基于声发射的油气管道腐蚀检测.pdf

{ 4罄 9{ fj j I 2 0l _1 ． 0 9 1、 试验 研 宅 基于声发射的油气管道腐蚀检测 杨洪 银 ’ 王 泽旭 陈 讳 平 代 召 卫 。 粱春 宇。 1海 南大 学材 料 与化工 学 院2 北 京 邮电大 学计算 机 学 院3 华北 油 田采 油二厂 摘要 目前 常 用的 油 气管 道 腐蚀 检 测 大 多采 用无 损 检 测技 术 。包括 超 声检 测 、 涡 流探 伤 、 漏磁 检 测 等 。这 类 无损 检 测 方 法 需要 对 管道 进 行逐 段 式 扫描 ，而油 气 管道 距 离长 ，进 行 无损检 测 有 一 定 困难 。 在 油 气 管道 的 腐 蚀 过 程 中 ，一 直会 产 生 声发 射 信 号 ，油 气 管 道 不 同的 腐 蚀 形 式 、腐 蚀 强度 ，将 会 产 生不 同频 率 、幅值 的声 发射 信 号 。 因此 ，通 过检 测 油 气 管道 腐 蚀 时所 释 放 的声 发射 信 号 ，分析 信 号 的特 征 ，提 取 出跟 油 气 管道 腐蚀 状 态相 关 的信 号 特征 数 据 ，就 可 以 判断出油气管道的腐蚀损伤状态。根据计算得到对应的声发射信号的时域特征参数 ，观察油气 管道 在 不 同的腐 蚀 条件 、腐 蚀 性质 及 强 度 下 的各 参数 的 变化情 况 ，从 而确 定 正确 的管 道 维护 策 略 ，以预 防 油气 管道发 生 泄漏 等事 故 。 关键词 油气管道 ；管道腐蚀 ；声发射检测 ；频率 d o i 1 0． 3 96 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 68 9 6． 2 01 5． 9 ． 0 l 6 引言 管 道 运输 是 目前 运用 最广 、输 送量 最 大 、最 可 靠 、最有 效 的油气 运 输方 式 。我 国也 大量 采用 油气 管道 运 输 石 油 和天 然 气 。 油气 管 道 在 投入 运 营 后 ， 随着 服役 时 间 的增 长 ，油 气管 道 自身受 到 环境 的影 响越 来越 大 ，管道 的腐蚀 问题 就越 严 重 。当油 气 管 道腐 蚀发 展 到一定 程 度 时 ，如 果 不能及 时发现 和 处 理 ，可能 会 导致 油气 管道 出现 腐蚀 泄 漏 、管道 爆 炸 等生产事故。因此 ，对油气管道腐蚀状态 的检测是 目前亟待解决 的问题 ，及时发现和处理管道腐蚀具 有重 要 的经济 效益 和社 会效 益 。 目前 常 用 的油气 管道 腐蚀 检 测大 多采 用无 损 检 测技 术 ，包 括超 声检 测 、涡 流探 伤 、漏磁 检测 等 。 这类 无损 检 测方 法需 要对 管道 进 行逐 段 式扫 描 ，而 油气 管道 距 离长 ，进 行无 损 检测 有一 定 困难 。 随着 声发 射技 术 的发 展 ，声 发射 检测 方法 越来 越 多地 应 用 于材料 的腐蚀 、疲 劳 、裂 纹检 测等 。声发 射技 术 灵 敏度 高 ，监 测 效率 高 ，可 以 同时 监 测一 定 范 围 内的管道 工 作状 态 。 1 声发射检 测机 理 如 果 建 筑 结构 或 者 部 件 在受 到一 定 力 作 用 时 ， 该 结构 或者 部 件会 出现 变形 ，此时 因结 构 变形 而产 生 的应 变 能会 以 弹性 波 的形 式 释放 出去 。声 发 射技 术 就是 通过 检 测这 种 弹性 波 ，识别 结构 或 者部 件是 否 发生 变形 、损伤 。材料 或结 构发 生变 形 时 ，不 同 弹性 波 的频 率 也 将 不 同 ，变 形 越 大 ，甚 至 出现 断 裂 、裂纹 等现 象 ，则释 放 的弹性 波越 强 ，声 发射 设 备 检测 到 这些 弹性 波 时 ，就 会记 录下 来 ，从 而进 一 步判断结构或者材料损伤状态。根据声发射技术的 检 测原 理 可知 ，声 发射 技术 是 一种材 料 或者 结 构损 伤 状 态 的无损 检测 ，而且可 以检测一 定 范 围 内材料 或者结 构 的损 伤状 态 。 