摘要：介紹了G4高清晰度復(fù)合檢測(cè)器的工作原理，闡述了其研制內(nèi)容、開(kāi)發(fā)流程。以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為例，結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程，詳細(xì)說(shuō)明了實(shí)際應(yīng)用情況�？偨Y(jié)出該復(fù)合檢測(cè)器的功能和技術(shù)指標(biāo)，理性分析了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高清晰度；管道檢測(cè)；復(fù)合檢測(cè)器；研制；應(yīng)用

管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是用于辨別管道缺陷并使之量化的一種管道完整性管理的重要工具。通過(guò)開(kāi)展管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作，可進(jìn)行剩余強(qiáng)度和金屬剩余壽命的安全性評(píng)估，為制定相應(yīng)的整治維修方案提供必要依據(jù)，并為下一次檢測(cè)分析對(duì)比積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使管道的盲目被動(dòng)維修轉(zhuǎn)化為預(yù)知性主動(dòng)維修，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)大的缺陷優(yōu)先修復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道本質(zhì)安全的可靠管理。

目前在役長(zhǎng)輸天然氣管道成熟的檢測(cè)設(shè)備主要為變形檢測(cè)器和漏磁檢測(cè)器，中國(guó)石油大學(xué)（北京）與浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司、中國(guó)石油沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心、海隆石油工業(yè)集團(tuán)以及相關(guān)科技公司合作，研制出508 mm(20英寸)全新一代G4高清晰度復(fù)合檢測(cè)器。本文重點(diǎn)闡述其工作原理、試驗(yàn)方法、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1 檢測(cè)原理

1.1 高清晰度漏磁檢測(cè)器

檢測(cè)器自身攜帶的磁單元將檢測(cè)器通過(guò)的局部管壁飽和磁化，在管壁的全圓周上形成磁回路。如果管內(nèi)壁或外壁有缺陷，管壁內(nèi)的磁力線將圍著缺陷重新分布，結(jié)果是一部分磁力線泄露出來(lái)，進(jìn)入到周圍介質(zhì)，這就是漏磁場(chǎng)。泄露的磁場(chǎng)被位于磁極之間的、緊貼管壁的探頭檢測(cè)到。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、轉(zhuǎn)換處理后被記錄到存儲(chǔ)器中，檢測(cè)結(jié)束后經(jīng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理，對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和度量，工作原理如圖1所示。

圖1  漏磁檢測(cè)原理示意

1.2 高清晰度變形檢測(cè)器

檢測(cè)器自身攜帶的角度傳感器與接觸管壁的機(jī)械探頭相連，當(dāng)機(jī)械探頭接觸管壁變形時(shí)，角度傳感器相應(yīng)產(chǎn)生變化，通過(guò)科學(xué)計(jì)算，將角度變化值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)數(shù)值并記錄到存儲(chǔ)器中，通過(guò)后期數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理，對(duì)管道變形點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和度量（圖2）。

圖2  變形檢測(cè)器原理示意

1.3 測(cè)繪單元

測(cè)繪單元集成在檢測(cè)器上，利用三軸陀螺和三軸加速度計(jì)，可精確計(jì)算推演出檢測(cè)器運(yùn)行的管道中心線軌跡走向、曲度等重要參數(shù)，結(jié)合地面標(biāo)記信息，通過(guò)后期數(shù)據(jù)分析，可對(duì)管道附件、環(huán)焊縫、缺陷等位置進(jìn)行GPS定位，實(shí)現(xiàn)管線位移監(jiān)測(cè)，嵌入GIS地理信息系統(tǒng)，提高缺陷智能化管理水平（圖3）。

圖3  測(cè)繪單元原理示意

1.4 其他檢測(cè)單元

檢測(cè)器上還可搭載其他檢測(cè)單元，例如：壁厚測(cè)量單元、彎頭角度測(cè)量單元、溫度測(cè)量單元、壓力監(jiān)測(cè)單元、水露點(diǎn)測(cè)量單元、速度控制單元等，其目的是獲得更多的管道基礎(chǔ)信息，為后期開(kāi)展管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2高清晰度復(fù)合檢測(cè)器

