油气管道无损检测技术

油气管道无损检测技术
管道作为大量输送石油、气体等能源的安全经济的运输手段,在世界各地得到了广泛应用,为了保障油气管道安全运行,延长使用寿命,应对其定期进行检测,以便发现问题,采取措施。

一、管道元件的无损检测
（一）管道用钢管的检测
埋地管道用管材包括无缝钢管和焊接钢管。

对于无缝钢管采用液浸法或接触法超声波检测主要来发现纵向缺陷。

液浸法使用线聚焦或点聚焦探头,接触法使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探头。

所有类型的金属管材都可采用涡流方法来检测它们的表面和近表面缺陷。

对于焊接钢管，焊缝采用射线抽查或100 %检测，对于100 %检测，通常采用X射线实时成像检测技术。

（二）管道用螺栓件
对于直径> 50 mm 的钢螺栓件需采用超声来检测螺栓杆内存在的冶金缺陷。

超声检测采用单晶直探头或双晶直探头的纵波检测方法。

二、管道施工过程中的无损检测
（一）各种无损检测方法在焊管生产中的配置
国外在生产中常规的主要无损检测配置如下图一中的A、B、C、E、F、G、H工序。

我国目前生产中的检测配置主要岗位如下图中的A、C、D、E、F、G、H工序。

图一大口径埋弧焊街钢管生产无损检测岗位配置（二）超声检测
全自动超声检测技术目前在国外已被大量应用于长输管线的环焊缝检测，与传统手动超声检测和射线检测相比，其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染和降低作业强度等方面有着明显的优越性。

全自动相控阵超声检测系统采用区域划分方法，将焊缝分成垂直方向上的若干个区，再由电子系统控制相控阵探头对其进行分区扫查，检测结果以双门带状图的形式显示，再辅以TOFD (衍射时差法)和B扫描功能，对焊缝内部存在的缺陷进行分析和判断。

全自动超声波现场检测时情况复杂，尤其是轨道位置安放的精确度、试块的校准效果、现场扫查温度等因素会对检测结果产生强烈的影响，因此对检测结果的评判需要对多方面情况进行综合考虑，收集各种信息，才能减少失误。

（三）射线检测
射线检测一般使用X 射线周向曝光机或γ射线源，用管道内爬行器将射线源送入管道内部环焊缝的位置，从外部采用胶片一次曝光，但胶片处理和评价需要较长的时间，往往影响管道施工的进度，因此，近年来国内外均开发出专门用于管道环焊缝检测的X 射线实时成像检测设备。

图二管道环焊缝自动扫描X射线实时成像系统图二为美国Envision公司生产的管道环焊缝自动扫描X射线实时成像系统，该设备采用目前最先进的CMOS成像技术，用该设备完成Φ609mm(24 in) 管线连接焊缝的整周高精度扫描只需1～2 min ，扫描宽度可达75 mm，该设备图像分辨率可达80μm ，达到和超过一般的胶片成像系统。

（四）磁粉检测
磁粉检测的基础是缺陷处漏磁场与磁粉的磁相互作用。

铁磁性材料或工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面或近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大小。

国内很少对焊管坡口面进行磁粉检测。

国外使用的自动检测系统，主要采用荧光磁悬液湿法检测。

自动磁粉检测设备采用磁化线圈在钢管壁厚方向对坡口面局部磁化，同时在坡口表面喷洒荧光磁悬液，凭借在该部位装置的高分辨率摄像系统，将磁化、磁悬液喷洒区域的影像传输在旁边的监视屏上，操作人员监视屏幕，就可以及时发现磁痕影像，找出缺陷。

