 管道 检 测 的超 声裂 缝 检 测器 ；英 国 S o n o m a t i c公 司 、P h o e n i x公 司 以及 美 国 O i l C o u n t r y I n s p e c t i o n I n c ．等都开发了用于输油管道检测的相 应超声类产品。 此外 ，管道检测方法还有射线检测技术 、远场 涡流检测技术 、声发射检测技术 、电子内窥和视频 检测技术 、流量差法 、压力分布法 、压力波法 和 S C A D A S u p e r v i s o r y C o n t r o l A n d D a t a A c q u i s t i o n 法等。 我国在管道检测方面 ，特别是在超声波检测和 漏磁检测技术方面已做了大量的研究工作，并取得 了成效。胜利石油管理局已研制完成了海底油气输 送管道检测的超声波检测装置和漏磁检测装置 ，并 进行 了工程管线 的实地检测 ，各项功能和指标均满 足工程管线的检测要求 ，该装置同样可应用于陆上 管线的检测。而在油气输送管线的检测中，检验装 置的标验及管理系统是不可缺少的组成部分 ，管线 检测装置在作业前 、后必须进行测试及标定 ，管线 检测完后的检测结果必须进行分析 、评定 ，提高检 测结果 的准确率和可靠度。据有关资料显示 ，在这 方面花 费 的工作 量 占到管 线检 测 全部 工 作量 的 7 5 ％ 以 E。 1 影响检测准确度 的 因素分析 由于油气输送管线检测装置运行环境非常恶劣， 且检测装置本身技术含量很高，涉及到多项技术和 繁杂的元器件构成 ，现以胜利油田研制的 3 2 5 mm 管径的超声波检测装置为例进行研究分析。该装置 由超声探头单元 、超声采集单元 、电源及电源监控 、 示踪定位单元 等构成 ，每一部分均 由 C P U进行处 理、控制与通讯 ，在数据采集与处理系统 中，采用 了多通道实时工作、大容量数据传输 、长时间、大 容量数据压缩与存储 、高速、实时数据判别、实时 定位检测与智能 c a n通讯等技术。因此 ，检测装置 对管线的检测结果基本上是在计算机专家系统上完 成的，受各种条件的影响比较多。为提高检测结果 基金项 目国家高技术研究发展计划资助项 目 “ 油气输送管线检测装置标验及率定关键技术研究” 2 0 0 6 AA 0 9 2 3 2 4 。 2 0 1 0年第 3 8卷第 2期 孙永泰 油气输送管线检测准确度影响 因素分析 的准确性和可靠度 ，需研究分析影响检测质量的因 素 ，并通过对这些因素所有可能产生的测量误差进 行定性分析，在设备和计算机专家系统中进行修正 、 补偿或对系统参数进行调整、预设。 对超声波检测装置检测结果可能产生的影响因 素 包括外界因素和系统本身因素 ，主要有 以下 几种 1 外界 因素主要包括温度 、介 质不 同、介 质压力 、管壁油垢 、管道外壁接触物 、环境噪声 、 管径 、材质及壁厚不 同、管道椭 圆度 、表面状况 、 气泡 、砂砾和工艺等因素 焊接、变形等 。 2 系统本身 因素主要包括轴 向分辨率 、周 向分辨率 、探头 通 道 一致性 、检测装 置对 中 性 、提离值 、灵敏度 、频率和带宽 、脉冲宽度 、探 头的声束指向性 、密封性 、速度 、参数预设 、动态 范围 、脉 冲重复频率 、激发 电压 、采 集和存 储速 度 、数据丢失率 、耐压性能和耐温性能等。 2 相 关 因素 的研 究及 试验 2 ． 1 介质等方面影响因素研究 介质不 同，则声速不同，在无限大的固体介质 中纵波声速为 √ 南 √ 1 式中C ， 纵波声速 ，m ／ s ； E 介质的弹性模量 ，G P a ； p 介质的密度 ，1 0 k g ／ m ； 介质的泊松 比。 可以看出 ，固体介质中的声速与介质的密度和 弹性模量 等有关 ，介质 的弹性模量越大 、密度越 小 ，则声速越大。同时，固体介质中的声速还与温 度 、应力和均匀性有关。一般情况下 ，声速随温度 升高而降低 ，随应力增加而增加。 在液体和气体介质中纵波波速为 C ／ p ／ p1 0 2 式 中p 液体 、气体介质 的容变弹性模量 ，表 示产生单位容积相对变化量所需压强 ，P a 。 可以看出，液体、气体介质中的声速与介质的 密度和其容变弹性模量等有关 ，介质的容变弹性模 量越大 、密度越小 ，则声速越大。 