油氣管道缺陷檢測技術(shù)綜述

文海燕，張 冉

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，430070）

油氣管道缺陷檢測技術(shù)綜述

文海燕，張 冉

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，430070）

油氣管道泄漏將會造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，因此，需要采用管道缺陷檢測相關(guān)技術(shù)來定期對管道進行缺陷檢測，最終達到對油氣管道的保修和維護目的。本文首先歸納了油氣管道缺陷檢測技術(shù)演進過程，然后從申請人和申請量的角度進行了專利分析。

管道；缺陷檢測；技術(shù)演進

0　引言

管道是運輸石油、天然氣和成品油最經(jīng)濟、最安全有效的方式之一，廣泛應用于原油、成品油和天然氣的運輸。管道運輸已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟的命脈，且每年都以很高的速度在增長，但是隨著管道的增多，管齡的增長，管道因腐蝕破壞而造成的穿孔泄漏事故頻發(fā)。油氣管道的泄漏不僅帶來了巨大的經(jīng)濟損失，還會嚴重地污染環(huán)境并破壞生態(tài)，甚至發(fā)生火災爆炸，威脅人民的生命安全。因此，對油氣管道缺陷檢測技術(shù)的研究，是有重大意義的工作。

1　油氣管道缺陷檢測技術(shù)演進

管道缺陷檢測主要是采用特定的管道缺陷檢測傳感器對管道泄漏部位進行檢測，獲得大量原始數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)采用有效的數(shù)據(jù)處理方法進行處理，從而對管道缺陷進行識別。國外從20世紀70年代就開始對管道缺陷檢測技術(shù)進行了研究，我國對于管道缺陷檢測技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展很快。研究的一個重點是管道泄漏檢測技術(shù)。下面從這兩方面來介紹管道缺陷檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1.1管道缺陷檢測技術(shù)的初期形成階段

1965年來，美國Tuboscope公司采用軸向漏磁檢測裝置Linalog首次進行管道內(nèi)檢測。其檢測的原理為當鐵磁性材料被強大的磁場深度磁化時，若被檢材料中存在缺陷，由于缺陷部位橫截面積的突變及鐵磁性材料與空氣磁導率的差異，使得一部分磁場繞過缺陷部位，并從周圍的介質(zhì)中穿過，導致磁場局部發(fā)生畸變，這樣通過傳感器（霍爾元件或線圈）的檢測就能將磁場的變化情況通過電信號轉(zhuǎn)換記錄儲存下來，作為缺陷定位和定量的直接依據(jù)，MFL檢測數(shù)據(jù)可靠、精確，是目前國內(nèi)外公認的最完善的管道檢測手段并被廣泛地使用。1976年，BRITISH GAS公司提出了對管道缺陷進行漏磁檢測的專利申請GB1567166 A，該測試系統(tǒng)包括磁鐵14、磁極13以及對布置在管道被磁化區(qū)域的附近，對管道缺陷進行檢測的電磁場探測器9和10，該專利結(jié)構(gòu)簡單，是管道漏磁檢測系統(tǒng)的雛形，如圖1所示。

圖1　專利GB1567166 A附圖

1.2周向漏磁檢測技術(shù)的興起

上世紀70年代，美國Tuboscope 公司開始研究周向勵磁漏磁檢測系統(tǒng)，對于檢測和定量評定軸向?qū)蛉毕菥哂袧撛趦?yōu)勢，這種方法依靠環(huán)繞管道周向分布的磁化場實現(xiàn)檢測，而不是沿軸向分布的磁化場。依靠環(huán)繞管道（周向）分布的磁化場，軸向缺陷能夠明顯地改變磁場分布，并且更容易檢測。1994年，國際管道研究協(xié)會（PRCI）開始研究周向勵磁漏磁檢測，早期工作集中在研究周向勵磁漏磁檢測裂紋缺陷的可行性，最后可行性得到證明。商用周向勵磁漏磁檢測工具在上世紀 90 年代中期由 GE 公司 （British Gas 的前身） 研制，該工具成功地檢測了管道中軸向?qū)蛄鸭y。1995年，BRITISH GAS公司首先申請了采用周向漏磁檢測技術(shù)對管道內(nèi)缺陷進行檢測的專利申請GB2297666 A，其包括沿著管道12周向均勻分布的四個永磁鐵62，來對管道進行磁化，每個永磁鐵上在與管壁之間都設置有鋼刷64，將檢測的磁信號發(fā)送給相關(guān)處理設置對信號進行處理，從而對缺陷進行識別，該設備對缺陷定量評定方便有了提高，沿用至今，如圖2所示。

