基于聲發(fā)射的油氣管道腐蝕檢測

楊洪銀 王澤旭 陳祎平 代召衛(wèi) 梁春宇

1海南大學(xué)材料與化工學(xué)院2北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3華北油田采油二廠

基于聲發(fā)射的油氣管道腐蝕檢測

楊洪銀1王澤旭2陳祎平1代召衛(wèi)3梁春宇3

1海南大學(xué)材料與化工學(xué)院2北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3華北油田采油二廠

目前常用的油氣管道腐蝕檢測大多采用無損檢測技術(shù)，包括超聲檢測、渦流探傷、漏磁檢測等。這類無損檢測方法需要對(duì)管道進(jìn)行逐段式掃描，而油氣管道距離長，進(jìn)行無損檢測有一定困難。在油氣管道的腐蝕過程中，一直會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，油氣管道不同的腐蝕形式、腐蝕強(qiáng)度，將會(huì)產(chǎn)生不同頻率、幅值的聲發(fā)射信號(hào)。因此，通過檢測油氣管道腐蝕時(shí)所釋放的聲發(fā)射信號(hào)，分析信號(hào)的特征，提取出跟油氣管道腐蝕狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)特征數(shù)據(jù)，就可以判斷出油氣管道的腐蝕損傷狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù)，觀察油氣管道在不同的腐蝕條件、腐蝕性質(zhì)及強(qiáng)度下的各參數(shù)的變化情況，從而確定正確的管道維護(hù)策略，以預(yù)防油氣管道發(fā)生泄漏等事故。

油氣管道；管道腐蝕；聲發(fā)射檢測；頻率

引言

管道運(yùn)輸是目前運(yùn)用最廣、輸送量最大、最可靠、最有效的油氣運(yùn)輸方式。我國也大量采用油氣管道運(yùn)輸石油和天然氣。油氣管道在投入運(yùn)營后，隨著服役時(shí)間的增長，油氣管道自身受到環(huán)境的影響越來越大，管道的腐蝕問題就越嚴(yán)重。當(dāng)油氣管道腐蝕發(fā)展到一定程度時(shí)，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)導(dǎo)致油氣管道出現(xiàn)腐蝕泄漏、管道爆炸等生產(chǎn)事故。因此，對(duì)油氣管道腐蝕狀態(tài)的檢測是目前亟待解決的問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理管道腐蝕具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前常用的油氣管道腐蝕檢測大多采用無損檢測技術(shù)，包括超聲檢測、渦流探傷、漏磁檢測等[1]。這類無損檢測方法需要對(duì)管道進(jìn)行逐段式掃描，而油氣管道距離長，進(jìn)行無損檢測有一定困難。隨著聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射檢測方法越來越多地應(yīng)用于材料的腐蝕、疲勞、裂紋檢測等。聲發(fā)射技術(shù)靈敏度高，監(jiān)測效率高[2]，可以同時(shí)監(jiān)測一定范圍內(nèi)的管道工作狀態(tài)。

1 聲發(fā)射檢測機(jī)理

如果建筑結(jié)構(gòu)或者部件在受到一定力作用時(shí)，該結(jié)構(gòu)或者部件會(huì)出現(xiàn)變形，此時(shí)因結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生的應(yīng)變能會(huì)以彈性波的形式釋放出去。聲發(fā)射技術(shù)就是通過檢測這種彈性波，識(shí)別結(jié)構(gòu)或者部件是否發(fā)生變形、損傷。材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時(shí)，不同彈性波的頻率也將不同，變形越大，甚至出現(xiàn)斷裂、裂紋等現(xiàn)象，則釋放的彈性波越強(qiáng)，聲發(fā)射設(shè)備檢測到這些彈性波時(shí)，就會(huì)記錄下來，從而進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)或者材料損傷狀態(tài)。根據(jù)聲發(fā)射技術(shù)的檢測原理可知，聲發(fā)射技術(shù)是一種材料或者結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的無損檢測，而且可以檢測一定范圍內(nèi)材料或者結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)[3]。

油氣管道的腐蝕存在著多種方式。管道由于途徑地域、服役環(huán)境的原因，與環(huán)境中的水、氣、礦物質(zhì)成分等發(fā)生接觸和反應(yīng)，其中，管道材料的電化學(xué)腐蝕可以認(rèn)為是一種化學(xué)或者電化學(xué)的反應(yīng)。油氣管道發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，管道的材料會(huì)出現(xiàn)變化，這種變化會(huì)釋放能量，產(chǎn)生彈性波，聲發(fā)射設(shè)備檢測到該彈性波后，輸出聲發(fā)射信號(hào)。管道發(fā)生其他腐蝕現(xiàn)象（如氫鼓泡），也伴隨著能量的釋放，也產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。

除了油氣管道的多種腐蝕過程會(huì)釋放能量，產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)之外，由管道的腐蝕引起的其他現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。例如，隨著管道服役時(shí)間的增加，因油氣管道的腐蝕，管道表面會(huì)形成腐蝕層，當(dāng)腐蝕層增加到一定程度時(shí)，腐蝕層會(huì)出現(xiàn)脫落，此時(shí)會(huì)伴隨著聲發(fā)射信號(hào)。另外，在油氣管道腐蝕過程中，管道表面所產(chǎn)生的化合物、氣泡的吸附、脫附等，均會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，據(jù)測算，大概可以產(chǎn)生幾百微伏聲發(fā)射信號(hào)。從材料的微觀結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)油氣管道發(fā)生腐蝕現(xiàn)象時(shí)，管道材料微觀結(jié)構(gòu)結(jié)晶轉(zhuǎn)化或結(jié)晶脫落，都會(huì)產(chǎn)生幾十毫伏的聲發(fā)射信號(hào)。

綜上所述，在油氣管道的腐蝕過程中，一直會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，而油氣管道不同的腐蝕形式、腐蝕強(qiáng)度，將會(huì)產(chǎn)生不同頻率、幅值的聲發(fā)射信號(hào)。因此，通過檢測油氣管道腐蝕時(shí)所釋放的聲發(fā)射信號(hào)，分析信號(hào)的特征，提取出跟油氣管道腐蝕狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)特征數(shù)據(jù)，就可以判斷出油氣管道的腐蝕損傷狀態(tài)。圖1所示為油氣管道腐蝕的聲發(fā)射檢測原理。

圖1 聲發(fā)射檢測油氣管道腐蝕原理

2 聲發(fā)射信號(hào)分析

油氣管道腐蝕可以產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，當(dāng)檢測到聲發(fā)射信號(hào)后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特征，提取出不同腐蝕狀態(tài)、腐蝕強(qiáng)度下的聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)。

由油氣管道腐蝕時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)可見，腐蝕所釋放的聲發(fā)射信號(hào)屬于一種波形信號(hào)，目前大部分的波形信號(hào)分析方法也可以用于聲發(fā)射信號(hào)的分析中。在本文中，將采用兩種方法來分析油氣管道腐蝕的聲發(fā)射信號(hào)：①聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域特征分析；②聲發(fā)射信號(hào)的頻域特征分析。

2.1 聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域特征分析

根據(jù)發(fā)射信號(hào)的時(shí)域分析方法，提取時(shí)域特征參數(shù)。時(shí)域特征參數(shù)分為有量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)兩種，表1列出了一些常用的時(shí)域特征參數(shù)的概念和計(jì)算方法。

表1 聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù)

采用表1所示的參數(shù)計(jì)算方法，可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的管道聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù)，觀察油氣管道在不同腐蝕條件、腐蝕性質(zhì)和腐蝕強(qiáng)度下的各參數(shù)的變化情況。

2.2 聲發(fā)射信號(hào)頻域特征分析

油氣管道的聲發(fā)射信號(hào)頻域分析主要是對(duì)不同腐蝕情況下聲發(fā)射信號(hào)的頻率信息進(jìn)行分析。根據(jù)管道腐蝕時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，可以確定不同程度的腐蝕狀態(tài)下所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)在信號(hào)幅值、頻率、能量等方面存在的區(qū)別。

在波形信號(hào)的頻域分析方法中，常用的頻域分析方法主要有傅里葉變換和小波分析，傅里葉變換的定義為

式中f(t)為原始信號(hào)。

經(jīng)過變換之后，就可以得到聲發(fā)射信號(hào)在頻域上的分布情況，從而獲取聲發(fā)射信號(hào)的頻率信息。應(yīng)用傅里葉變換的前提條件是聲發(fā)射信號(hào)能夠滿足狄里赫利條件，即在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)間斷點(diǎn)，而且在這些間斷點(diǎn)上，函數(shù)是連續(xù)的；在一個(gè)周期內(nèi)有有限個(gè)極值點(diǎn)，而且絕對(duì)可積。本文所采集到的油氣管道聲發(fā)射信號(hào)符合進(jìn)行傅里葉變換的條件。

3 腐蝕檢測應(yīng)用

采集實(shí)際油氣傳輸管道在不同的腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)。選擇某區(qū)段油氣管道，管道規(guī)格為?720 mm×10 mm，該油氣管道的初始壁厚為8.0 mm。分別測量了該管道3種腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)：①管道腐蝕深度為1.0～2.5 mm；②管道腐蝕深度為2.5～4.5 mm；③管道腐蝕深度為4.5～5.5 mm。在油氣管道檢測過程中，當(dāng)檢測到管道腐蝕深度大于5 mm時(shí)，管道就被認(rèn)定為嚴(yán)重腐蝕，需要更換和維護(hù)。

對(duì)于3種不同的油氣管道腐蝕聲發(fā)射信號(hào)，分別進(jìn)行了時(shí)域分析和頻域分析[4]。根據(jù)時(shí)域分析結(jié)果，3種狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)區(qū)別并不明顯，無法有效區(qū)分。而3種聲發(fā)射信號(hào)的頻域分析結(jié)果顯示，在不同的腐蝕狀態(tài)下，3種腐蝕狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)頻率存在很大的差異，因此可以根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的頻率信息，判斷出油氣管道的腐蝕狀態(tài)。利用油氣管道在3種不同的腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)及其頻率信息，可以成功地檢測出油氣管道的腐蝕情況，并可以根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的分析結(jié)果，確定油氣管道具體的腐蝕狀態(tài)，從而確定正確的管道維護(hù)策略，預(yù)防油氣管道發(fā)生泄漏等事故。

4 結(jié)語

為了預(yù)防和避免油氣管道泄漏事故的發(fā)生，在石油、天然氣的運(yùn)輸過程中，油氣管道的腐蝕檢測非常重要。在現(xiàn)代無損檢測技術(shù)中，針對(duì)油氣管道管線長、環(huán)境復(fù)雜、管道封閉的情況，聲發(fā)射技術(shù)是非常有效、實(shí)用、性價(jià)比高的油氣管道腐蝕檢測技術(shù)。本文分析了油氣管道腐蝕過程中聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生原理和聲發(fā)射信號(hào)分析方法，利用現(xiàn)場實(shí)際采集的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)，分析油氣管道的腐蝕情況，證明聲發(fā)射技術(shù)可以有效地應(yīng)用于油氣管道的腐蝕檢測。

[1]馮小剛，張紹鵬，單國平，等．埋地管道PCM及超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2015，34（1）：79-80.

[2]張偉成．無損檢測新技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2008，27（2）：76-77.

[3]張虹．管道腐蝕及泄漏的聲發(fā)射檢測技術(shù)研究[D]．天津：天津大學(xué)，2007：11-12.

[4]王朝暉，張來斌，辛若家，等．聲發(fā)射技術(shù)在管道泄漏檢測中的應(yīng)用[J]．中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，31（5）：87-90.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.016

2015-06-11