磁粉检测适用于检测铁磁性材料表面和近表面的缺陷，因此对于奥氏体不锈钢和有色金属等非铁磁性材料不能用磁粉检测的方法进行探伤。

由
于马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢具有磁性，因此可以进行磁粉检测。

磁粉检测可以发现表面和近表面的裂纹、夹杂、气孔、未熔合、未焊透等缺陷，但难以发现表面浅而宽的凹坑、埋藏较深的缺陷及与工件表面夹角极小的分层。

三、钢质管道管体无损检测技术
钢质管道管体的无损检测，主要就是管体的完整性（如剩余壁厚、管道缺陷、表面腐蚀形态、腐蚀产物类型、腐蚀深度等）检测。

表一列出了目前常用的管道检测技术及其检测内容。

表一管道检测技术分类
（一）弹性波检测技术
弹性波检测是利用管道泄漏引起的管道内压力波的变化来进行诊断定位，一般可分为声波、负压力波和压力波三种。

其主要工作原理是利用安置好的传感器来检测管道泄漏时产生的弹性波并进行探测定位。

这种技术的关键是区分正常操作时和发生泄漏时的弹性波。

目前有两种方法，一
种是利用硬件电路的延时来进行信号过滤，另一种是结合结构模式识别和神经网络来区分正常操作时和发生事故时产生的不同波形，从而更好地监测管道的运行。

（二）漏磁通检测技术
漏磁式管道腐蚀检测设备的工作原理是利用自身携带的磁铁，在管壁圆周上产生一个纵向磁回路场。

如果管壁没有缺陷，则磁力线封闭于管壁之内，均匀分布。

如果管内壁或外壁有缺陷，则磁通路变窄，磁力线发生变形，部分磁力线将穿出管壁产生漏磁。

漏磁检测原理图三所示。

图三漏磁检测原理
漏磁场被位于两磁极之间的紧贴管壁的探头检测到，并产生相应的感应信号。

这些信号经滤波、放大、模数转换等处理后被记录到检测器上的存储器中，检测完成后，再通过专用软件对数据进行回放处理、判断识别。

从整个检测过程来说，漏磁检测可分为图四所示的四个部分：
图四漏磁检测流程图
漏磁检测技术的优点：（1）易于实现自动化；较高的检测可靠性；（2）可以实现缺陷的初步量化；（3）在管道检测中，厚度达到30mm的壁厚范
围内，可同时检测内外壁缺陷；（4）高效，无污染，自动化的检测可以获得很高的检测效率。

漏磁检测技术的局限性：（1）只适用于铁磁材料；（2）检测灵敏度低；（3）缺陷的量化粗略；（4）受被检测工件的形状限制由于采用传感器检测漏磁通，漏磁场方法不适合检测形状复杂的试件；（5）漏磁探伤不适合开裂很窄的裂纹，尤其是闭合型裂纹；（6）不能对缺陷的类型或者缺陷的严重程度直接作定量性的分析。

（三）超声波检测技术
管道超声检测是利用现有的超声波传感器测量超声波信号往返于缺陷之间的时间差来测定缺陷和管壁之间的距离；通过测量反射回波信号的幅值和超声波探头的发射位置来确定缺陷的大小和方位。

图五为超声波检测原理图, 图中Wt代表管道正常壁厚, SO代表超声波探头与管道内表面间的标准位移。

图五超声波检测原理图
超声波检测技术的优点：（1）检测速度快，检测成本低；（2）检测厚度大，灵敏度高；（3）缺陷定位较准确；（4）对细微的密闭裂纹类缺陷灵
敏度高。

超声波检测的缺点：（1）由于受超声波波长的限制，该检测法对薄管壁的检测精度较低，只适合厚管壁，同时对管内的介质要求较高；（2）当缺陷不规则时，将出现多次反射回波，从而对信号的识别和缺陷的定位提出了较高要求；（3）由于超声波的传导必须依靠液体介质，且容易被蜡吸收，所以超声波检测器不适合在气管线和含蜡高的油管线上进行检测，具有一定局限性。

