论文部分内容阅读
摘 要： 油气管道作为输送大量石油或气体等能源的运输渠道，目前应用十分广泛。为确保油气管道的安全运行，延长使用寿命，应定期对其进行无损检测，以便及时发现问题，及时进行维修改造。
关键词： 油气管道；缺陷；无损检测
中图分类号：TG115.28 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820145－01
0 前言
石油及天然气是当前存在能源的重要形式之一，远距离运输多是通过管道来实现。但是由于年久失修、磨损、腐蚀或者意外损伤等原因造成的管道泄漏事件频繁发生，既带来了经济损失，也造成严重污染，对人身健康带来严重威胁。因此，加强对油气管道的泄漏检测和腐蚀程度检测等，可有效抑制管道泄漏、评估管道寿命，确保油气管道的正常工作。
传统的油气管道缺陷无损检测多是外部监测形式，仅对管道的腐蚀情况有粗略了解，而对管道内部失效状况的判断却效果不佳。通过检测仪器对油气管道内部实现检测是近年来发展的先进技术。管道内部检测主要是将检测仪器投放到管道内部，并利用压差随管道内的介质自动运行，对管道金属壁厚信息进行数据采集，经过计算机分析处理后提供一套完整的数据，描述管道内外壁金属损失的状态。这种管道内检测手段能获得准确数据，便于观察，可了解管道内的腐蚀程度、评估管道寿命、制定管道维修计划，实现管道的完整性管理。本文将主要介绍漏磁技术在油气管道内检测领域的应用，近年来该项技术已经在石油、钢铁等利于得以广泛使用。
1 油气管道缺陷漏磁检测原理
1.1 漏磁检测技术的工作原理
油气管道的漏磁检测装置备有自带电源，可以随着传输流体在管道中运行，且在运行过程中由励磁设备向管壁内加载恒定磁场，再通过传感器测量管道内泄漏的磁通密度，将测量数据压缩后存储至设备中。当检测装置经过缺陷位置时，就会有漏磁通泄漏，并被传感器测量到。当信号采集工作结束后，检测设备将从管道内取出，利用专用软件对测得数据实现分析与处理，判断管道内的腐蚀与缺陷情况。另外，为了方便对检测结果的观察，可以将管道中的漏磁信号绘画成色图，利用不同颜色显示不同腐蚀程度，或者以波形益线形式表示，就可以直观地从色图上显示出缺陷与腐蚀情况，再结合里程记录系统和地面标记系统来实现缺陷的轴向和周向定位，作为管道管理者进行管道寿命评估和制定维修计划的科学依据。
目前漏磁检测技术已经基本实现了对油气管道缺陷图像的重建和伪色彩处理、缺陷图像的压缩数据处理等，同时对管道缺陷实现有限元仿真，深入研究检测装置对漏磁的影响，优化漏磁检测装置。最后，再将小波神经网络应用在研究漏磁信号和缺陷的几何参数非线性关系中，以有限元仿真得到缺陷漏磁信号，以验证神经网络的真实性与可靠性，可获得较好效果。
1.2 漏磁检测技术的适用性
由于采用漏磁技术对管道的损伤与腐蚀进行检测是十分经济有效的方法，因此漏磁检测技术的智能化也得以广泛应用。现代漏磁检测技术可以发出分辨率很高的信号，并在一定范围内接受测试。但是这些信号并不能完整、清晰地显示出管道腐蚀或者其他缺陷情况，并多获得的信号进行处理。漏磁检测技术适用于中小型管道的缺陷检测中，这种方法操作简单、费用低、速度快，对管道输送中的介质不敏感，并可对油气水多的相流管道腐蚀情况实现检测，可覆盖整个圆周，检测面完整。
与常规的无损检测技术相比，漏磁检测具有量化检测结果，高效、高可靠性、低污染等优势。漏磁检测技术具有自动化程度高、在线检测能力强等特点，可满足管道运输中的快速性、连续性、在线检测等要求，在油气管道中的应用十分广泛。但是也应认识到，在实际应用中，漏磁检测技术还是存在一些缺点：
1）极易造成虚假信号。漏磁技术检测产生的信号，在腐蚀不严重但是边缘陡峭的局部腐蚀产生的信号，比腐蚀严重但是边缘平滑的腐蚀产生的信号更强，因此需要对信号实现解释，以准确评价腐蚀程度。
