管道內檢測技術及標準體系發展現狀

王秀麗1，朱曉紅2,夏飛3,王毅4

(1. 中國石油天然氣股份有限公司 西南管道蘭成渝輸油分公司；2.中石油燃料油有限責任公司寧波大榭倉儲分公司；3. 中石煤層氣有限責任公司忻州分公司；4. 中國石油管道公司丹東輸油氣分公司)

“十三五”期間，中國油氣管道行業實現跨越式發展，截至2015年長輸油氣管道長度已達1.5×105 km[1]。國內60%的油氣管道運行超過20 a，東部管網運行超過30 a，接近使用壽命。新建管道存在凹坑、劃傷、焊接缺陷等管道本體隱患；老管道存在腐蝕、材料性能退化、制造缺陷等管道本體安全隱患[2]。應定期進行檢測和評估，在這些隱患導致管道本體發生失效前將其識別出來，并及時消除缺陷隱患。國外管道投產后即對管道基本狀況進行檢測，管體腐蝕缺陷發展到嚴重程度前即能發現并主動修復[3]。國內管道還處在“事故后搶修”階段。內檢測技術可識別管道變形、內外缺陷、裂紋、壁厚損失和管壁材質變化等，確定管道缺陷的面積、程度、方位、位置等特征信息，為管道運行維護和安全評價提供科學依據。因此，研究國內外內檢測技術現狀對于保障國內超期服役管道安全運行具有重要的意義[4]。

1 管道內檢測技術現狀

管道完整性評價是管道完整性管理的核心，是識別管道本體安全隱患，開展管道完整性評價以及指導管道本體維護維修的基礎。完整性評價方法包括管道內檢測、管道外檢測、管道壓力實驗和直接評價法(ECDA，ICDA)，應優先選擇內檢測法。國內外管道廣泛應用的內檢測技術包括接觸、非接觸式的管道變形內檢測、漏磁內檢測(MFL)、超聲波檢測、電磁超聲檢測(EMT)等。目前國外較有名的MFL檢測公司有美國的TUBOSCOPE，英國的BRITISHGAS，美國的GE PII，加拿大的CORRPRO，德國的ROSEN，其產品實現系列化和多樣化，可向用戶提供檢測設備和檢測服務。

1.1 變形內檢測

變形內檢測技術主要用于檢測在役管道的幾何變形，如凹陷、橢圓變形和褶皺等，確定變形具體位置，并可識別管道彎頭半徑、三通、閥門、環焊縫等特征，一般要求報告大于 2%管道外徑及以上的幾何變形。變形內檢測技術還可用于新建管道的驗收，檢測施工過程中造成的管道變形，以保證管道具備清管條件。

變形內檢測器大多通過可伸縮的機械式探頭對管道內徑進行測量。為提高變形內檢測器的檢測精度，ROSEN等公司開發了高精度的變形內檢測器，如圖1所示。高精度變形內檢測器是在機械臂上封裝了電磁渦流傳感器，機械臂的轉動會觸發角度傳感器記錄管道的較大變形，而電磁渦流傳感器會進一步測量局部的微小變形，從而提高了檢測精度。該檢測器適合焊縫處的管道變形檢測，以及基于應變的凹陷評價，在 80%的置信度時，尺寸量化精度可達 0.8 mm。

1.2 漏磁內檢測

MFL技術因其對管道內環境要求不高、不需要耦合劑、適用范圍廣、價格低廉等優點，是目前應用最廣泛也是最成熟的技術。MFL技術可較好檢測宏觀體積缺陷、腐蝕和徑向裂紋等問題。缺點是表面檢測，對被檢測管道壁厚有限制，不適用于檢測管道壁厚、分層或氫致裂紋；管道缺陷無法定量分析，抗干擾能力差，空間分辨率低；檢測數據需校驗，以杜絕可能出現虛假數據。

圖1 高精度管道變形內檢測傳感器(機械臂+渦流傳感器)

傳統的漏磁內檢測器主要是基于軸向磁化、環向磁化原理，國外某公司開發的40.64 cm (16 in)螺旋磁化漏磁內檢測器，如圖2所示。與傳統漏磁內檢測器相比，三軸漏磁內檢測器不僅能精確識別腐蝕缺陷尺寸，還能識別螺旋焊縫缺陷、環焊縫缺陷、凹陷等傳統漏磁檢測器難以識別的缺陷以及管道壁厚變化，法蘭、閥門等管道結構特征，在缺陷種類和缺陷尺寸量化方面都有顯著提升，是目前優先推薦的管道內檢測技術。GE PII等公司開發的三軸高清漏磁檢測器和第五代高清晰度漏磁檢測器，代表了該類技術的最高水平。2011年，中石油成功研制出D1219高清晰度管道漏磁檢測器，硬件技術參數已經接近國外先進水平，但在漏磁信號數據分析處理質量以及缺陷尺寸量化能力等方面仍存在較大差距。

圖2 螺旋磁化漏磁內檢測器示意

1.3 超聲內檢測

超聲技術需通過液體介質與管壁進行耦合，主要應用于液體管道。超聲法適用于檢測大管徑管道，可檢測壁厚、軸向和徑向裂紋、深度和位置缺陷，檢測數據準確、直觀，缺點是需要傳播介質，不適用于檢測發生點蝕的管道、高流速和高壓力管道、蠟沉積嚴重管道。超聲技術對于缺陷探測的精度和敏感性是其他技術無法比擬的，但由于其對于管道內壁清潔度要求較高、需要介質耦合，大幅限制了其應用范圍。但未來，超聲內檢測仍是檢測管道裂紋缺陷的優選技術。

1) 超聲測厚法。超聲測厚內檢測基于超聲系統，利用計算超聲回波時間技術來測量管道的剩余壁厚，也可用于探測并測量出管壁中間的異常，如分層、氫致開裂和夾雜。超聲測厚檢測器可檢測管體普通腐蝕、焊縫附近的金屬損失、管壁劃傷或研磨相關的金屬損失。

中石油在 2011 年采用國外公司的超聲測厚內檢測完成了某成品油管線兩段管道的內檢測，由于管道內環境等因素影響，實際檢測與預期效果存在一定差距，目前壓電超聲檢測腐蝕缺陷是研究方向。

2) 超聲裂紋檢測。超聲裂紋檢測器主要用于定位和測量應力腐蝕開裂(SCC)、疲勞裂紋、焊縫缺陷、劃痕、凹槽及軸向類裂紋異常。超聲裂紋檢測器對管壁表面清潔度要求較高，同時也必須通過液體介質與管壁耦合。實際應用表明：超聲技術對于裂紋缺陷較為敏感，但對于環焊縫的不規則外形的誤判率較高。

3) 超聲相控陣法。超聲相控陣檢測器可同時實現對裂紋和金屬損失缺陷的檢測，能夠區分SCC區域的裂紋和腐蝕，區分 SCC 和管材分層，且識別量化精度較高。該技術主要由 GE PII 研發并推廣實施，據報道，2005—2009年，該技術實現商業檢測5 000 km。目前國內還沒有對該技術開展相關研發工作和工業應用的實踐報道。

1.4 電磁超聲檢測

電磁超聲技術的優點是能夠在管壁內產生超聲，不需要耦合介質，適用于輸氣管道。電磁超聲內檢測器能夠探測到的缺陷包括SCC、疲勞裂紋、焊縫缺陷等，如軸向的類似裂紋異常。同時，該技術還可通過多探頭及高采樣率探測防腐層類型及量化防腐層剝離區域的尺寸。缺點是較大的電能損耗，轉換效率低，易受噪聲影響及接受信號質量較差等。目前電磁超聲技術還處于試驗驗證階段，尚未開展工程實際應用。

其他新型內檢測技術包括渦流法、磁記憶法、弱磁法、陰保電流內檢測等，目前尚處于試驗驗證階段，尚未開展工程實際應用，但上述技術將是未來管道內檢測技術的研發熱點。

2 管道內檢測技術應用情況

國外管道內檢測大部分是針對金屬損失，金屬損失包括內/外腐蝕、管材制造缺陷和施工過程中的機械損傷，其次是幾何變形、中心線變形和SCC。針對金屬損失與焊縫缺陷，MFL仍然是最有效、最實用的內檢測技術。國外某管道公司自2002年以來實施1.24×106 km內檢測里程中有8.0×105 km為金屬損失檢測，包括漏磁和超聲測厚，大部分為高分辨率漏磁，占64%；2.7×105 km為幾何變形檢測，占22%；1.7×105 km為裂紋檢測，包括超聲裂紋、超聲相控陣、電磁超聲和環向漏磁，占14%。中石油已完成管道內檢測超過7×104 km，檢測重點是金屬損失、幾何變形和焊縫缺陷，約2×104 km為幾何變形檢測，超過 5×104 km 為漏磁檢測。

裂紋缺陷由于存在應力集中，因而是最危險的缺陷。由于開口寬度較小，漏磁檢測技術對其不敏感，通常采用超聲裂紋內檢測技術。由于焊縫形貌的影響，該技術很難應用于焊縫裂紋檢測。該技術需要耦合介質，只適用于液體管道。為解決超聲裂紋不適用于氣體管道的問題，又出現了電磁超聲技術。

焊縫缺陷較復雜，既包括填充不足、過度打磨等體積型缺陷，又包括未熔合、未焊透、咬邊等裂紋型缺陷。MFL可檢測體積型和部分裂紋型焊縫缺陷，還可探測到具有一定開口寬度的焊縫缺陷。通常用于檢測管體裂紋的超聲裂紋和電磁超聲技術由于受焊縫形貌影響較大，對焊縫缺陷識別、判定和量化方面存在較大難度。

3 管道內檢測技術關鍵指標

管道內檢測設備性能規格直接決定管道本體隱患識別是否全面、準確，也是管道運營商選擇檢測內檢測設備的重要因素，因而有必要對管道內檢測器的性能規格關鍵指標開展研究。內檢測器選型應考慮檢測靈敏性、分類能力、尺寸精度和位置精度等性能指標與被檢測管道的缺陷類型相匹配，內檢測器應在給定的管道溫度、壓力、輸送介質和流速范圍內運行。

3.1 國外內檢測標準

國外管道內檢測標準有API 1163—2013《內檢測系統鑒定》[5]、ANSI ILI-PQ—2005《內檢測技術人員鑒定和資質標準》[6]、NACE RP0102—2002《管道內檢測》[7]等，規定了內檢測項目的計劃、組織、實施等程序，內檢測數據管理和分析方法，內檢測系統設備和軟件等技術性能的鑒定，以及從事內檢測工作相關人員的資質。上述標準均未規定管道運行商如何驗證管道內檢測報告的內容。

3.2 國內內檢測標準

標準GB/T 27699—2011《鋼質管道內檢測技術規范》[8]規定了管道幾何變形檢測和金屬損失檢測的技術要求，以及檢測周期、檢測器的適用范圍等。SY/T 6597—2014《油氣管道內檢測技術規范》[9]提出了內檢測選型應考慮的因素，規定了管道幾何變形檢測、金屬損失檢測、裂紋檢測和中心線測繪的技術要求，并規定了開挖驗證中對檢測結果與現場測量結果對比分析的要求。國內標準提出了部分管道內檢測器的性能規格指標，但是未規定如何驗證管道內檢測器性能規格，例如應用開挖驗證、牽引試驗數據鑒定管道內檢測設備的性能規格，也沒有推薦管道內檢測器性能規格的關鍵指標。

3.3 關鍵指標

針對腐蝕管道的壁厚損失量，內檢測器的檢測精度與檢測缺陷特征尺寸、缺陷實際尺寸等相關，即偏差是指在一定置信水平的值。針對腐蝕造成的金屬損失，高分辨率的漏磁檢測器通常定義置信水平在80%時為10% WT(壁厚)。此外，檢出缺陷與總缺陷數比值(即檢出率POD)和缺陷識別能力(偏差)也是內檢測器性能規格的重要參數，可用定量的統計分析方法確定管道內檢測器的尺寸量化偏差、POD、識別率(POI)和誤報率(POFC)。

不同類型的內檢測器性能規格的關鍵指標存在差異。國外主流的漏磁檢測器的采樣頻率為沿管道軸向2.0～3.3 mm，按照磁化方向、分辨率和探頭布置的差異，分為普通高清漏磁檢測器、三軸高清漏磁檢測器、環向漏磁檢測器等，其中最新的三軸超高分辨率漏磁檢測器能夠滿足軸向采樣頻率為2 mm，周向探頭的間距為5 mm，可檢出直徑2 mm及以上的針孔缺陷，檢出環向開口大于0.25 mm的裂紋，軸向寬度為1 mm及以上的溝槽等規格缺陷。根據探頭布置角度的差異，超聲內檢測器可分為超聲測厚內檢測器和超聲裂紋內檢測器，其中超聲裂紋內檢測器滿足周向探頭的間距為10 mm，軸向采樣頻率為3 mm，檢測裂紋的閾值為長30 mm、深1 mm,若為焊縫裂紋，則為2 mm。

管道內檢測器的性能規格還包括設備尺寸、質量、防爆性能、通過能力、電池續航能力、運行參數等指標，也是非常重要的指標。

3.4 驗證方式

管道內檢測器性能規格的驗證方式主要是現場開挖驗證和牽引試驗。

1) 現場開挖驗證。開挖驗證可確認檢測技術是否適合，驗證報告特征是否有效。同時還可以修正檢測數據，為完整性評價提供更加精準的基礎數據。開挖驗證的樣本選擇，如缺陷尺寸、位置等，對于驗證內檢測器性能規格非常關鍵，而國內外標準針對開挖驗證的樣本選擇涉及較少。根據國內外管道內檢測實踐經驗，選擇開挖驗證的樣本，應遵守如下原則：

a) 嚴重的、需要立即修復的缺陷優先作為開挖驗證的樣本。

b) 同一開挖坑內的所有特征均應進行測量，并作為開挖驗證的數據。

c) 選擇異常特征密集的位置作為開挖驗證的樣本。

d) 對報告的明顯特征，如彎頭、支管、閥門等，進行排查并作為驗證的數據。

e) 應考慮選擇覆蓋檢測管段的前段、中部和后段位置的樣本。

f) 應考慮底部摩擦和頂部提離的效應，選擇覆蓋全圓周位置的樣本。

2) 牽引試驗。牽引試驗一般在檢測器投入運行之前進行，也是檢測服務商用來確定和優化檢測設備性能規格的方法。管道運營企業為了驗證管道內檢測器的性能規格，也可以在管道真實運行前進行牽引試驗。

4 存在的問題和建議

1) 內檢測器研發與工程應用與國外差距較大。國內在普通變形內檢測、軸向磁化漏磁內檢測和慣性測繪內檢測設備研發與工程實踐應用效果較好；但高精度的變形內檢測、環向磁化漏磁內檢測、超聲測厚內檢測、超聲裂紋內檢測、電磁超聲內檢測等系列檢測器尚未研發成功，或尚未開展相關設備研發。建議進一步加快相關高精度內檢測器的研發與工程實踐應用。

2) 裂紋內檢測技術難以有效滿足生產應用需求。油氣管道管體裂紋缺陷危害大，失效后果嚴重，國內外均非常重視管體裂紋檢測評價技術的研究與應用，但管道裂紋缺陷的內檢測技術一直是行業難題。目前，國外主要將超聲裂紋與電磁超聲用于輸油管道與輸氣管道裂紋與類裂紋如 SCC 缺陷的檢測，但具體工程應用效果與生產需求尚存在較大差距。 MFL對一定開口寬度的焊縫缺陷已經具有了檢測能力，但焊縫裂紋的檢測難度較大。超聲裂紋、電磁超聲等技術受焊縫形貌影響，對焊縫裂紋目前仍然不具備可靠的識別、判定能力。因此，需持續開展管道裂紋的內檢測技術應用研究，分析常用內外檢測方法對不同位置、不同類型裂紋檢測的適用性和檢測效果。

3) 應力集中內檢測技術尚需進一步研究突破。目前的內檢測技術主要針對管體缺陷進行檢測，而管道失效是缺陷與載荷共同作用的結果，對于管體中的附加載荷目前還沒有成熟的檢測技術。目前國內外研發的磁記憶、弱磁等內檢測技術針對管體應力集中進行檢測，將有助于更準確地開展完整性評價工作，但該技術目前還不成熟，具體的工程應用效果尚需進一步驗證評價。

4) 渦流內檢測、陰極保護電流內檢測、被動聲學泄漏內檢測以及包括爬行內檢測、牽引內檢測、視頻內檢測的非介質驅動內檢測等方法針對特殊、特定缺陷或特殊工況具有良好的工程應用前景，應進一步開展相關技術的研發與工程應用實踐。

5) 檢測缺陷類型、缺陷閾值、尺寸量化精度以及定位精度是管道企業最關心的內檢測器性能指標。同時，應對管道內檢測器關鍵指標驗證技術方法和資質鑒定方法開展研究，包括開挖驗證技術和牽引試驗方法等。