在线检测技术在燃气管道完整性检测的应用

摘 要

摘要：综合多种在线检测技术对西宁市天然气管网进行在线检测，讨论了在线检测中遇到的问题及解决措施。关键词：城市燃气管道；完整性检测；在线检测；低频超声导波；脉冲涡流壁厚检测Appl
摘要：综合多种在线检测技术对西宁市天然气管网进行在线检测，讨论了在线检测中遇到的问题及解决措施。
关键词：城市燃气管道；完整性检测；在线检测；低频超声导波；脉冲涡流壁厚检测
Application of On-line Detection Technologies in Detection of Gas Pipeline Integrity
GAO Hailin
Abstract：The on-line detection of natural gas network in Xining City is conducted using multiple on-line detection technologies.The problems and solutions in on-line detection are discussed.
Key words：city gas pipeline；integrity detection；on-line detection；low-frequency ultrasonic wave；pulsed eddy current wall detection
1 概述
    西宁市城市天然气管网于2000年开始建设并逐步投入使用，至2005年全部投入使用。目前该市城市天然气管网共有主管道23条、支管道28条。天然气管网采用三级压力机制，分别为次高压、中压和低压。管道外防腐层为特加强级、加强级环氧煤沥青和加强级聚乙烯胶粘带，仅37km的次高压管道采用牺牲阳极阴极保护措施。目前，大部分钢质天然气管道埋地10年左右，进入了事故多发期，由防腐层破损和老化引发的泄漏事故日益增加。很大一部分钢质管道由于防腐层破坏或施工质量不达标造成局部管道腐蚀严重，对整个管网系统的安全平稳运行造成很大威胁。
    为了解西宁市埋地天然气管道的运行状况，以便及时消除安全隐患，西宁中油燃气有限公司对长约210km的埋地钢质次高压、中压管道进行了为期4个月的在线局部完整性检测。通过检测，对地下管道的运行状况有了较清晰的了解，明确了运行中需采取的维护措施，为整个管网系统安全运行提供了可靠的保证。
2 天然气管网的在线检测
    本次检测主要通过地下管道走向、埋深探查与附属设施调查、管道经过地区的环境调查、管道外防腐层检测与评价、管地电位测试、CIPS/DCVG检测、杂散电流测试、探坑检测、管道腐蚀状况检测与评价、无损检测等多种技术手段对现有天然气管道运行状况进行了解和评估。检测执行的标准与依据为[1]：SY/T 0087—95《钢质管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准》、国质检锅[2003]108号《在用工业管道定期检验规程(试行)》、SY/T 5918—2004《埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》、CJJ 95—2003《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》、SY/T 6553—2003《管道检验规范在用管道系统检验、修理、改造和再定级》。
2.1 管道走向、埋深探查
    管道走向与埋深探查应用了电压差法与管内电流检测技术。
   ① 电压差法
   电压差法，是指在管道与大地之间施加的交变电流信号通过管道防腐层的破损点时会流失到大地土壤中，因而管道中的电流密度随着与破损点的距离增大而减小，在破损点的上方地表面形成一个交流电压梯度。