2）无法检测轴向缺陷。漏磁技术主要对三维机械缺陷及腐蚀坑反应敏感，但是缺乏对轴向缺陷的合理检测。
3）检测的灵敏度较低。漏磁技术的检测结果多受到管材影响，检测精度随着管壁厚度的减小而有所提高，虽然能检测出相关缺陷，但是难以确定缺陷大小。
2 油气管道漏磁检测的信号处理
管道的漏磁无损检测技术主要分为信号采集、信号处理、管道寿命分析三个阶段。信号采集工作可在线使用漏磁装置完成，信号处理及分析两阶段则属于软件处理。信号处理阶段主要实现解释、分析信号采集的原始缺陷等步骤，如图1所示：
2.1 漏磁技术的检测装置
漏磁无损检测技术通过金属表面是否溢出漏磁通，判断有无缺陷。在漏磁检测设备中，主要由汝铁硼永久磁铁励磁，采取霍尔效应传感器检测漏磁场。一般漏磁检测设备由测量节、计算机节以及电池节三部分构成，处于两个磁极之间、紧贴管壁的探头可检测到漏磁场，并发出对应的感应信号。这些信号经过放大、滤波以及模数转换等处理被记录在检测器上，等到检测完成后，再通过专业技术软件实现对数据的回放、处理、判断、识别及分析。当前，漏磁检测技术已经广泛地应用于长输管道中，以及油田集输管网、城市管网、海底管线、炼厂管网等检测。
2.2 油气管道异形物的鉴别
由于油气管道涉及到大量的T形接口、套管、阀门、焊缝等异形物，因此它们受到磁化时，也会产生漏磁场。所以应注意到，采集的数据中既含有缺陷信号，也含有非缺陷漏磁信号，这就需要鉴别者对其进行标记，这是处理漏磁信号的第一步（如图1所示）。
管道异形物的物理特征明显，所以判断漏磁信号可遵循一定规律，例如在铺设管道时使用的钢管是由钢板旋转焊接而成，其中螺旋焊缝均匀分布，因此产生的信号具有周期性，通过这一点，就可以很好地辨别信号。目前，管道异形物信号多由检测人员根据经验判断，虽然方法简单，但是其中掺杂了人为因素，会影响准确度。为了减少甚至避免这种人为误差，应在大量实际经验的基础上，针对不同异形物的特征建立漏磁信号数据库，既能为检测人员测评提供标准，又能建立智能异形物鉴别基础。智能化异形物鉴别主要在漏磁信号数据库的基础上，采取神经网络技术，实现模式识别过程。
2.3 油气管道的缺陷分析
处理漏磁信号的最终目标即通过对漏磁信号的分析，重现缺陷形状与尺寸。经过补偿信号处理，筛选与缺陷相关的信息，再进行科学合理的缺陷识别。可通过对规则伤块进行反复实验，可得知以下结果：一是测量漏磁信号峰-峰值的缺陷程度的有效方法；二是利用漏磁信号峰-峰值的间距判断长度等。这些结果将对识别缺陷起到关键作用。
在油气管道中，实际缺陷形状比较复杂，即使根据理论依据对信号实现估算，也只能获得等效矩形截面的缺陷尺寸，若想获得更真实的缺陷数据，可采取具备学习能力的神经网络技术，强化漏磁技术的应用性。
参考文献：
[1]郭彬，油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究[J].青岛科技大学：检测技术与自动化装置，2008.
[2]魏科杰，油气管道检测数据分析系统的研究与实现[J].天津大学：软件工程，2007.
[3]刘绍亮，油气管道缺陷无损检测与在线检测诊断技术[J].天然气与石油，2007（2）.
[4]王长龙、纪凤珠、王建斌、左宪章，油气管道漏磁检测缺陷的三维成像技术[J].石油学报，2007（5）.
[5]宋生奎、宫敬、才建、胡利明，油气管道内检测技术研究进展[J].石油工程建设，2005（2）.
[6]辛君君、董甲瑞、黄松岭、赵伟，油气管道变形检测技术[J].无损检测，2008（5）.
[7]王维斌，油气管道的在线检测与直接评估技术[J].石油工业技术监督，2005（5）.