（四）电磁超声检测
电磁超声技术（EMAT）是20世纪70年代发展起来的无损检测新技术。

这一技术是以洛仑兹力、磁致伸缩力、电磁力为基础，用电磁感应涡流原理激发超声波。

电磁超声的发射和接收是基于电磁物理场和机械波振动场之间的相互转化，两个物理场之间通过力场相互联系。

从物理学可知，在交变的磁场中，金属导体内将产生涡流，同时该电流在磁场中会受到洛仑兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。

与之相反，该效应具有可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。

人们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。

与传统压电超声换能器相比，EMA的优点主要有：（1）非接触检测，不需要耦合剂；（2）可产生多种模式的波，适合做表面缺陷检测；（3）适合高温检测；（4）对被探工件表面质量要求不高；（5）在实现同样功能的
前提下，EMAT探伤设备所用的通道数和探头数都少于压电超声；（6）发现自然缺陷的能力强，对不同的入射角有明显的端角反射，对表面裂纹检测灵敏度较高。

EMA的缺点：（1）EMAT的换能效率要比传统压电换能器低20—40dB；（2）探头与试件距离应尽可能小；（3）EMAT仅能应用于具有良好导电性能的材料中。

（五）涡流检测技术
涡流检测技术是目前采用较为广泛的管道无损检测技术，其原理为：当一个线圈通交变电时，该线圈将产生一个垂直于电流方向（即平行于线圈轴线方向）的交变磁场，把这个线圈靠近导电体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出涡电流（简称涡流），其方向垂直于磁场并与线圈电流方向相反。

导电体中的涡流本身也要产生交变磁场，该磁场与线圈的磁场发生作用，使通过线圈的磁通发生变化，这将使线圈的阻抗发生变化，从而使线圈中的电流发生变化。

通过监测线圈中电流的变化（激励电流为恒定值），即可探知涡流的变化，从而获得有关试件材质、缺陷、几何尺寸、形状等变化的信息。

涡流检测技术可分为常规涡流检测、透射式涡流检测和远场涡流检测。

常规涡流检测受到趋肤效应的影响，只适合于检测管道表面或者亚表面缺陷，而透射式涡流检测和远场涡流检测则克服了这一缺陷，其检测信号对管内外壁具有相同的检测灵敏度。

其中远场涡流法具有检测结果便于自动化检测(电信号输出)、检测速度快、适合表面检测、适用范围广、安全方便以及消耗的物品最少等特点，在发达国家得到广泛的重视，广泛用于在
用管道的检测。

涡流检测技术的优点：（1）检测速度高，检测成本低，操作简便；（2）探头与被检工件可以不接触，不需要耦合介质；（3）检测时可以同时得到电信号直接输出指示的结果，也可以实现屏幕显示；（4）能实现高速自动化检测，并可实现永久性记录。

涡流检测技术的缺点：（1）只适用于导电材料，难以用于形状复杂的试件；（2）只能检测材料或工件的表面、近表面缺陷；（3）检测结果不直观，还难以判别缺陷的种类、性质以及形状、尺寸等；（4）检测时受干扰影响的因素较多，易产生伪显示。

（六）激光检测技术
激光检测系统主要包括激光扫描探头、运动控制和定位系统、数据采集和分析系统三个部分，利用了光学三角测量的基本原理。

与传统的涡流法和超声波法相比，激光检测（或轮廓测量）技术具有检测效率高、检测精度高、采样点密集、空间分辨力高、非接触式检测，以及可提供定量检测结果和提供被检管道任意位置横截面显示图、轴向展开图、三维立体显示图等优点。

但是激光检测方法只能检测物体表面，要全面掌握被测对象的情况，必须结合多种无损检测方法，取长补短。

（七）管道机器人检测技术
管道机器人是一种可在管道内行走的机械，可以携带一种或多种传感器，在操作人员的远端控制下进行一系列的管道检测维修作业，是一种理想的管道自动化检测装置。