    本次检测采用了SL-2098检测仪，通过将管道阀门井阀门漏铁处与信号线可靠连接，向地下管道发送特定的高频调制信号，通过探测地下管道的磁场强弱来确定地下管道的位置、走向和深度。在检测过程中，由于地下管道防腐层破损点与大地形成回路，并向地面辐射，破损点正上方的辐射信号最强。当检漏人员走到破损点附近时，检漏仪开始有反应，当走到破损点正上方时，检漏仪发出的声音最响，示值最大，从而能准确找到破损点。
    该方法可沿线检测防腐层破损点和金属物体，是目前国内最常用的检测技术。检测仪价格便宜，且在国内有较成熟的使用经验，检测速度较快。同时，该检测方法具有识别破损点大小的功能，微小的破损点均能被检测到，在长输管道检测与运行维护中的使用效果较好。但该检测方法需要沿整条管道步行检测，不能指示缺陷的严重程度、阴极保护电流效率(CP效率)和涂层剥离，易受外界电流的干扰，依赖操作者的技能，常显示不存在的缺陷信息。同时，劳动强度较大，与混凝土或沥青地面的连接困难，一般推荐检测人员穿铁钉鞋或在雨后地面潮湿时作业，以保证与大地的可靠连接。
    ② 管内电流检测技术
    管内电流检测技术(PCM)[2]又称多频管中电流法或电流衰减法，是采用等效电流原理来评价防腐层绝缘电阻。检测时，由发射机向管道发射某一频率的信号电流，电流流经管道时，在管道周围产生相应的磁场。当管道外防腐层完好时，随着管道的延伸，电流较平衡，电流无流失或流失较少，在管道周围产生的磁场比较稳定；当管道外防腐层破损或老化时，在破损处会有电流流失现象，随着管道的延伸，管道周围磁场的强度会减弱。该方法也是目前国内外应用比较成熟的一种检测方法，可长间距快速探测整条管道的防腐层状况，也可缩短间距对破损点进行定位，属于非接触地面测量，受地面环境影响较小。但测量结果不直观，不能指示CP效率和涂层剥离，易受外界电流的干扰，且需预先获得一些物理量，如管体的电阻、内电感、外电感以及防腐层的电容率等。
    在现场作业时，将发射机白色信号线与管道连接，绿色信号线与大地连接，为保证接地可靠，一般选择周边各类铁塔或钢质电线杆作为接地导体。由PCM大功率发射机向管道发送近似直流的4Hz测绘电流和128Hz/640Hz定位电流，便携式接收机能准确地探测到经管道传送的这种特殊信号，跟踪和采集该信号，输入计算机，便能测绘出管道上各处的电流。分析电流变化，同时可通过测电流和确定电流方向实现对地下管道的定位。配上A字架，可以将防腐层破损位置大约定位。在城市道路上A字架也面临无法保证可靠接地的问题，实际操作中，采用在管脚绑定浸水海绵或在下雨后道路潮湿时进行检测，可以保证检测效果。
    本次埋地管道走向与埋深探查主要使用埋地管道外防腐层状况检测仪SL-2098与RD400-PCM管道防腐层检测仪综合检测，对管道走向、埋深进行全面探查。探查结果显示城区管道埋深基本达到要求，郊区局部管道埋深不够，需加大埋深。
2.2 敷设环境调查
    敷设环境调查主要通过对管道沿线地面及周边环境现场巡查，以掌握管道外部环境及占压状况，同时通过对土壤电阻率的测定对土壤腐蚀性进行了评估。通过调查对管道敷设环境和占压情况有了全面了解，通过对125km管道沿线周围土壤电阻率的检测，得知电阻率最高为551Ω·m，最低为19.5Ω·m，大部分电阻率为40～100Ω·m，土壤整体腐蚀性较弱。
2.3 阴极保护效果测试
    共检测管地电位111处，检测结果显示，门站至二配站间全部检测点处阴极保护效果良好，由西宁市通往大通县的次高压管道(简称大通次高压管道)阴极保护效果较差。采用直流电压梯度检测方法和密间隔电位测试技术，重点对阴极保护效果较差的大通次高压管道抽取10.689km进行了检测。
    直流电压梯度(DCVG)检测方法是使用1个毫伏表和2个Cu/CuS04半电池探杖插入检测部位的地面进行电位梯度检测。该方法能准确地检测出防腐层的破损位置，可估算缺陷大小，并通过电压梯度大小判定缺陷的严重程度。测试过程中不受交流电干扰，不需拖拉电缆，受环境影响小，操作简单，准确度高。
