CNG儲氣井套管檢測系統(tǒng)及綜合探頭的研發(fā)

王仁濤，史紅兵

安徽省特種設(shè)備檢測院（安徽 合肥 230051）

0 引言

CNG地下儲氣井作為一種埋地高壓容器，在我國使用已近30 年，因其相比儲氣瓶、罐等方式具有安全性強、儲氣量大、使用效率高、節(jié)省空間、使用成本低等特點，近年發(fā)展迅速，已成為我國CNG 加氣站主要儲氣設(shè)備，使用率約80%[1]。但儲氣井套管深埋地下(最深達260 m)，由于地層電化學、疲勞腐蝕等原因，會造成CNG儲氣井套管局部發(fā)生細微變化，比如發(fā)生變形、腐蝕、裂痕等存在極大的安全隱患[2]，因而對儲氣井進行定期的狀況檢測顯得至關(guān)重要。

目前國內(nèi)特種設(shè)備檢驗單位所使用的檢測手段主要為利用超聲探頭對儲氣井套管的壁厚這一單一參量進行檢測[3]，然而隨著工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，CNG儲氣井的增多，僅僅通過壁厚這一參數(shù)反應CNG 儲氣井的建設(shè)質(zhì)量和運行狀態(tài)已遠遠不能滿足定期檢驗和監(jiān)管要求?，F(xiàn)有超聲探頭對CNG 儲氣井套管腐蝕和裂紋的檢測準確度較低。

分析研究了儲氣井套管的受損狀況，儲氣井在使用過程中形成的危險環(huán)節(jié)和使用方式，便于指導儲氣井安全運行使用。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

我國儲氣井設(shè)計及制造的主要參照標準和文件為SY/T 6535—2002《高壓氣地下儲氣井》[4]、《關(guān)于加強地下儲氣井安全監(jiān)察工作的通知》（質(zhì)檢辦特〔2008〕637 號）、《質(zhì)檢總局關(guān)于地下儲氣井安全監(jiān)察有關(guān)事項的公告》（2014年第42號）[5]、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[6]，這些標準或規(guī)定尚未對儲氣井定期檢驗中套管的腐蝕狀況及腐蝕部位的面積、形貌等具體參數(shù)加以要求說明。

目前開展儲氣井檢驗檢測的技術(shù)方法主要包括超聲檢測法、工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測法、渦流檢測法、漏磁檢測法等。針對在用地下儲氣井套管的腐蝕型缺陷的檢測，目前檢測能力僅能實現(xiàn)腐蝕減薄等壁厚數(shù)值檢測，無法對缺陷進行定性和定量檢測，套管變形及點型缺陷尺寸檢測目前還無法實現(xiàn)，對發(fā)現(xiàn)的缺陷部位和形狀尺寸無法精確測量及定位。為解決上述問題，調(diào)研了國內(nèi)各類儲氣井檢測或管道內(nèi)檢測儀器設(shè)備，發(fā)現(xiàn)無可以實現(xiàn)上述檢測需求的檢測設(shè)備。因此研發(fā)設(shè)計了“CNG儲氣井套管檢測系統(tǒng)及CNG 儲氣井套管檢測用綜合探頭”（專利號：ZL 201821052427.6）[7]，利用同時載有超聲波和光學信號的CNG儲氣井套管檢測用綜合探頭，實現(xiàn)對同一套管探測獲得的聲學圖像與光學圖像，將兩種圖像信息進行對比，準確采集套管受損信息。針對該檢測系統(tǒng)的主要檢測功能需求、設(shè)計制造中的關(guān)鍵方案、檢測對象的缺陷預制、檢測過程的影響因素、檢測結(jié)果驗證分析等方面進行詳細介紹，為儲氣井檢測或管道內(nèi)檢測研究人員開展類似研究和使用這種新型檢測系統(tǒng)提供一定借鑒和參考。

2 檢測系統(tǒng)功能需求與實現(xiàn)

2.1 檢測系統(tǒng)功能需求

課題組自2013 年從事安徽省范圍內(nèi)的儲氣井檢測及其相關(guān)研究工作，在大量的檢測及研究過程中對儲氣井檢測系統(tǒng)功能需求概括為實現(xiàn)預定檢測功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、檢測過程可靠穩(wěn)定、缺陷定位準確便于修復。

對于預定檢測功能，在前期開展安徽省的儲氣井檢測相關(guān)研究中已確定出部分儲氣井出現(xiàn)嚴重套管壁厚腐蝕狀況，導致儲氣井泄露已無法繼續(xù)使用，因此對于出現(xiàn)套管腐蝕較為嚴重的儲氣井，需進一步研究腐蝕部位的精確形貌及具體方位，便于實現(xiàn)對缺陷狀況的確認、評估及監(jiān)測。除腐蝕損傷影響外，儲氣井套管的軸向裂痕、周向裂痕、圓度差、面輪廓度、線輪廓度等缺陷損傷對于儲氣井的安全狀況影響如何，這些檢測功能擬采用激光探頭予以實現(xiàn)。

對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，希望對現(xiàn)有的超聲檢測探頭進行功能強化和完善，完善后的檢測探頭可以與激光探頭實現(xiàn)組合同步檢測。原有的超聲檢測裝置要克服水下檢測的密封性，檢測探頭裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復雜，選用的密封材料為普通墊圈式，經(jīng)常出現(xiàn)密封失效，導致檢測探頭內(nèi)浸水，影響檢測結(jié)果準確性。新型檢測探頭擬將超聲探頭與激光探頭集成設(shè)計，通過合理設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，檢測設(shè)備體積減小，重量減輕，現(xiàn)場檢測操作便捷。

在前期開展的儲氣井檢測中發(fā)現(xiàn)，采集的檢測信號易出現(xiàn)波動干擾，還有部分信號出現(xiàn)一定的強度衰減。因此嘗試對信號采集傳輸線路進行研究發(fā)現(xiàn)，信號的傳輸線路設(shè)計和傳輸線路的選用材質(zhì)對檢測結(jié)果的影響較為明顯。因此在研制新型檢測系統(tǒng)中，擬計劃對信號采集的傳輸線路材質(zhì)和線路布局設(shè)計進行優(yōu)化，實現(xiàn)檢測過程的可靠性、穩(wěn)定性。

對于缺陷準確定位和修復，當前還未有對儲氣井缺陷的方位定位及嘗試缺陷修復的研究或報道。在前期檢測研究中已發(fā)現(xiàn)部分儲氣井套管出現(xiàn)較為嚴重的減薄損傷，但對于這些減薄損傷處于套管的內(nèi)壁還是外壁，減薄損傷的破壞起因如何確認，減薄損傷部位是否能實現(xiàn)修復，是否有減緩控制措施等，這些功能需求還需要在新檢測系統(tǒng)中進一步研究。

2.2 檢測系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

在前述功能需求的指導原則下，聯(lián)合設(shè)備制造廠研制了新型的“CNG儲氣井套管檢測系統(tǒng)及CNG儲氣井套管檢測用綜合探頭”，檢測系統(tǒng)的綜合探頭組成示意圖如圖1所示。

圖1 綜合探頭組成示意圖

CNG 儲氣井套管檢測用綜合探頭內(nèi)設(shè)置有超聲模塊、激光模塊、數(shù)字電路固件和調(diào)制解調(diào)器，超聲模塊與數(shù)字電路固件、調(diào)制解調(diào)器依次連接，激光模塊與調(diào)制解調(diào)器連接。超聲模塊優(yōu)選由64 組高精度密集布置的超聲探頭組成，超聲探頭檢測掃描的固定精度不小于每周800點。超聲探頭初步掃查出CNG儲氣井套管面腐蝕、坑腐蝕、軸向裂痕、周向裂痕等缺陷的形貌和分布情況。激光模塊優(yōu)選由16組高精度激光探頭組成，激光探頭由激光測距儀、反射棱鏡及精密時鐘控制編碼器構(gòu)成，通過發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，經(jīng)被測套管漫反射后沿原路反向再傳回到接收器進行距離測量，運用精密時鐘控制編碼器確保同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度以及縱向掃描角度。運用激光模塊可精確測量出軸向裂痕、周向裂痕等缺陷的表面形貌尺寸及凹凸性明顯缺陷的輪廓面積及尺寸。

CNG儲氣井套管檢測用綜合探頭采用集中模塊結(jié)構(gòu)，將超聲模塊與激光模塊集中到探頭艙體內(nèi)，并采用高級密封脂和密封圈組合密封，解決防水性問題的同時，將綜合探頭的體積和重量進行了縮小，使現(xiàn)場檢測操作更便捷，優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大提升了現(xiàn)場檢測效率，降低了檢測成本及儲氣井檢測停機時長成本。為超聲模塊和激光模塊設(shè)置專路通道，實現(xiàn)各通道內(nèi)電流傳送和信號傳輸獨立分路運行，并采用光纖線路材質(zhì)，大大降低了采集信號衰減和信號在傳輸過程中的干擾波動，實現(xiàn)了檢測過程可靠性及穩(wěn)定性需求。將綜合探頭中設(shè)計搭載陀螺儀，結(jié)合激光檢測功能，可實現(xiàn)對預定缺陷的精確定位，確定缺陷處于套管內(nèi)壁還是外壁，定向輔助已確定缺陷的修復或采取減緩控制措施。

3 檢測試驗及初步試驗結(jié)果

在安徽省內(nèi)前期開展的儲氣井檢測及研究過程中發(fā)現(xiàn)，在套管壁厚腐蝕減薄這一因素滿足現(xiàn)有檢驗規(guī)程的條件下，仍然會出現(xiàn)儲氣井不明原因的泄露而導致儲氣井氣密試驗不合格的情況。因此在設(shè)計驗證試驗時，參考原油套管已經(jīng)探測出的變形、軸向裂痕、周向裂痕、圓度差、面輪廓度、線輪廓度等影響缺陷，設(shè)計了針對儲氣井套管的軸向裂痕、周向裂痕、圓度差、面輪廓度、線輪廓度等特定影響缺陷。但目前這些特定影響缺陷國內(nèi)還無法實現(xiàn)實地檢測，對為了更好地探究這些缺陷的相應檢測信號及研發(fā)的新型檢測系統(tǒng)檢測能力，根據(jù)現(xiàn)有儲氣井制造的套管材質(zhì)及規(guī)格，分別設(shè)置了同材質(zhì)同直徑規(guī)格的儲氣井套管樣管，樣管預置有軸向裂痕、周向裂痕、圓度差、面輪廓度、線輪廓度等特定缺陷，樣管的具體預置缺陷設(shè)計分別見表1，研制出的樣管如圖2所示。

圖2 研制的預置缺陷樣管

表1 樣管中預置的缺陷類型、缺陷位置、缺陷尺寸及缺陷數(shù)量

利用CNG 儲氣井套管檢測系統(tǒng)及CNG 儲氣井套管檢測用綜合探頭，對樣管開展檢測試驗，由于沒有開展該類檢測的經(jīng)驗，因此嘗試對檢測試驗環(huán)境、檢測掃查方式、檢測速度等現(xiàn)場影響因素進行了充分地探索試驗，通過在樣管內(nèi)注入清水作為耦合劑可以實現(xiàn)超聲信號的采集，保證激光信號采集所受干擾最小，檢測環(huán)境滿足了超聲信號和激光信號的同步采集需求。對于檢測掃查方式進行探索得出，由下向上檢測時測得檢測結(jié)果最為穩(wěn)定。為了同時采集獲得較準確的兩類檢測信號，檢測速度采用較低檢測速度時，可保證檢測結(jié)果較佳。

對于上述樣管開展檢測試驗，檢測結(jié)果見表2。運用激光信號通過測量圓度差的方式，檢測出了樣管的預置局部變形缺陷。運用激光信號準確檢測得出了面輪廓度數(shù)據(jù)，結(jié)合超聲信號數(shù)據(jù)綜合確定出了樣管的預置局部面腐蝕缺陷形貌。通過準確測量線輪廓度數(shù)據(jù)，確定出了樣管的預置坑腐蝕缺陷。通過超聲信號和激光信號的結(jié)合，準確測量出了軸向裂痕和周向裂痕的缺陷形貌及相應缺陷尺寸（以較難檢測的軸向裂痕為例，檢測展示分別如圖3、圖4、圖5所示）。通過綜合探頭中搭載的陀螺儀準確采集到相應缺陷的定位信息，結(jié)合對應的激光信號進一步確定出缺陷位于套管內(nèi)壁或外壁。對于預置缺陷的位置，缺陷位于樣管的端部或中部，不影響缺陷的檢出；對于缺陷位于樣管的內(nèi)部或外部，檢測試驗發(fā)現(xiàn)，對于樣管內(nèi)部的預置缺陷檢測效果更明顯。通過檢測結(jié)果表2可知，除編號14的缺陷未被檢測出外，其他缺陷均被檢測出，缺陷檢出率：13/14=93%，比已知缺陷的檢測精度高。

圖3 軸向裂痕(長×寬×深:12 mm×0.2 mm×0.5 mm)

圖4 軸向裂痕超聲檢測信號

圖5 軸向裂痕激光檢測信號

表2 CNG儲氣井套管檢測系統(tǒng)對樣管的檢測試驗結(jié)果 /mm

通過對樣管開展的檢測試驗，實現(xiàn)了對樣管上已知缺陷的驗證，進而驗證了該套檢測系統(tǒng)對軸向裂痕、周向裂痕、圓度差、面輪廓度、線輪廓度等缺陷的檢測識別能力，以及對這些缺陷的精確定位能力。初步實現(xiàn)了對檢測系統(tǒng)的重構(gòu)設(shè)計，并保證了檢測過程及檢測結(jié)果的可靠性、穩(wěn)定性。對缺陷形貌及尺寸的精確檢測，對缺陷的精確定位，對典型缺陷信號進行標定，這些檢測功能的實現(xiàn)，為研究缺陷起因發(fā)展，探尋缺陷減緩控制措施，提供了相應的研究基礎(chǔ)。

4 檢測系統(tǒng)研發(fā)討論

4.1 檢測功能的補充及完善

針對在用地下儲氣井套管腐蝕型缺陷地檢測及開展檢驗工作中出現(xiàn)的新需求，在充分調(diào)研了國內(nèi)各類儲氣井檢測或管道內(nèi)檢測儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，嘗試研發(fā)設(shè)計了“CNG 儲氣井套管檢測系統(tǒng)及CNG 儲氣井套管檢測用綜合探頭”（專利號：ZL 201821052427.6）。針對現(xiàn)有超聲檢測設(shè)備無法對檢出的減薄缺陷進行定性和定量確認的問題，嘗試將能對缺陷形貌及尺寸進行精確檢測的激光檢測裝置與超聲檢測裝置進行組合。超聲檢測與激光檢測的組合實現(xiàn)了對腐蝕減薄、缺陷形貌、缺陷尺寸的定性及定量檢測，滿足了現(xiàn)階段對儲氣井各類缺陷檢測的需求。針對已檢出缺陷的方位定位及修復，嘗試將陀螺儀裝置搭載入檢測系統(tǒng)中，輔助了缺陷的修復或指導減緩控制措施。在開展的模擬檢測試驗中，激光檢測裝置因當前制造能力所限，對于小管徑儲氣井套管內(nèi)壁檢測的激光掃查面寬度僅為9 mm，對于缺陷部位需要進行多次往復掃查，方可實現(xiàn)缺陷部位的詳細檢測。在對小管徑儲氣井開展檢測時，若需兼顧檢測效率，可僅在超聲檢測發(fā)現(xiàn)的可疑缺陷部位再開啟激光檢測功能。

4.2 對檢測能力的驗證及標定

為了驗證研發(fā)的檢測系統(tǒng)的檢測能力，參考原油套管已經(jīng)探測出的變形、軸向裂痕、周向裂痕、圓度差、面輪廓度、線輪廓度等影響缺陷，制作了儲氣井套管相應缺陷的樣管[8]，樣管上預制缺陷的類型、位置、尺寸、數(shù)量等參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有儲氣井套管可能出現(xiàn)的缺陷狀況進行初步設(shè)計，以便對研發(fā)的檢測系統(tǒng)進行檢測能力驗證，對相應的缺陷信號進行典型信號標定。對于后續(xù)檢測發(fā)現(xiàn)的新型缺陷，會再將相應的缺陷制作于樣管上，補充驗證檢測系統(tǒng)的檢測能力，對檢測系統(tǒng)的硬件及軟件做好更新和調(diào)試。

5 結(jié)論

為了提高對CNG 儲氣井套管腐蝕和裂紋的檢測準確度，實現(xiàn)對套管缺陷的定性、定量、定位檢測，自行研發(fā)了“CNG 儲氣井套管檢測系統(tǒng)及CNG儲氣井套管檢測用綜合探頭”。為了驗證該檢測系統(tǒng)的檢測能力，研制了缺陷樣管，開展了一系列的試驗及標定工作，為后續(xù)規(guī)范開展此類檢測奠定了初步基礎(chǔ)。

1）研制的CNG 儲氣井套管檢測系統(tǒng)核心部件為激光模塊、超聲模塊、陀螺儀，可滿足現(xiàn)階段對套管缺陷的定性、定量、定位檢測需求。

2）研制的缺陷樣管包括面腐蝕、坑腐蝕、軸向裂痕、周向裂痕等缺陷，對該檢測系統(tǒng)的檢測能力進行了驗證，對典型缺陷信號進行了標定。

3）通過該檢測系統(tǒng)對預置缺陷樣管的檢測試驗，缺陷檢出率為93%，檢測準確度高。

4）采用由下向上的套管檢測方式，較低的檢測速度，可保證檢測結(jié)果較佳。