一个完整的管道检测机器人应当包括移动载体、视觉系统、信号传送系统、动力系统和控制系统。

管道机器人的主要工作方式为: 在视觉、位姿等传感器系统的引导下，对管道环境进行识别，接近检测目标，利用超声波传感器、漏磁通传感器等多种检测传感器进行信息检测和识别，自动完成检测任务。

其核心组成为管道环境识别系统（视觉系统）和移动载体。

目前国外的管道机器人技术已经发展得比较成熟，它不仅能进行管道检测，还具有管道维护与维修等功能，是一个综合的管道检测维修系统。

四、管道外覆盖层检测技术
（一）PCM检测法
PCM（多频管中电流检测法）评价的核心是遥控地ICI电流信号的张弱来控制发射到管道表ICI的电流，通过检测到的电流变化规律，进而判断外防腐层的破损定位与老化程度。

加载到管道上的电流会产生相应的电磁场，磁场张弱与加载电流的大小成正比，同时随着传输距离增大，电流信号逐渐减小。

当管道外涂层有破损时，电流通过破损点流向大地，该点处的电流衰减率突然增大，可判定外涂层破损点的位置。

但PCM法对较近的多条管道难以分辨、在管道交叉、拐点处及存在交流电干扰时，测得数据误差大。

（二） DCVG检测技术
DCVG（直流电压梯度测试技术）的原理是对管道上加直流信号时，在管道防腐层破损裸漏点和土壤之间会出现电压梯度。

在破损裸漏点附近部位，电流密度将增大，电压梯度也随着增大。

普遍情况下，裸漏面积与电
压梯度成正。

直流电压梯度检测技术就是基于上述原理的。

在用DCVG测量时，为了便于对信号的观察和解释，需要加一个断流器在阴极保护输出上。

测量过程中，沿管线以2m的间隔在管顶上方进行测量。

DCVG的优点为能准确地测出防腐层的破损位置，判断缺陷的严重程度和估计缺陷大小，之后根据检测结果提供合理的维护和改造建议；测量操作简单，准确度高，在测量过程中不受外界干扰，几乎不受地形影响。

缺点在于整个过程需沿线步行检测，不能指示管道阴极保护的效果和涂层剥离；环境因素会引起一定误差，如杂散电流、地表土壤的电阻率等。

（三） Pearson检测法
Pearson检测法（皮尔逊检漏法）的原理是对管道施加交流信号，此信号会通过管道防腐层的破损点处流失到土壤中，因此距离破损点越远，电流密度越小，破损点的上方地表形成一个交流电压梯度。

检测过程中，两位测试员相距3~6m，脚穿铁钉鞋或手握探针，将各探测的的电压信号发回接收装置，信号经滤波、放大，即能得到检测结果。

Pearson检测法是目前国内最常用的检测技术，其优点是：（1）有较成熟的使用经验，并且检测速度较快，能沿线检测防腐层破损点和金属物体；（2）能识别破损点大小，还能测到微小漏点，长输管道的检测与运行维护中有良好的使用反馈。

Pearson检测法的不足之处在于，（1）整个检测过程需步行；（2）不能指明出缺陷的损坏程度；（3）对操作者的技能求高；（4）在水泥或沥青地面上检测接地困难。

（四）标准管/地（P/S）电位测试法
标准管/地（P/S）电位测试法的原来是采用万用表来测接地Cu/CuS04电极与管道表ICI某监测点之间的电位，通过电位与距离构成的曲线了解电位的分布，把当前电位与以往电位区别开来，可用检测来的阴极保护电位来判定是否对管道外涂层起保护作用。

目前,地面测量管道保护电位的通用方法就是标准管/地电位测试法，其优点是无需开挖管道、现场取得数据容易、检测速度快(每天10~50km)。

一般情况,每隔1km左右设一个测试桩，所以这种方法只能总体评估这一管段的防腐层，不能详细地评价防腐层缺陷，不能确定防腐层的缺陷位置以及缺陷的分布情况。

故此方法不适合用于无阴极保护或测试桩的管道。