    为消除测试柱读数上的限制，本次检测同时采用了密间隔电位测试技术(CIPS)。在CIPS埋地管道阴极保护评估检测系统中，用一根长导线把两个测试柱连接，沿管道方向以非常小的间隔测试管地电压，这样就可以提供整条管道的防护情况。用一个记录式伏特计替换常规伏特计，可以大量记录检测到的数据。该技术可以提供详细的电压情况，检测到的数据广泛地用于评估管道阴极保护情况。在CIPS埋地管道阴极保护评估检测系统中，在阴极保护系统通电运行情况下测量的埋地钢质管道电位通常称为ON电位，其并不代表真实的管地电位，包含了管道周边介质带来的IR降。去除IR降干扰后的实际极化电位(OFF电位)反映了管道真实的保护电位，通过识别全部的直流电压(ON电位)，然后通过所有的断流器(OFF电位)确定实际管地电压。这样得到的管地电压是比较准确的，可以对管道的防护情况进行更好地评估。通过检测发现，除其中的4km管段基本达到有效保护外，其余均未达到有效阴极保护，需进行修复。
2.4 外防腐层状况检测
    采用多频管中电流法并配合A字架对管道外防腐层进行检测评价。共检测次高压管道48.64km，发现漏点482处；检测中压管道162km，发现漏点535处。这些漏点大部分位于补口位置，其中漏点较多的管道为大通次高压管道和海湖路、门源路、南川东路中压管道，应对这些问题比较严重的管道采取阴极保护方法抑制局部腐蚀。
2.5 杂散电流测绘
    有效判断管道外覆盖层破损点的严重性与阴阳极状态是确保有缺陷管道安全运行的重要因素[3]。采用DCVG、杂散电流测绘仪(SCM)确定缺陷点的严重性与阳极/阴极状态。在一般情况下，采用DCVG检测技术即可，对于较复杂且重要的管道，建议采用SCM方法。因为对于有破损点的管段，使用SCM能更有效地进行杂散电流测试，找出破损点属于阳极倾向点还是阴极倾向点，为管道的运行维护与排流改造提供较多的信息。
    SCM的工作原理为：智能信号发送器发送独特的电流信号，用SCM智能感应器测量所选管道中流动的干扰电流，确定干扰电流在目标管道的流入点、流动方向和流出点[4]。
    本次检测采用SCM对40处可能存在杂散电流干扰的位置进行了杂散电流测绘，初步分析发现17处杂散电流干扰严重，应采取锌阳极块等排流措施。
2.6 低频超声导波管道缺陷检测
    低频超声导波检测技术用于检测管道的腐蚀或冲蚀，能够全面覆盖管道壁厚，仪器在一个测试点可以沿管道向两端发射低频超声导波。在本次检测中，导波发射均在管道阀门井内阀门连接法兰前接入，避免了大范围开挖。由于超声导波可以传播很长的距离，甚至在保温层下面传播，反射的回波由仪器接收并记录分析，由此评价管道的腐蚀情况，操作简便快捷。在实际操作过程中，该技术被广泛地认为是管道评估的有效方法，尤其在实验检验困难或实施检验费用昂贵的场合，更易发挥其技术优势。
    本次检测主要通过市区阀门井内裸露管道对埋地管道缺陷进行了检测，共检测管道30段，发现部分焊缝及三通位置信号异常，初步判断管道有腐蚀缺陷。
2.7 穿透防腐层的脉冲涡流壁厚检测
    在检测中，壁厚测量是一项不可缺少的检验项目，可以快捷地了解设备的腐蚀状况[1]。然而，由于很多特种设备(如大部分压力容器和压力管道等)都附有绝缘层(热绝缘、腐蚀绝缘等)，按照常规方法进行壁厚测量时，必须拆掉设备外附的保温结·构或防腐结构，有时还需对检测部位进行打磨以适于测量，但打磨会对设备本体造成一定程度的损伤。检测完成后还需花费很多时间、人力和物力去恢复其原始状态，这些工作都大大增加了检测的成本。此外，这种常规检测方法还存在一些弊端，如检测不全面、检测时间长、检测效率较低。而穿透防腐层的脉冲涡流壁厚检测方法很好地解决了这一问题。