在液体介质中，除水 以外 ，当温度升高时 ，容 变弹性模量减小 ，声速降低 ；而在水 中，温度在 7 4℃时，声速最大 ，当温度高于 7 4℃时 ，声速随 温度升高而降低 ；当温度低于 7 4℃时 ，声速随温 度升高而增加。 管线超声检测对象为管壁 固体 ，介质通常 为液体 ，即水 、原油或油水混合物 ，每次检测前需 针对管体材质 、壁厚及介质的不同调整探头灵敏度， 修改相应的预设参数，以适应被检管线实际情况。 由于声速在气体介质中与在液体介质 中有着很 大的区别 ，速 度小 了很多 在水 中声 速为 1 4 8 0 m ／ s ，而在空气 中为 3 4 4 m ／ s ，所 以在检测时 ， 一 旦介质存有气泡 ，检测装置将测不到回波。为了 消除气泡的影响 ，在现场检测时需采取一些措施 ， 如保持液体流量恒定等。 此外 ，被检管线内若结蜡时 ，对检测结果会产 生明显 的影 响，应注意减小或消除，也可通过计算 和试验等方式进行修正。由于管线 中所存砂砾一般 很小 ，对检测结果影响较小。 2 ． 2 原油介质中的温度试验 1 超声 波检测装置经常 以原油为介质进行 检测 ，因此进行 了超声探头在原油里的温度试验 ， 试验温度为 2 5～ 7 0 ，并保温 3 0 mi n后冷却 ，超 声探头和线缆工作 正常。试验结果表 明，从 2 5℃ 变化到 3 5℃ ，原油声衰减系数逐渐变小 ；从 3 5℃ 变化到 7 0℃ ，原油声衰减系数基本无变化。 2 在温度 1 9 c C、湿度 5 5 ％的试 验条件下 ， 测得试验用原油的质量浓度 为 1 ． 4 9 g ／ m L，测得原 油声速 1 5 8 0 m ／ s ，原油 衰减 系数 平均 值为 1 ． 6 7 d B／mm。 2 ． 3 探 头倾斜 角 度试 验 采用 6种探头分别对不同倾斜角度下大平底 回 波波高变化情况进行了测试 ，结果如图 1 所示。 曲 勺 ＼ ．龌 鲻 回 探 头倾 斜角 度／ 图 1 大平底回波高度与探头倾 斜 角度 变化 的 关 系 曲线 试验结论 ①探头倾斜角度对大平底 回波波高 影响显著 ，倾斜角度接近 2 。 时 ，变化约为 2 0 d B； ②球面探头与平面探头相 比，并不具有优势 ，而且 球面探头存在反射 回波辨识困难的问题，不利于管 石 油机械 2 0 1 0年第3 8卷第 2期 道检测 。因此 ，探头装配最好应保证其声束指向性 偏转角不大于 0 ． 1 。 。 2 ． 4 低频杂波干扰试验 在检测过程中，检测装置本身及外部因素等均 会产生一些低频杂波 ，超声回波信号中存在杂波将 会干扰壁面回波的识别和判定以及壁厚的测量 ，为 抑制该杂波的影响 ，进行了不 同频段的滤波试验 ， 以确认杂波的特点 、来源和抑制杂波的有效手段。 为此 ，进行了 5种不同带通滤波模式 的对 比试验 采用宽 带 窄脉 冲 5 C 1 4 N探 头 工 作 频 率 5 MH z 、晶片尺寸 1 4 mm、脉 冲宽度 小于 2 m m ， 将探头水浸在模拟管 道中进行静态测试 ，用 U S N 一 6 0仪器在不 同滤波接收条件下判别噪声 的频段 特性 。 测试结果如下 1 5 MH z滤波 ，外壁二次 回波后 杂波幅度 为 7 ％ ，比二次回波低约 l 8 d B 。外壁一次 回波达 8 O ％ ，增 益为 6 4 ． 7 d B 。 2 1 MH z 滤 波，外壁二次 回波后 杂波幅度 为 3 0 ％ ，比二次 回波低约 1 d B。外壁一次 回波达 4 7 ％ ，增益为 6 4 ． 7 d B。 3 2～2 5 MH z滤波，外壁二次 回波后杂波 幅度为 1 2 ％ ，比二次回波低约 1 5 d B 。外壁一次 回 波达 8 0 ％ ，增 益为 6 1 ． 6 d B。 4 0 ． 2 52 ． 2 5 MH z 滤波 ，外壁二次 回波后 杂波幅度为 3 0 ％ ，比二次 回波低约 2 d B 。外壁一 次 回波达 4 8 ％ ，增益为 6 1 ． 6 d B。 5 1 0 MH z 滤波 ，外壁二次 回波后杂波 幅度 为 3 ％ ，比二次回波低约 1 8 d B 。外壁一次 回波达 3 2 ％ ，增益为 6 1 ． 6 d B 。 分析上述试验结果可知，杂波干扰主要来 自低 频段的杂信号 低于 1 ． 5 MH z ，使用 1 MH z带通 滤波时，杂波幅度最大，信噪比最小 ；使用 5 MH z 带通滤波时 ，杂波幅度低 ，信噪比最大。而使用其 它模式的带通滤波时，壁面回波 幅度会显著降低 ， 而且信噪 比也没有 显著改善。