油气 管道 的腐 蚀存 在着 多 种方 式 。管道 由于途 径地 域 、服役 环境 的原 因 ，与 环境 中的水 、气 、矿 物质 成分 等发 生接 触 和反应 ，其 中 ，管道材 料 的 电 化学 腐 蚀 可 以认 为 是 一 种化 学 或 者 电化 学 的反 应 。 油气管道发生 电化学腐蚀时，管道的材料会 出现变 化 ，这种 变化 会 释放 能量 ，产 生 弹性 波 ，声发 射设 备检 测到 该 弹性 波后 ，输 出声 发射 信 号 。管道 发生 其他 腐 蚀 现 象 如氢 鼓 泡 ，也伴 随着能量 的释放 ， 也产生声发射信号 。 除 了油气 管道 的多种 腐蚀 过程 会 释放 能量 ，产 生 声 发 射 信 号 之 外 ，由 管 道 的 腐 蚀 引 起 的其 他 现 象 ，也会 导 致产 生声 发射 信 号 。例如 ，随着管 道 服 役 时间 的增 加 ，因油 气管 道 的腐蚀 ，管道 表 面会 形 成腐 蚀层 ，当腐 蚀层 增加 到 一定 程度 时 ，腐蚀 层 会 出现脱 落 ，此 时会伴 随 着声 发射 信号 。另外 ，在 油 气 管道腐 蚀 过程 中 ，管 道表 面所 产生 的 化合 物 、气 泡 的 吸 附 、脱 附 等 ，均 会 产 生 声 发 射 信 号 ，据 测 算 ，大 概可 以产生 几百 微伏 声 发射信 号 。从 材料 的 微 观结 构 分析 ，当油气 管道 发 生腐蚀 现 象 时 ，管 道 材 料微 观 结构结 晶转化 或结 晶脱落 ，都 会产 生 几 十 一 3 4 一 油气 田地 面工 程 h t t p ／ ／ w ww． y q t d mg c ． c o rn 第 3 4 卷 第 9期 2 0 l 5 ． 0 9 试验 研 究 毫 伏 的声 发射 信 号 。 综上所述 ，在油气管道 的腐蚀过程 中，一直会 产生声发射信号 ，而油气管道不同的腐蚀形式、腐 蚀强度 ，将会产生不同频率 、幅值的声发射信号 。 因此 ，通过检测油气管道腐蚀时所释放的声发射信 号 ，分析信号的特征 ，提取出跟油气管道腐蚀状态 相关 的信号 特 征数 据 ，就 可 以判 断 出油气 管 道 的腐 蚀 损 伤 状 态 。 图 1 所 示 为 油气 管 道腐 蚀 的声 发射 检 测原 理 。 图 1 声 发 射 检 测 油 气 管遁 腐 蚀 原 理 2 声发射信 号分 析 油 气 管道 腐蚀 可 以产 生 声发 射信 号 ，当检 测到 声发射信号后 ，需要对信号进行分析、处理 ，根据 声 发 射信 号 的特 征 ，提取 出不 同腐 蚀状 态 、腐 蚀强 度 下 的声 发射 信号 的特点 。 由油 气管 道腐 蚀 时声 发 射信 号 的特 点可 见 ，腐 蚀所释放的声发射信号属 于一种波形信号 ，目前大 部分的波形信号分析方法也可以用于声发射信号的 分 析 中 。在本 文 中 ，将采 用 两种 方 法来 分 析油 气管 道腐蚀的声发射信号 ①声发射信号的时域特征分 析 ；②声发射信号的频域特征分析。 2 ． 1 声 发射 信 号时 域特 征 分析 根据 发射 信 号 的时域 分 析方 法 ，提取 时域 特 征 参 数 。时 域 特 征 参 数 分 为 有 量 纲参 数 和 无 量 纲参 数 两 种 ，表 1 列 出 了一些 常 用 的 时域 特 征参 数 的概 念 和 计算 方法 。 表 1 声发射信号 的时域 特征参数 采用 表 1 所示 的参 数计 算 方法 ，可 以计算 得 到 对应 的管道声发射信号的时域特征参数 ，观察油气 管道 在不 同腐 蚀 条件 、腐 蚀性 质 和腐蚀 强度 下 的各 参数 的变 化情 况 。 2 ． 2声 发射 信 号频域 特征 分析 油气 管道 的声发 射信 号频 域分 析 主要是 对不 同 腐蚀情况下声发射信号的频率信息进行分析。根据 管道腐蚀时声发射信号的产生机理，可以确定不同 程 度 的腐 蚀 状 态 下 所 产 生 的 声 发 射 信 号 在 信 号 幅 值 、频率、能量等方面存在的区别。 