高清晰度復(fù)合檢測(cè)器將漏磁檢測(cè)、變形檢測(cè)、中心線測(cè)繪、壁厚測(cè)量、彎頭角度測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力監(jiān)測(cè)、水露點(diǎn)測(cè)量等檢測(cè)技術(shù)復(fù)合在一起，主要包括機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)，研發(fā)流程如圖4所示。

圖4  高清晰度復(fù)合檢測(cè)器研發(fā)流程

2.1  機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)包括檢測(cè)器的整體骨架、萬(wàn)向節(jié)、皮碗三部分。其中骨架是整個(gè)檢測(cè)器的最基本結(jié)構(gòu)，通常采用圓筒狀，在其內(nèi)集成功能單元。萬(wàn)向節(jié)具有連接作用，連接檢測(cè)器不同節(jié)，使其順利前進(jìn)且順利通過(guò)彎頭，保證萬(wàn)向節(jié)前后兩節(jié)可以按任意方向90°轉(zhuǎn)動(dòng)。皮碗具有密封作用，使檢測(cè)器前后產(chǎn)生壓差，作為檢測(cè)器前進(jìn)動(dòng)力；要有一定的過(guò)盈量（通常為內(nèi)徑的3%），具有支撐作用，使檢測(cè)器可以沿管道中心線運(yùn)行而不偏離；還要具有約10%～15%的彈性變形，保證其具有足夠的通過(guò)能力，順利通過(guò)彎頭。

2.2  電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、供電模塊、傳感器模塊、里程采集模塊等。其工作原理為：通過(guò)里程采集模塊觸發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)各類傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，最后通過(guò)優(yōu)化的大數(shù)據(jù)采集模塊，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)。電氣系統(tǒng)為檢測(cè)器的核心，要求有極高的工作穩(wěn)定性、超高信噪比、高速大數(shù)據(jù)采集，保證采集信息的準(zhǔn)確和完整。

2.3  上位機(jī)軟件系統(tǒng)

上位機(jī)軟件安裝在移動(dòng)PC上，通過(guò)測(cè)試盒與檢測(cè)器連接，按照預(yù)設(shè)的通訊協(xié)議，完成對(duì)檢測(cè)器電氣系統(tǒng)的調(diào)試，保證電氣系統(tǒng)性能狀態(tài)完好。其主要功能為：供電系統(tǒng)測(cè)試、里程標(biāo)定、時(shí)鐘標(biāo)定、探頭測(cè)試與標(biāo)定、采集與存儲(chǔ)模塊測(cè)試、數(shù)據(jù)管理等。測(cè)試過(guò)程采用實(shí)時(shí)圖形顯示方式，操作直觀清晰。

3 牽拉試驗(yàn)

高清晰度復(fù)合檢測(cè)器研發(fā)完成，先期開(kāi)展溫度、水壓、振動(dòng)、耐磨等關(guān)鍵試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格后，再對(duì)樣機(jī)進(jìn)行牽拉試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證其整體動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。牽拉試驗(yàn)流程如下。

（1）在被檢管道上預(yù)制人工缺陷，缺陷類型和大小必須滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求。

（2）標(biāo)定檢測(cè)器的所有傳感器，保證一致性。

（3）按不同速度進(jìn)行牽拉試驗(yàn)，速度范圍為0.20～5.00 m/s。

（4）將牽拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，通過(guò)已知缺陷數(shù)據(jù)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判度量，科學(xué)調(diào)整數(shù)據(jù)評(píng)判模型，要求檢測(cè)數(shù)據(jù)中的缺陷度量值與實(shí)際缺陷一一吻合，有效提高數(shù)據(jù)評(píng)判的準(zhǔn)確度。

2017年10月9日，高清晰度復(fù)合檢測(cè)器在中國(guó)石油沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心完成0.20～5.00 m/s牽拉試驗(yàn)，效果良好，證明該復(fù)合檢測(cè)器具備工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用能力（圖5）。