圖2　專利GB2297666 A附圖

漏磁檢測方法適用于中小型管道的細小缺陷檢測。該方法操作簡單、檢測速度快、檢測費用較低， 對管道輸送的介質(zhì)不敏感，可以進行油氣水多相流管道的腐蝕檢測， 可以覆蓋管道的整個圓周，且漏磁檢測具有量化檢測結(jié)果、高可靠性、高效、低污染等特點，在管道內(nèi)檢測中使用極為廣泛。但相比其它檢測方法，MFL會造成被檢測管道永久磁化，此外，軸向漏磁檢測器無法檢測軸向缺陷，周向漏磁檢測器無法檢測周向缺陷。

1.3高分辨率EMAT檢測技術(shù)的發(fā)展

進入九十年代，由于電磁超聲導波技術(shù)的發(fā)展，以及其具有的不會對被測試件造成任何影響，且無需近距離接觸被測試件、便于檢測復雜形狀的試件等優(yōu)勢，很多學者專家致力于研究將其用于對管道進行檢測，相比漏磁檢測技術(shù)而言，其不需要對被測管道進行磁化而言。電磁超聲的檢測原理是將激勵線圈置于導電金屬表面上，線圈產(chǎn)生的交變磁場作用于金屬并在金屬表面層內(nèi)感應出渦流，渦流與施加在試件上的另一外加恒定磁場相互作用，從而激發(fā)出與渦流頻率相同的超聲波，接收超聲波是上述過程的逆過程。其設備主要由電磁超聲換能器、激勵裝置和接收裝置組成。1994年，BRITISH GAS公司首先提出了對管道采用電磁超聲進行缺陷檢測的專利申請GB2259571 A，其包括檢測管道管壁的超聲波傳感器，超聲波傳感器傳播超聲波信號到管道中，隨后接收從缺陷反射回來的超聲波信號，以此來分析管道的缺陷，如圖3所示。

圖3　專利GB2259571 A

1.4三軸高清漏磁檢測技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)的漏磁檢測器通常只記錄漏磁場一個方向分量，近年來，隨著對缺陷檢出率和檢測精度的要求越來越高，其一選擇是盡量提高傳感器的分辨率，即增加探頭數(shù)量，然而對于特定管徑，探頭數(shù)量是有上限的，不可能無限制增加，因此，三周高清漏磁檢測技術(shù)應運而生。其采用三軸探頭，即在同一探頭中封裝可采集不同方向漏磁場分量的傳感器，通過多分量信號的分析，提高對缺陷的檢出率、靈敏度和尺寸判定精度。三軸高清漏磁內(nèi)檢測綜合分析了漏磁場的3個分量，可提高缺陷的識別率以及缺陷尺寸的判定精度，為缺陷的后續(xù)評價提供了更準確的參數(shù)，提高了評價結(jié)果的準確性，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。對比普通漏磁與三軸高清漏磁檢測信號發(fā)現(xiàn)，三軸高清漏磁檢測的信號通道數(shù)和信號質(zhì)量較普通漏磁高。2006年，美國GE公司研制了新一代基于三軸高清漏磁檢測技術(shù)的MagneScan，對缺陷深度、長度和寬度測量精度可以達到±10%WT、±10和±15mm（WT為管壁厚度）。國內(nèi)也有一些科研院所開展了相關(guān)的研究，2015年10月，中國石油大學（北京）申請了基于三軸漏磁檢測的小管徑連續(xù)油管內(nèi)缺陷檢測裝置的專利CN105181789 A，漏磁檢測組件設置在支撐軸1上，該漏磁檢測組件包括MEMS三軸磁力傳感器6，該MEMS三軸磁力傳感器6能夠檢測待測管道（如管徑為20mm～50mm的連續(xù)油管）內(nèi)的漏磁信號。控制單元包括數(shù)據(jù)處理模塊和無線信號傳輸模塊，該數(shù)據(jù)處理模塊能夠?qū)⒃撀┐艡z測組件檢測到的該漏磁信號進行處理，該無線信號傳輸模塊能夠?qū)⒃摂?shù)據(jù)處理模塊處理后的該漏磁信號發(fā)射，大大提高了管道的缺陷識別和評定能力。

圖4　管道缺陷檢測相關(guān)專利國內(nèi)重要申請人

2　油氣管道缺陷檢測技術(shù)專利分析

管道缺陷檢測技術(shù)的專利文獻的IPC分類號為G01N29/00及其下點組，G01N 27/82及其下點組，F(xiàn)17D5/00及其下點組。為了對國內(nèi)申請布局有一定的了解，在CNABS庫中重點分析國內(nèi)重要申請人，國內(nèi)申請量共731件，其中排名前十名的申請人的申請總量為206篇，占總量的約30%。各個申請人的申請占有量如圖4所示，從中可以看出，重要申請人為高校中國石油

天然氣集團及高校，國外基本沒有在中國申請相關(guān)專利。

為了對國內(nèi)申請布局有一定的了解，在VEN中重點分析國外申請人，國內(nèi)申請共1524件，其中排名前十名的申請人的申請總量為485篇，占總量的約30%。各個申請人的申請占有量如圖4所示，從中可以看出，重要申請人為高校中國石油天然氣集團及高校，國外基本沒有在中國申請相關(guān)專利。

為了對國外申請布局有一定的了解，在VEN中重點分析國外申請人，國外申請共4395件，其中排名前十名的申請人的申請總量為852，占總量的約30%。各個申請人的申請占有量如圖5所示，從中可以看出，重要申請人為美國GE公司和Tuboscope公司、日本住友集團（Sumitomo），美國、日本在這方面的研究處于世界前列，而前十名中沒有出現(xiàn)中國申請人。

在CNABS數(shù)據(jù)庫中，統(tǒng)計了不同年份（1980之前，1980-1989，1990-1999，2000-2009，2009-2015年）的相關(guān)數(shù)據(jù)，從圖6中可以看出，在80年以前，管道缺陷檢測技術(shù)處于萌芽階段，專利申請量較小，80年代到21世紀前幾年，是管道漏磁檢測技術(shù)蓬勃發(fā)展的階段，專利申請量有了很大的提升，而從2009年到2015年底，管道缺陷檢測技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，專利申請量直線上升，說明市場對管道缺陷檢測技術(shù)的需求很大，導致越來越多的科研院所和企業(yè)加入到該技術(shù)的研究之中。

［1］ 王為民.國內(nèi)外石油管道輸送技術(shù)發(fā)展綜述［J］.管道技術(shù)與設備，1997，27（4）： 4-8.

［2］ 廖曉玲等，工業(yè)管道漏磁檢測技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀綜述.價值工程，236-237.

［3］Dr.-Ing.Martin Klann，Thomas Beuker.Pipeline Inspection With The High Resolution EMAT ILI-Tool：Report on Field Experience［C］//proc.1PC 2006，Paper 10156 Calgary Canada：6th International Pipeline Conference，2006：1-7.

［4］ Ahmed Yamani.High-order Spectra-based Deconvolution of Ultrasonic NDT Signals for Defect Identification［J］. Ultrasonics，1997，35（7）：525-531.

［5］ 黃松嶺，葉朝峰，王珅，等.天然氣管道裂紋電磁超聲檢測器研制［J］.無損檢測，2009，31（10）：827-82.

Overview of defects detection technology for oil and gas pipeline

Wen Haiyan，Zhang Ran
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of The Patent Office，430070）

Pipeline Leak will cause huge economic losses and environmental pollution，therefore，pipeline defect detection technique related to regular pipeline defect detection for oil and gas pipelines is need to adopt to reach the final warranty and maintenance purposes.This paper summarizes the pipeline defect detection technology evolution， and the applicants and patent applications perspective is anylised.

pipeline；detection of defects；technology evolution

圖5　管道缺陷檢測相關(guān)專利國內(nèi)國外申請人

圖6　

注：本文第二作者（張冉）對文章貢獻等同第一作者。