因此，采用 5 MH z 带通滤波 ，能够抑制该杂波的影响并且不降低壁面 回波的幅度 ，提高了检测信 噪比。 2 ． 5 动态检测条件下回波幅度变化 实际检测工况下，检测探头环在被检管中沿轴 向运动时，由于重力、工件的内外表面状况、耦合 条件和轮系对中等因素的影 响，会导致检测系统各 探头回波幅度显著变化。为掌握其变化范围，以便 更好地对检测参数进行选择 、对灵敏度进行初步设 置提供参考基准而进行试验 。 将 4个探头按 9 0 。 间隔，分别安装在上下左右 4个位置 ，在拖动条件下检测 同一壁厚的管线 ，实 时记录上述 4个探头得到的外壁回波幅度。测试结 果为壁 面 回波 幅度 变 化较 大，其 均值 为 1 3 ． 3 d B，最高可达 2 0 d B ，最小也有 7～8 d B 。 因此 ，在执行检测之前 ，可有效地设置检测灵 敏度 ，避免出现如下问题 1 检测系统初始灵敏度过低 ，进入被检管 道后 ，多数壁面回波信号 幅度低于 2 0 ％满屏波高， 则应记录的有效数据会显著减少 ，影响检测数据的 分析。 2 检测系统灵敏度过高 ，进入被检管道后 ， 多数壁面回波信号幅度大于 1 0 0 ％满屏波高 ，则记 录太多干扰信号 ，为数据的 自动分析和后续的人工 辅助分析带来繁杂的分析 ，辩识困难。 3 提高管道检测精度 的措施研究 3 ． 1 管线检测前的资料搜集 管线检测前搜 集管线原 始设 计资料 包括管 道外壁接触物及工艺 因素 焊接 、变形等 、表面 状况 、材质及 壁厚不 同、管径 、管道椭 圆度等 因 素 、环境资料和使用状况，研究分析环境条件对 检测结果可 能造成 的影 响 ，同时 ，模拟相关条件 如截取被检测管线管段作为试块 ，通过室内试 验得出影响的权重。 3 ． 2 管线的清理与测量 分别通过投泡沫球 、带钢刷的管道清洁器 、化 学清洁剂 若需要和管线变形测量装置等措施 对管线进行清理和测量，并截取现场管段到实验室 进行分析和测试 。这样可有效消除或减小 管壁 油 垢 、管道表面状况和砂砾等的影响。 3 ． 3 检测 前对 检测装 置标 定 通过试验台架对检测装置进行检测前 的标定 ， 分检测准确度标定和位置标定。 1 针 对所要 标定 的检测 装 置，研制 试块 ， 用于检测系统的校准以及缺陷的评定。主要实现以 下功能 ①用于检测系统 的校准 和检测参数 的调 整 ；②用于系统性能测试 ，主要包括周 向分辨力 ， 轴向分辨力 ，深度分辨力和测厚精度 ，定位准确性 以及成像情况评价 ；③工艺试验及工艺参数优化 。 2 截取一段被检管线作为试块 ，根据现场管 线清洗情况分步处理和对检测装置进行灵敏度调整。 3 对检 测装置 进行状 态及定 位检测 标定 ， 包括装置的投放 、回收 、运行状态 、压差驱动 、故 2 0 1 0年第 3 8卷第 2期 孙永泰 油气输送管线检测准确度影响 因素分析 障 自我诊断 、缺陷设置 、压力响应 、 陷位置等。 速度响应和缺 度 ，可进行以下研究试验 4 对管线检测完毕 后，将上述定 量测试情 况输入到判别专家程序对检测结果进行修正 。 5 检测装置支撑 轮系安装及 调整应保证探 头的对 中性 ，同时使探头提立值保持一致。 6 超声波检测装 置由多通道构成 ，各个探 头性能 特别是探头灵敏度 需有高的一致性。 7 检测装置每次检测前 ，对系统性 能进行 测试 ，包括器件完整性 、密封性 、动态范围、脉冲 重复频率 、激发电压 、数据丢失率 、耐压性能及功 能性测试等。 3 ． 4检测后检测装置的标定 管线检测完后 ，须对检测装置进行标定 ，测试 检测装置运行和损伤状况 ，并将测试结果作为管线 检测结果的修正依据 。 4 结 论 在油气输送管线检测方面 ，多探头超声检测技 术较其他检测技术具有更高的检测精度 ，但影响检 测结果的因素很多 ，从笔者对部分因素的研究和试 验分析可以看出 ，超声检测装置外界因素和系统本 身因素对检测结果影响较大 ，为进一步提高检测精 1 研究建 立标验与率定 试验 台，通 过试验 台可对检测装置性能进行试验研究 ，同时可针对特 定的检测装置及元器件配置情况 ，对各种内外因素 进行试验研究和测试 ，并在分析检测结果时尽量消 除或减小 ； 2 在超声检测离线分析判定 系统 中研 究应 用小波变换对超声波 回波信号进行去噪； 3 研究建立数 据库 ，通过 积累大量 的检测 数据和管线实际情况对比，寻找变化规律 ，提高检 测结果分析的准确度和可靠度 ，并不断完善检测数 据计算与分析系统。 