[8]蒋承君、臣西民，油气管道检测技术发展和现状[J].内蒙古石油化工，2008（3）.
关键词： 油气管道；缺陷；无损检测
中图分类号：TG115.28 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820145－01
0 前言
石油及天然气是当前存在能源的重要形式之一，远距离运输多是通过管道来实现。但是由于年久失修、磨损、腐蚀或者意外损伤等原因造成的管道泄漏事件频繁发生，既带来了经济损失，也造成严重污染，对人身健康带来严重威胁。因此，加强对油气管道的泄漏检测和腐蚀程度检测等，可有效抑制管道泄漏、评估管道寿命，确保油气管道的正常工作。
传统的油气管道缺陷无损检测多是外部监测形式，仅对管道的腐蚀情况有粗略了解，而对管道内部失效状况的判断却效果不佳。通过检测仪器对油气管道内部实现检测是近年来发展的先进技术。管道内部检测主要是将检测仪器投放到管道内部，并利用压差随管道内的介质自动运行，对管道金属壁厚信息进行数据采集，经过计算机分析处理后提供一套完整的数据，描述管道内外壁金属损失的状态。这种管道内检测手段能获得准确数据，便于观察，可了解管道内的腐蚀程度、评估管道寿命、制定管道维修计划，实现管道的完整性管理。本文将主要介绍漏磁技术在油气管道内检测领域的应用，近年来该项技术已经在石油、钢铁等利于得以广泛使用。
1 油气管道缺陷漏磁检测原理
1.1 漏磁检测技术的工作原理
油气管道的漏磁检测装置备有自带电源，可以随着传输流体在管道中运行，且在运行过程中由励磁设备向管壁内加载恒定磁场，再通过传感器测量管道内泄漏的磁通密度，将测量数据压缩后存储至设备中。当检测装置经过缺陷位置时，就会有漏磁通泄漏，并被传感器测量到。当信号采集工作结束后，检测设备将从管道内取出，利用专用软件对测得数据实现分析与处理，判断管道内的腐蚀与缺陷情况。另外，为了方便对检测结果的观察，可以将管道中的漏磁信号绘画成色图，利用不同颜色显示不同腐蚀程度，或者以波形益线形式表示，就可以直观地从色图上显示出缺陷与腐蚀情况，再结合里程记录系统和地面标记系统来实现缺陷的轴向和周向定位，作为管道管理者进行管道寿命评估和制定维修计划的科学依据。
目前漏磁检测技术已经基本实现了对油气管道缺陷图像的重建和伪色彩处理、缺陷图像的压缩数据处理等，同时对管道缺陷实现有限元仿真，深入研究检测装置对漏磁的影响，优化漏磁检测装置。最后，再将小波神经网络应用在研究漏磁信号和缺陷的几何参数非线性关系中，以有限元仿真得到缺陷漏磁信号，以验证神经网络的真实性与可靠性，可获得较好效果。
1.2 漏磁检测技术的适用性
由于采用漏磁技术对管道的损伤与腐蚀进行检测是十分经济有效的方法，因此漏磁检测技术的智能化也得以广泛应用。现代漏磁检测技术可以发出分辨率很高的信号，并在一定范围内接受测试。但是这些信号并不能完整、清晰地显示出管道腐蚀或者其他缺陷情况，并多获得的信号进行处理。漏磁检测技术适用于中小型管道的缺陷检测中，这种方法操作简单、费用低、速度快，对管道输送中的介质不敏感，并可对油气水多的相流管道腐蚀情况实现检测，可覆盖整个圆周，检测面完整。
与常规的无损检测技术相比，漏磁检测具有量化检测结果，高效、高可靠性、低污染等优势。漏磁检测技术具有自动化程度高、在线检测能力强等特点，可满足管道运输中的快速性、连续性、在线检测等要求，在油气管道中的应用十分广泛。但是也应认识到，在实际应用中，漏磁检测技术还是存在一些缺点：
1）极易造成虚假信号。漏磁技术检测产生的信号，在腐蚀不严重但是边缘陡峭的局部腐蚀产生的信号，比腐蚀严重但是边缘平滑的腐蚀产生的信号更强，因此需要对信号实现解释，以准确评价腐蚀程度。
