油气管道裂纹检测器探头机构.pdf

2015 年 第 6 期Pipeline Technique and Equipment 2015 No． 6 收稿日期2015-02-06 收修改稿日期2015-06-02 油气管道裂纹检测器探头机构 臧延旭1,张 元1,倘向阳2,赵 宣3 1.中油管道检测技术有限责任公司,河北廊坊 065000; 2.中国石油天然气管道局国内事业部,河北廊坊 065000; 3.中国石油天然气管道局技术服务事业部,河北廊坊 065000 摘要针对长输油气管道存在的裂纹检测问题,设计了一种油气管道裂纹检测器的探头机构。 该 探头是基于磁致伸缩效应而设计的,可用于管道轴向裂纹缺陷的检测。 该探头机构由弹簧连杆支撑机 构、弹簧滑块支撑机构、万向旋转机构、支撑轮、磁铁和探头壳等零部件组成。 在动态试验台上进行测 试,试验表明,该探头机构具有足够的强度和耐磨性,运行距离超过 250 km,并能满足管道变形的要求, 使探头壳紧贴管道内壁,该探头机构具有良好的应用前景。 关键词油气管道;裂纹;检测器;探头;轴向 中图分类号TE973 文献标识码A 文章编号1004-9614201506-0016-03 Mechanical Structure of Probe for Oil and Gas Pipeline Crack Detector ZANG Yan-xu1, ZHANG Yuan1, TANG Xiang-yang2, ZHAO Xuan3 1. China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co.,Ltd., Langfang 065000, China; 2.China Petroleum 3. China Petroleum crack; detector; probe; axi-direction 0 引言 管道运输具有输送量大、输送成本低、可进行连 续输送、受外部环境影响低等优点,是石油、天然气产 品首选的运输方式。 近几年,管道工程大幅增加,国 内大口径天然气管道工程得到迅速的发展。 但随着 管道运营时间的增加,管道发生泄漏等破坏的概率越 来越高,不仅造成能源的浪费,还有可能产生其他危 害。 因此,要求主干线油气管道 35 年必须进行检测 作业,以评价、维护管道安全[1-3]。 与相对较大的腐蚀缺陷相比,管道裂纹缺陷的检测 要复杂、困难得多,一般油气管道的裂纹主要是应力腐 蚀、氢致开裂、疲劳等原因造成的[1-2]。 目前,国外已利 用超声波、漏磁、电磁超声等技术成功研制了裂纹检测 器。 研究认为,电磁超声技术在裂纹缺陷检测方面具有 较强的发展潜力,国内也对基于电磁超声技术的裂纹检 测器进行研究,但尚处于实验室研究阶段[3-5]。 文中基于磁致伸缩效应设计了一种裂纹检测器 探头机构,该机构安装有万向节旋转机构,与弹簧支 撑机构配合,能自动调节探头的空间位置与姿态,保 证探头与管壁紧密贴合,避免缺陷漏检。 1 设计要求及技术关键点 1.1 磁致伸缩效应介绍 磁致伸缩效应是指铁磁性材料在被外部磁场磁 化时,其体积和长度发生变化的现象。 一般,磁致伸 缩效应可分为线磁致伸缩和体磁致伸缩。 对铁磁体 施加外部交变磁场,会使铁磁体材料产生周期性的伸 第 6 期臧延旭等油气管道裂纹检测器探头机构17 缩振动,从而激发出超声波。 电磁超声技术EMAT 以磁致伸缩效应和洛伦兹力为基础,直接在被测试材 料内产生超声波[3]。 EMAT 的物理结构由线圈、磁铁、 被检工件组成,见图 1。 图 1 EMAT 检测原理示意图 1.2 设计要求 1基于磁致伸缩效应设计的探头机构,其探头 检测线圈尺寸较大,传统探头结构已不适用,需要设 计新型探头机构;同时为减轻检测器整体质量,需要 将磁铁、铁心及探头壳等零部件集成在一起; 2设计的探头机构能适应管道径向、轴向和周 向的变形; 3由于探头机构是磁铁、铁心、探头壳等零部件 的集成体,质量比传统探头大几个量级,因此需要设 计弹簧支撑机构和支撑轮机构,共同支撑探头; 4设计的支撑轮有一定的弹性,能缓冲吸震; 5设计的探头机构,其探头壳所选耐磨材料具 有优良的强度、耐磨性; 6 设计的弹簧支撑机构具有足够的支撑力及 空间压缩量。 1.3 技术关键点 1支撑轮材料的选择,弧形支撑轮外形的设计 与加工; 2探头壳耐磨片材料的选择,弧形外形的设计 与加工; 3弹簧支撑与万向旋转机构的设计,满足管道 不同变形位置的需求。 1.4 机械性能测试 对组装好的裂纹探头机构,在油气管道输送安全 国家工程实验室进行了实验室条件下的机械性能测 试。 测试内容如下使用动态试验台测试探头机构各 零部件的机械强度及耐磨片的抗磨损能力。 实验时, 在旋转台上焊接焊缝,模拟管道焊缝。 2 裂纹检测器探头机构的设计 2.1 探头壳设计 探头壳主要由线圈壳、耐磨片、前臂、后臂、压簧 等零件组成图 2,安装在铁心中间部位,铁心两端安 装磁铁钢刷。 