    穿透防腐层的脉冲涡流壁厚检测方法是通过脉冲发射机激发出一个快速变化的脉冲磁场，该磁场可以在金属表面诱发产生涡流，涡流会向金属深处传播、渗透、衰减，涡流的衰减与金属的壁厚有着一定的对应关系。通过接收元件监测涡流脉冲在金属壁厚中的衰减，经过数学模型的计算，把一定信号特征的瞬态响应时间与参比值比较即可计算出被测金属的平均厚度。测量结果受一些因素的影响，包括金属性能(磁和电特性)和设备温度的变化。涡流信号的强弱取决于探头的提离距离，涡流信号的持续时间取决于剩余壁厚。
    本次共进行了30处检测，初步分析发现4处管道壁厚减薄较严重，减薄量超过公称壁厚的10%。
2.8 开挖检测
    由于市区大范围开挖的手续繁杂、成本较高，我们重点对前期非开挖检测发现问题较多的地点进行了开挖检查。通过对31处开挖检查的结果统计发现，由于防腐工作不到位，管道上的用户接气点是腐蚀破坏的多发点。
3 检测中遇到的问题及解决措施
    城市燃气管道在线检测面临的主要问题和难点为：
    ① 由于管道大部分敷设在城市交通干道下方，大规模开挖进行检验的难度很大，只能尽量采用非开挖检测技术。
    ② 由于城市道路地下各类管道情况复杂，给燃气管道检测信号的收集和判定带来很大干扰，给准确判定地下燃气管道状况带来很大困难。
    ③ 由于相关标准与法规的滞后及技术方面等诸多原因，政府管理部门尚未要求完全开展埋地钢质压力管道的定期检验工作，目前国内没有成熟的检测方案可以参考。
    ④ 目前对埋地PE管道尚无可靠的在线检测方案，PE管道状况无法检测判定。
    ⑤ 部分穿越河流、套管内敷设的管道检测难度大。
    针对以上问题，在西宁市燃气管道在线检测过程中，我们采取了各类措施，尽量保证检测结果的真实可靠及实际应用的可操作性。采取的解决措施为：
    ① 本次检测以各类非开挖检测为主，对非开挖检测发现的疑点较大的区域和管段有针对性地进行开挖检测验证，以尽量减少挖坑数量，同时保证开挖检测的有效性。
    ② 由于各类非开挖在线检测设备及方法存在一定局限性，且城市地下管网敷设环境复杂，干扰因素多，需要对现有检测方法进行有效组合，通过多种方法综合检测及数据采集评定，才能对管道运行状况有较真实客观的评定。在此次检测过程中，通过开挖检测，验证了前期非开挖检测发现的问题与实际情况非常吻合，取得了良好的效果。
    ③ 由于城市燃气管网分布广，全面在线完整性检测实施难度大且成本较高。通过前期对管道运行状况的记录及对敷设环境的全面调查，可甄别出敷设环境恶劣及运行存在较大问题的区域和管道，集中力量和设备对重点区域和管道采取重点检测，对其他区域和管道采取成本较低的方法检测。这种局部完整性检测方法是适合较大规模城市燃气管网在线检测的经济可行、效率较高的方案。
    ④ 对传统检测方法难于有效检测的穿越河流、套管内敷设等重点管段，可采用低频超声导波管道缺陷检测等先进设备和方法。
4 结语
    通过对西宁市燃气管道的在线局部完整性检测，经过多种检测设备和方法的综合测定，对在用管道安全性能及需采取的整改措施有了真实确切的结论，使管道管理各方掌握了管道运行状况，提高了日常管理的有效性，降低了运行管理成本。由于城市埋地燃气管道的非开挖检测不是直接接触式检测，尚有一些技术难题未完全解决，需要对现有的检测方法进行有效组合。因此，在确定检测方案过程中，应在结合国内外埋地钢质管道检测技术与方法原理，进行分析及总结其优缺点的基础上，提出综合检测技术，才能高效、高质量地完成检测工作，取得技术和经济的最佳组合。
参考文献：
[1] 袁厚明.地下管线检测技术[M].北京：中国石化出版社，2007：45-81.
[2] 舒江，颜达峰.浅谈PCM外防腐层检测技术的原理及应用[J].上海煤气，2009(6)：16-18.
[3] 周琰，靳世久，孙墨杰，等.埋地管道防腐层缺陷DCVG检测技术研究及应用[J].管道技术与设备，2001(5)：38-40.
[4] 梁莉嘉，陈荣清.埋地燃气管道防腐层综合检测与分级评价技术[J].煤气与热力，2009，29(6)：B42-B44.
 
    (本文作者：高海林 西宁中油城市燃气工程设计咨询有限公司 青海西宁 810000)