2）无法检测轴向缺陷。漏磁技术主要对三维机械缺陷及腐蚀坑反应敏感，但是缺乏对轴向缺陷的合理检测。
3）检测的灵敏度较低。漏磁技术的检测结果多受到管材影响，检测精度随着管壁厚度的减小而有所提高，虽然能检测出相关缺陷，但是难以确定缺陷大小。
2 油气管道漏磁检测的信号处理
管道的漏磁无损检测技术主要分为信号采集、信号处理、管道寿命分析三个阶段。信号采集工作可在线使用漏磁装置完成，信号处理及分析两阶段则属于软件处理。信号处理阶段主要实现解释、分析信号采集的原始缺陷等步骤，如图1所示：
2.1 漏磁技术的检测装置
漏磁无损检测技术通过金属表面是否溢出漏磁通，判断有无缺陷。在漏磁检测设备中，主要由汝铁硼永久磁铁励磁，采取霍尔效应传感器检测漏磁场。一般漏磁检测设备由测量节、计算机节以及电池节三部分构成，处于两个磁极之间、紧贴管壁的探头可检测到漏磁场，并发出对应的感应信号。这些信号经过放大、滤波以及模数转换等处理被记录在检测器上，等到检测完成后，再通过专业技术软件实现对数据的回放、处理、判断、识别及分析。当前，漏磁检测技术已经广泛地应用于长输管道中，以及油田集输管网、城市管网、海底管线、炼厂管网等检测。
2.2 油气管道异形物的鉴别
由于油气管道涉及到大量的T形接口、套管、阀门、焊缝等异形物，因此它们受到磁化时，也会产生漏磁场。所以应注意到，采集的数据中既含有缺陷信号，也含有非缺陷漏磁信号，这就需要鉴别者对其进行标记，这是处理漏磁信号的第一步（如图1所示）。
管道异形物的物理特征明显，所以判断漏磁信号可遵循一定规律，例如在铺设管道时使用的钢管是由钢板旋转焊接而成，其中螺旋焊缝均匀分布，因此产生的信号具有周期性，通过这一点，就可以很好地辨别信号。目前，管道异形物信号多由检测人员根据经验判断，虽然方法简单，但是其中掺杂了人为因素，会影响准确度。为了减少甚至避免这种人为误差，应在大量实际经验的基础上，针对不同异形物的特征建立漏磁信号数据库，既能为检测人员测评提供标准，又能建立智能异形物鉴别基础。智能化异形物鉴别主要在漏磁信号数据库的基础上，采取神经网络技术，实现模式识别过程。
2.3 油气管道的缺陷分析
处理漏磁信号的最终目标即通过对漏磁信号的分析，重现缺陷形状与尺寸。经过补偿信号处理，筛选与缺陷相关的信息，再进行科学合理的缺陷识别。可通过对规则伤块进行反复实验，可得知以下结果：一是测量漏磁信号峰-峰值的缺陷程度的有效方法；二是利用漏磁信号峰-峰值的间距判断长度等。这些结果将对识别缺陷起到关键作用。
在油气管道中，实际缺陷形状比较复杂，即使根据理论依据对信号实现估算，也只能获得等效矩形截面的缺陷尺寸，若想获得更真实的缺陷数据，可采取具备学习能力的神经网络技术，强化漏磁技术的应用性。
参考文献：
[1]郭彬，油气管道漏磁检测系统数据采集与压缩技术的研究[J].青岛科技大学：检测技术与自动化装置，2008.
[2]魏科杰，油气管道检测数据分析系统的研究与实现[J].天津大学：软件工程，2007.
[3]刘绍亮，油气管道缺陷无损检测与在线检测诊断技术[J].天然气与石油，2007（2）.
[4]王长龙、纪凤珠、王建斌、左宪章，油气管道漏磁检测缺陷的三维成像技术[J].石油学报，2007（5）.
[5]宋生奎、宫敬、才建、胡利明，油气管道内检测技术研究进展[J].石油工程建设，2005（2）.
[6]辛君君、董甲瑞、黄松岭、赵伟，油气管道变形检测技术[J].无损检测，2008（5）.
[7]王维斌，油气管道的在线检测与直接评估技术[J].石油工业技术监督，2005（5）.
[8]蒋承君、臣西民，油气管道检测技术发展和现状[J].内蒙古石油化工，2008（3）.