探头壳靠前臂、后臂及压簧组成柔性支 撑系统,使自身具有一定的空间浮动量,可以顺利通 过管道焊缝及较小变形处,避免探头壳直接受力造成 损坏。 探头壳安装弧形耐磨片,弧面曲率半径与管道 内径一致,此耐磨片材料为氧化锆或氧化铝陶瓷,此 类陶瓷材料具有高强度、高硬度、不导电性等性能,既 增强了探头壳的耐磨性及抗冲击性,同时不干扰电磁 超声信号的接收。 探头壳下面安装激励电路,最大限 度地减小探头机构的空间尺寸。 图 2 探头壳示意图 2.2 支撑轮架设计 支撑轮架主要由支撑轮、支撑臂、支撑筋和旋转 轴等零部件组成,支撑轮架是安装铁心,固定磁铁钢 刷、探头壳等零部件的重要机构,见图 3。 支撑轮要与 管壁贴合,平衡探头所受重力与磁铁的吸力,支撑轮 的选材既要保证材料的硬度可以起到支撑作用,又要 材料自身具有一定的弹性,保证探头机构通过焊缝、 变形管道时不产生振动。 最终确定支撑轮轮毂采用 不锈钢材料,外面浇铸高强度聚氨酯材料。 支撑轮架 底部的3 根支撑筋起到定位、支撑作用,方便铁心的安 装、拆卸。 支撑轮架下面的旋转轴是万向旋转机构的 一部分,与旋转块配合可以实现探头机构沿管道圆周 方向的摆动。 图 3 支撑轮架示意图 2.3 弹簧支撑机构设计 由于探头机构的支撑轮架比较大,设计前、后两 套弹簧支撑机构进行支撑。 前、后弹簧支撑机构是探 头机构的主要支撑受力机构图 4,探头机构遇到管 道变形时,靠前、后弹簧支撑机构的弹簧压缩以适应 管道变形,要求弹簧具有足够的压缩量。 同时探头机 构通过变形管道时,压缩弹簧具有足够的刚度可以将 18 Pipeline Technique and EquipmentNov． 2015 支撑轮架等机构顶起,保证探头壳与管壁贴合。 弹簧 支撑机构支撑臂连接旋转块,与旋转轴配合构成万向 旋转机构。 a后弹簧支撑机构b前弹簧支撑机构 图 4 前、后弹簧支撑机构示意图 2.4 探头机构最终结构 裂纹检测器探头机构的最终结构如图 5 所示,主 要由前弹簧支撑弹簧连杆机构、后弹簧支撑弹簧 滑块机构、万向旋转机构、弧形支撑轮、探头壳、激励 电路、磁铁钢刷等零部件组成。 弹簧连杆机构、弹簧 滑块机构通过万向旋转机构与支撑轮架连接,支撑轮 架上安装铁心,磁铁钢刷、探头壳等安装于铁心上。 图 5 裂纹检测器探头机构示意图 2.5 探头机构工作过程分析 将此裂纹探头机构安装于检测器骨架上,进入管 道时,探头机构压缩,弧形支撑轮起到导向作用,在 前、后支撑弹簧与磁铁吸引力作用下,探头机构自动 调整空间位置直至弧形支撑轮与管壁贴合。 当遇到 变形管段时,探头机构在前、后弹簧支撑机构,万向旋 转机构的作用下,能适应管道径向、轴向和圆周方向 一定的变形量,探头壳自身柔性支撑机构便于探头机 构通过管道焊缝及小变形处,保证探头壳与管壁的贴 合,确保检测顺利进行。 2.6 裂纹探头机构的机械性能测试 将探头机构固定于动态试验台进行机械性能测试, 探头机构以≤2 m/ s 的速度运行,通过模拟焊缝时,探 头机构没有振动,探头壳能顺利通过模拟焊缝,在自身 弹簧的作用下,始终与管壁贴合。 此探头机构累计运行 距离大于 250 km,耐磨片磨损均匀图 6,没有破损。 其他零部件强度满足要求,没有破坏痕迹。 图 6 实验后耐磨片照片 图 7 为一定压缩量下探头机构的照片,最大径向 压缩量为 100 mm,满足径向压缩要求。 前、后弹簧支 撑机构各自可以单独作用,在行程范围内,探头可以 呈现出前高后低或者前低后高的姿态,可适应一定量 的管道轴向变形。 前、后两个万向旋转机构摆动正 常,满足探头机构沿管道圆周方向摆动的要求。 图 7 一定压缩量下探头机构姿态照片 3 结束语 在国外,基于超声波、漏磁、电磁超声等技术而研 制的裂纹检测器已经成功应用在现场检测,国内尚处 于实验室研究阶段,距离现场应用还有一定的差距。 此次设计的裂纹探头机构经试验测试,其各零部件的 机械强度、耐磨片的耐磨性能均满足现场应用的要 求,但配套的电磁超声技术还有待进一步提高。 参考文献 [1] 郑贤斌.油气管道裂纹缺陷检测技术探讨.石油规划设 计,2008,19236-38;41. [2] 宋小春,黄松岭,赵伟.天然气长输管道裂纹的无损检测 方法.天然气工业,2006,267103-106. [3] 黄松岭,叶朝峰,王珅,等.天然气管道裂纹电磁超声检测 器研制.无损检测,2009,3110827-829. [4] 曹崇珍,赵晓光,张永江,等. 基于磁致伸缩效应的管壁 轴向裂纹缺陷内检测装置中国, CN102798666A . 2012- 11-28. [5] 曹崇珍,赵晓光,张永江,等. 油气管道裂纹检测器的探 头机构中国,CN102788848A . 2012-11-21. 作者简介臧延旭1983,工程师,硕士研究生,主要从事管 道清管器、检测器的研制工作。 E-mailzangyanxu