在 波形 信号 的频 域分 析方 法 中 ，常用 的频 域分 析 方法 主要 有傅 里 叶变换 和小 波 分析 ，傅 里 叶变换 的定 义 为 F [ -厂 e d t 1 式中f t 1 为原始信号。 经 过变 换 之后 ，就 可 以得 到 声发 射信 号在 频域 上 的分布情况 ，从而获取声发射信号的频率信息。 应 用傅 里 叶变 换 的前 提 条件 是声 发射 信号 能够 满 足 狄 里 赫 利 条 件 ，即 在 一 个 周 期 内具 有 有 限个 间 断 点 ，而且 在这 些 间断点 上 ，函数 是连 续 的 ；在 一个 周 期 内有有 限个极 值点 ，而 且绝 对 可积 。本 文所采 集 到 的油气 管 道声 发射 信号 符合 进行 傅里 叶 变换 的 条 件 。 3 腐蚀检测应用 采集 实 际油气 传输 管道 在不 同的腐蚀 状 态下 的 声 发 射信 号数 据 。选择 某 区段油 气 管道 ，管 道规 格 为 07 2 0 m m 1 0 mm，该 油 气 管 道 的 初 始 壁 厚 为 8 ． 0 mm。分 别 测量 了该 管道 3 种 腐蚀 状 态 下 的声 发 射信号数据 ①管道腐蚀深度为 1 ． 0 2 ． 5 mm；②管 道腐蚀深度为 2 ． 5 4 ． 5 m m；③管道腐蚀深度为4 ． 5 ～ 5 ． 5 mm。在油气管道检测过程中，当检测到管道腐 蚀 深 度 大 于 5 m m时 ，管 道 就 被 认 定 为 严 重 腐 蚀 ， 需要 更换 和维 护 。 对于3 种不同的油气管道腐蚀声发射信号 ，分 别进 行 了时 域分 析 和 频 域分 析 。根 据 时 域分 析 结 果 ，3 种状态下 的声发射信号 区别并不 明显 ，无法 有 效 区分 。 而 3 种 声 发 射 信 号 的 频 域 分 析 结 果 显 示 ，在 不 同 的腐 蚀 状态 下 ，3 种 腐 蚀状 态 的声 发 射 信号 频率 存在 很 大 的差异 ，因此可 以根 据声 发射 信 号的频率信息 ，判断出油气管道的腐蚀状态 。利用 油气管道在 3 种不同的腐蚀状态下的声发射信号及 其频率信息 ，可以成功地检测出油气管道的腐蚀情 况 ，并可以根据声发射信号的分析结果 ，确定油气 管道具体的腐蚀状态 ，从而确定正 下转第3 8 页 油 气 田地 面工 程 h t t p ／ ／ w ww． y q t d mg c ． c 。 m 一3 5 4卷第 g 期f 2 0 1 5 ． 0 9 1 试验 研 究 表 3 G M 1 ，1 模 型 预 测 结 果 2 ． 3 ． 2精 度 检 验 通 过 G M 1 ，1 模 型 预测 ，得 到 的其 后 验差 检验 比值 即均方 差 比值 C为 0 ． 3 5 8 3 ，小误 差 概率 P 为 0 ． 9 6 ，根 据 表 1的 G M 1 ，1 模 型精 度 表 可 知 预 测 精 度 良好 二 级 。 由此 可 知 ，采 用 G M 1 ， 1 模 型进 行 油 气 管道 腐 蚀 速 率 的 预测 精 度 可 以满 足要求 ，且精 度还 可 以进一 步地 提高 。 2 ． 3 ． 3人 工神 经 网络预 测模 型 的建 立 在验 证 通 过 G M 1 ，1 模 型 得 到 的原 始数 据 预测 值 满 足 要求 后 ，将 G M 1 ，1 模 型 预 测值 作 为 神 经 网 络 的 输 入 样 本 即 表 3中 的 腐 蚀 速 率 值 ，实 际腐蚀监测得 到的数 据 见 表 2 作 为神 经 网 络 的 目标 值 ，利用 Ma t L a b 软 件 中 的神 经 网络 1 _ 具箱 函数编 写程 序 ，选 择合 适 的 网络训 练 函数 和 学 习 函数 进 行训 练 ，建 立人 工 神 经 网 络预 测 模 型 。 再 将 G M 1 ，1 模 型预 测 得 到 的值 作 为 网 络 的输 入值进行仿 真 ，预测结 果如表 4所示 。计 算得 到 的 c值 为 0 ． 0 7 3 6 ，小 误 差 概 率 P为 1 ． 0 ， 由表 1的 G M 1 ，1 模 型 精 度 表可 知 预 测 精 度 好 。 可 见灰 色神经网络模 型较 G M 1 ，1 模 型预测精度提高 表 4灰色神经 网络 预测 模型预测结果 一 个 等 级 ，说 明预测 值更 接 近于实 测值 。同时 也表 明用 灰色 神经 网络预测 的腐蚀 速率 更接 近 于实 际监 测值 ，其中以 2 0 1 0 年 、2 0 1 1 年 、2 0 1 2 年的值最 明显。 3 结语 随着 石油 、天然气 工 业 的不断 发展 ，管 道输 送 发挥着 越 来越 重要 的作 用 。但 随着 其使 用年 限 的增 加 ，防腐 涂层 发 生老化 、龟裂 甚至 剥离 ，进 而 发生 腐 蚀 ，会 造成 巨 大 的财 产 损失 和人 员伤 亡 ，有必 要 对 存在 腐 蚀缺 陷 的油气 管 道进行 检 i 贝 0 并 对其 剩余 寿 命 进 行 预 测 。 目前 对 管 道 腐 蚀 检 测 的 技 术 有 很 多 种 ，相 关 学者都 对 其进 行 了研究 和 改进 ，但 都有 一 定 的局 限性 ，应 针 对管 道 的腐蚀 特 征 和类 型 ，选 取 合 适 的检 测方 法 。长庆 油 田油气 管 道 主要是 以外 腐 蚀 为 主 ，防护措 施 为外 防腐 蚀层 和 阴极 保护 联合 防 护 ，故 采 用 C I P S 与 D C V G联 合 检 测 方 法 对 管 道 腐 蚀 进行 检测 ，效 果 较好 。同时在 管 道剩余 寿 命 的预 测 方法 研 究 的基 础 上 ，提 出采 用灰 色 理论 预测和人 工神经网络相结合对管道剩余寿命进行预测。 参考 文献 【 1 】 龙宪春 ．油气管道 外检测技 术现状与发 展趋势【 J ] ．管道技 术 j 设备 ，2 0 0 8 1 2 0 2 2 ． 【 2 】 吴明亮．基于灰色马尔科夫理论的油气管道腐蚀剩余寿命预NU] 管道技 术与设 备 ，2 0 0 8 5 4 3 4 4 ． 蒋晓斌 ．油气管 道腐蚀剩余 寿命的预测 方法【 J 1 ．石油 T业技 术 监督 ，2 0 0 5 4 1 8 2 0 ． [ 第一 作者 简介 ] 刘旋 西安石 油大学石 油工程 学 院在 职研 究生 ，研 究方 向 为油 气田开发 。 1 5 0 9 4 0 9 3 4 1 8 、k i 1 1 1 9 4 4 1 6 3 ． c o m 收稿 日期2 0 1 5 - 0 6 0 7 栏 目 主持杨军 上 接 第 3 5 页 确的管道维护策略 ，预防油气管道 发 生泄漏等事故。 4 结语 为 了预 防和避 免 油气 管道 泄漏 事 故 的发生 ，在 石油 、天然气 的运输过程 中，油气管道的腐蚀检测 非常 重要 。在现 代无 损检 测技 术 中 ，针对 油气 管 道 管线 长 、环 境复 杂 、管道 封 闭 的情 况 ，声 发射 技 术 是非常有效 、实用 、性价 比高的油气管道腐蚀检测 技术 。本文分析 了油气管道腐蚀过程 中声发射信号 产生 原理 和声发 射信 号分 析 方法 ，利 用 现场 实际 采 集的声发射信号数据 ，分析油气管道 的腐蚀情况 ， 证 明声 发射 技术 可 以有 效地 应用 于油 气 管道 的腐 蚀 检 测 。 参考 文献 [ 1 ] 冯小刚 ，张绍鹏 ，单 国平 ，等．埋地管 道 P C M及超 声导波检 测 技术 [ J ] l油气 田地面lT程 ，2 0 1 5 ，3 4 1 7 9 8 O ． 【 2 】 张 伟 成 ． 无 损 检 测 新 技 术 [ J ] l 油气 田地 面工 程 ，2 0 0 8 ， 2 7 27 6 7 7 【 3 】 张虹．管 道腐蚀及泄漏 的声发射检测技 术研究【 D】 ．天津 天津 大学 ，2 0 0 7l l 一 1 2 ． [ 4 ] 王朝 晖 ，张来斌 ，辛若家 ，等．声发射 技术在管道 泄漏检测 中 的应用 [ J ] ．中国石油 大学学报 自然科 学版 ，2 0 0 7 ，3 1 5 87 -9 0 ． 收稿 日期2 0 1 5 - 0 6 1 1 栏 目主持杨军 一 3 8一 油气 田地 面 工程 h t t p ／ ／ www． y q t d mg c ． c o rn