参考文献 [ 1 ] 全 国锅 炉压 力容 器无损检 测人 员资格 考核 委员 会 ． 超声波探伤 [ M]．[ 出版地不详] 中国锅炉压力 容器安 全杂 志社 ，1 9 9 5 91 3 ． 作者简介孙永泰，高级工程师 ，1 9 8 7年毕业于上海 交通大学 ，现从事海洋工程方面的研究和设计工作。地址 2 5 7 0 1 7 山东省东 营 市 。电话 0 5 4 6 8 7 8 3 6 7 1 。Ema i l z j y s u n y o n g t a i 1 2 6 ． e o m。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 5 本文编辑赵连禄 上接 第 3 3页 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 6 ] [ 7 ] 参考文献 陈庭根 ，管志川 ．钻井 工程 理论 与技 术 [ M]．东 营 石油大学出版社 ，2 0 0 0 ． 李士斌 ，张立刚 ，荆玲 ，等 ．钻井参 数优选 新方 法 [ J ]． 石油钻探技术 ，2 0 0 7 ，3 5 4 91 1 ． 李 敏强 ，寇纪凇 ，林丹 ，等 ．遗 传算 法 的基 本理 论与应用 [ M]． 北京 科学 出版社 ，2 0 0 2 ． Se ha e t z e n W ．Opt i ma l s a mp l i n g d e s i g n f o r mo de l c a l i br a t i o n u s i ng s h o r t e s t p a t h， g e ne t i c a n d e nt r y a l g o r i t hms [ J ]． U r b a n Wa t e r ，2 0 0 0 ，2 2 1 4 1 ． Wu Z Y ． S i mp s o n A R． Comp e t e nt g e n e t i c e v o l u t i o n a r y o p t i m i z a t i o n o f w a t e r d i s t r i b u t i o n s y s t e ms [ J ]． J o u r h a l o f C o m p u t i n g i n C i v i l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，1 5 2 8 9． 郭学增 ．最优化钻井理论基础与计算 [ M]．北京 石 油工业 出版社 ，2 0 0 0 ． 郭 国 强 ， 卜正 宽 ．钻 速 模 式 动 态 辨 识 方 法 研 究 [ J ]． 断块油气 田，1 9 9 8 ，5 4 4 0～ 4 3 ． 行 小帅 ，霍 冰鹏 ． 基 于免疫 的并行 单亲遗 传算法研 究 [ J ]．通信学报 ，2 0 0 7 ，2 8 8 9 91 0 4 ． 关晓晶，魏立新 ，杨建军 ．基于混合遗传算法的油 田注水 系统 运 行 方 案 优 化 模 型[ J ]．石 油 学 报 ， 2 0 0 5 ，2 6 3 1 1 41 1 7 ． 王跃宣，刘连臣，牟盛静，等．处理带约束的多目 标优化进化算法 [ J ]．清华大学学报 自然科学 版 ，2 0 0 5 ，4 5 1 1 0 31 0 6 ． 王小平 ，曹立 明 ． 遗传算 法理论 、应用 与软件 实现 [ M]．西安 西安交通大学出版社 ，2 0 0 3 ． 高强，吕文芝，杜小山． 遗传算法优化性能评价 准则研究 [ J ]．西安交通大学 学报，2 0 0 6 ，4 0 78 0 3～8 0 6 ． 第一作者简介伊鹏，博士研究生，主要研究方向 为钻井 管具关键 技术 研究 。地址 2 5 7 0 6 1 山东 省东 营市。 电话 0 5 4 6 7 8 7 8 3 4 5 。Em a i l y i p u p c y a h o o ． e n 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 1 7 本 文编辑丁莉萍 1j] J 1J ] J] ●． m n r 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