圖5  牽拉試驗(yàn)組圖

4 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2017年11月，使用高清晰度復(fù)合檢測(cè)器對(duì)中海油氣電集團(tuán)海南發(fā)電有限公司所轄天然氣管線實(shí)施內(nèi)檢測(cè)（圖6、圖7）顯示，檢測(cè)器運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生卡球事件，壓力、輸氣量等參數(shù)穩(wěn)定。檢測(cè)器收出后，機(jī)械外觀完好，電氣系統(tǒng)運(yùn)行正常。經(jīng)軟件回放，全程各通道信號(hào)均完好，檢測(cè)數(shù)據(jù)完整。

圖6  現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送檢測(cè)器                     圖7 現(xiàn)場(chǎng)接收檢測(cè)器

試驗(yàn)中檢測(cè)器運(yùn)行速度：0～5.00 m/s，運(yùn)行期間平均速度1.67 m/s，滿足檢測(cè)器的最佳運(yùn)行速度要求。檢測(cè)器運(yùn)行速度曲線如圖8所示。

圖8  平均速度曲線

分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該管道上共存在金屬損失6 000余處、焊縫異常信號(hào)50余處、變形點(diǎn)20余處，檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件，得出金屬損失里程分布柱狀圖（圖9）和金屬損失分布周向圖（圖10）。

圖9  金屬損失缺陷里程分布

圖10 金屬損失>5%wt分布周向圖

本次工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，高清晰度復(fù)合檢測(cè)器可清晰地檢測(cè)到變形、內(nèi)外腐蝕、制造安裝缺陷、機(jī)械損傷及其他管道金屬異常情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地管道的缺陷、管壁厚度變化、缺陷內(nèi)外分辨、管道特征（管箍、補(bǔ)疤、焊縫、三通、閥門等）的識(shí)別，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求（圖11）。

圖11 檢測(cè)器性能精度指標(biāo)

5 結(jié)束語(yǔ)

G4高清晰度復(fù)合檢測(cè)器是在成熟的三軸漏磁檢測(cè)器基礎(chǔ)上，衍生出的第四代檢測(cè)器，是目前我國(guó)最新、最先進(jìn)、完全國(guó)產(chǎn)化的管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備�？梢詮V泛應(yīng)用于油氣長(zhǎng)輸管道領(lǐng)域，用于查找管體及管件的腐蝕缺陷、機(jī)械損傷、打孔盜油口、變形缺陷及管道移位等影響管道安全運(yùn)行的重要危害因素。將腐蝕檢測(cè)、變形檢測(cè)、測(cè)繪等關(guān)鍵技術(shù)復(fù)合為一體，將大大提高對(duì)缺陷信號(hào)分析的一致性和準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)管道危害最大的變形點(diǎn)金屬損失。進(jìn)一步提高管道缺陷的評(píng)判水平，為開(kāi)展管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、剩余壽命評(píng)價(jià)和科學(xué)制定管道維保方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，從而達(dá)到延長(zhǎng)管道使用壽命的目的。

G4高清晰度復(fù)合檢測(cè)器功能齊全，使用時(shí)可根據(jù)需求隨意組合，使用方式靈活多樣。在有效提高檢測(cè)效率的同時(shí)，將大幅度降低現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成本，實(shí)現(xiàn)“降本增效”，具有很好的應(yīng)用前景。

董紹華教授： 1972年生，中國(guó)石油大學(xué)（北京）教授，博士生導(dǎo)師，管道技術(shù)與安全研究中心主任。管道完整性與安全技術(shù)專家；第五屆國(guó)家安全生產(chǎn)專家組成員；國(guó)家質(zhì)檢總局特種設(shè)備壓力管道技術(shù)委員會(huì)委員； NACE STAG 75 完整性技術(shù)專家委員會(huì)主席；北京石油學(xué)會(huì)理事兼石油應(yīng)用與儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)委員會(huì)主任；擔(dān)任2017年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“公共安全專項(xiàng)”國(guó)家儲(chǔ)備庫(kù)安全項(xiàng)目首席。主要研究方向?yàn)楣艿劳暾�性管理技術(shù)、管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)、管道信息大數(shù)據(jù)工程技術(shù)等。曾獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)25項(xiàng)，參與編制行業(yè)、企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)40余部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇。