GE管道超聲波檢測(cè)技術(shù)
□ Bill Gu / GE Oil and Gas PII Pipeline Solutions公司
來(lái)源：《石油與裝備》/ 振威
石油網(wǎng)
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隨著管道輸送的危險(xiǎn)氣體和液體泄露對(duì)潛在環(huán)境的影響日益增長(zhǎng)，大家對(duì)管道安全的要求也越來(lái)越高。為了降低管道事故風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來(lái)的影響，目前管道運(yùn)營(yíng)商急需實(shí)施一套完整性管理、且有效的檢測(cè)與維護(hù)計(jì)劃，由此催生了新一代管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。其中超聲波內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是目前業(yè)界公認(rèn)的高分辨率無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，為管道運(yùn)營(yíng)商判定管道完整性提供了高度準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
超聲波檢測(cè)器主要分為兩種，用于腐蝕檢測(cè)的Ultrascan WM檢測(cè)器和用于裂紋檢測(cè)的Ultrascan CD檢測(cè)器。
高精度、可重復(fù)的超聲波腐蝕檢測(cè)器
GE PII公司研發(fā)的Ultrascan WM 檢測(cè)器，利用超聲波回波技術(shù)測(cè)量管道的壁厚，如圖1所示。超聲波垂直管壁表面發(fā)射，遇到管道內(nèi)壁，部分反射回來(lái)被探頭接收，而另一部分射入管壁，遇到外壁再反射回來(lái)。超聲波探頭距管道內(nèi)壁的距離被設(shè)定為“stand off” 標(biāo)稱距離。超聲波遇到管道內(nèi)壁和外壁反射回來(lái)所用的時(shí)間差可以用來(lái)計(jì)算管道的壁厚從而探測(cè)到管道缺陷，并利用相關(guān)的信息區(qū)分管道內(nèi)表面，外表面，還是管壁中間的缺陷。
超聲波壁厚檢測(cè)技術(shù)的成功依賴于檢測(cè)器(圖2中)后部的密集超聲波傳感器陣列具備的獨(dú)特的、可以完全覆蓋管壁圓周以及軸向的多重感應(yīng)分布，如圖3所示。這種檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確地確定腐蝕點(diǎn)深度以及內(nèi)部和外部金屬損失的長(zhǎng)度，同時(shí)也可以探測(cè)和測(cè)定管壁中的任何潛在的缺陷，諸如夾層，圖4所示。
與傳統(tǒng)漏磁MFL檢測(cè)器不同，超聲波壁厚檢測(cè)器可以直接測(cè)量管線內(nèi)缺陷的位置和尺寸并描繪出實(shí)際的腐蝕形貌如圖5所示，具有更高的精度，從而可以用于高級(jí)的管道適用性評(píng)價(jià)，如用RSTRENG法計(jì)算管道的最大運(yùn)行壓力（MAOP）以及用于其它一些管線條件的評(píng)估包括定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在內(nèi)的適用性評(píng)估。
圖1 超聲波壁厚檢測(cè)技術(shù)原理 圖2 超聲波壁厚檢測(cè)檢測(cè)器樣圖
圖3 超聲波檢測(cè)檢測(cè)器傳感器陣列 圖4 超聲波檢測(cè)出的夾層缺陷
超聲波檢測(cè)技術(shù)在管線檢測(cè)中具備下列優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)：直接測(cè)量壁厚以及缺陷深度；檢測(cè)壁厚以及缺陷深度時(shí)，具備很高的精度（定量測(cè)量)，誤差+/-0.4mm；對(duì)多次檢測(cè)運(yùn)行中獲得的結(jié)果具備高精度和重復(fù)率；能夠測(cè)量壁厚>30mm 的厚壁管線及不繡鋼管道；能夠探測(cè)到的管壁中存在的缺陷的最小面積尺寸為0.39英寸（10mm，缺陷直徑），對(duì)于腐蝕坑，能夠探測(cè)到的精確深度的最小缺陷直徑為0.79英寸（20mm）；準(zhǔn)確地區(qū)分管體的內(nèi)部缺陷和外部缺陷；清晰地區(qū)分凹陷、彎曲、層疊和修復(fù)區(qū)；即使是對(duì)于管線壁厚的變化，超聲波系統(tǒng)也可一次性設(shè)定；缺陷類型的確定不需要開(kāi)挖校準(zhǔn)。
圖5 Ultrascan WM 精確地給出腐蝕形貌用于RSTRENG
超聲波壁厚檢測(cè)技術(shù)所提供的優(yōu)秀的檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)在管道工業(yè)中得到了一次又一次的承認(rèn)。這也證明PII團(tuán)隊(duì)對(duì)于這種高精度的檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展所做出的努力。由于超聲波數(shù)據(jù)的高可靠性可以避免多余的開(kāi)挖，從而為管道運(yùn)營(yíng)商節(jié)約了大量的修復(fù)成本。在很多情況下，開(kāi)挖僅僅在真正需要修復(fù)的缺陷位置實(shí)施。管線運(yùn)營(yíng)商會(huì)發(fā)現(xiàn)他們總的維修費(fèi)用（包括檢測(cè)和管線修復(fù)）會(huì)由于選擇了一個(gè)高可靠性的、高成功性的檢測(cè)技術(shù)而大大縮減。
隨著管道完整性管理的進(jìn)一步推廣與實(shí)施，如今，管道運(yùn)營(yíng)者對(duì)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的需求越來(lái)越大。新一代的檢測(cè)技術(shù)不斷問(wèn)世，比如新一代超聲波腐蝕檢測(cè)器EMAT and Ultrascan Duo。在超聲波管道內(nèi)檢測(cè)領(lǐng)域，電磁聲傳感器技術(shù)EMAT和相控陣技術(shù)孕育而生。EMAT技術(shù)是一種在不需要液體耦合的條件下在管道上應(yīng)用超聲波的方法，圖8所示。這種工具的檢測(cè)性能與UltraScan CD設(shè)備相似，但是不需要液體耦合，因此特別適合在輸氣管道內(nèi)運(yùn)行。EMAT設(shè)備已經(jīng)在北美TransCanada, DukeEnergy等管線中運(yùn)行。缺陷探測(cè)率很高，但缺陷類型區(qū)分能力有待進(jìn)一步提高。
精確靈敏的超聲波裂紋檢測(cè)器
管道的另一大危害來(lái)自于裂紋。即使是最細(xì)微的裂紋也足以損壞管線最終破裂釀成重大事故。裂紋有很多種類型，包括應(yīng)力腐蝕裂紋、氫誘發(fā)裂紋以及硫化氫腐蝕裂紋等。這些裂紋通常發(fā)生在管線的基底材料、焊縫處以及熱影響區(qū)域。裂紋還可能損害軸向和環(huán)形焊縫且可能從諸如凹陷之類的缺陷處發(fā)展而成。
GE PI公司研發(fā)的 Ultrascan CD™ 檢測(cè)設(shè)備專門(mén)用于高精度地檢測(cè)管道中的裂紋如應(yīng)力腐蝕SCC（包括亞臨界 SCC）。該設(shè)備采用45℃剪切波，通過(guò)液體耦合介質(zhì)（油，水等) ，從側(cè)面射入管壁，遇到內(nèi)外表面裂紋，會(huì)反射回來(lái)并被探頭接收，通過(guò)測(cè)量回波的時(shí)間與強(qiáng)度，從而探測(cè)管道內(nèi)各種裂紋的尺寸與位置如圖7所示。采用了特殊設(shè)計(jì)的探測(cè)器運(yùn)載工具，因此能夠同時(shí)探測(cè)軸向裂紋和切向裂紋。
1994年，PII公司推出高分辨率裂紋檢測(cè)器(Ultrascan CD) ，圖8是發(fā)射該檢測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)圖片。這種設(shè)備在歐洲、俄羅斯和北美完成了第一個(gè)1,000公里的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，在前100次現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖中就證明了這種設(shè)備的優(yōu)異性能，置信度達(dá)95%以上。
該設(shè)備采用高分辨率超聲波傳感器陣列以45度角向管道表面發(fā)射超聲剪切波。這個(gè)密集傳感器陣列是在檢測(cè)中提供高分辨率和辨別力的基礎(chǔ)。這種工具特別適用于液體輸送管道。對(duì)于氣體輸送管道，可以在一個(gè)液體段內(nèi)運(yùn)行這種設(shè)備，以提供必要的超聲波-管壁耦合。
PII公司的UIfraScanCD檢測(cè)工具用于確定應(yīng)力腐蝕裂紋的位置，精確度極高，即使在裂紋發(fā)展的次要階段也可以探測(cè)到。采用45℃剪切波檢查技術(shù)，能夠探測(cè)從毛細(xì)裂縫到寬口裂逢等各種寬度的裂紋，它能夠探測(cè)25毫米長(zhǎng)1毫米深的裂紋劃痕及凹槽，可靠性極強(qiáng)，靈敏度極高。目前該工具已成功地對(duì)分布在世界各地的長(zhǎng)達(dá)20,000公里的管線進(jìn)行檢測(cè)，使得運(yùn)營(yíng)商們能夠在裂紋發(fā)展早期就制定出有效的防護(hù)方案和應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃。
相控陣技術(shù)是通過(guò)電子系統(tǒng)程序?qū)λl(fā)射超聲波的角度與形狀進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以同時(shí)測(cè)量金屬損失與裂紋。PII開(kāi)發(fā)出的新一代UltraScan Duo超聲波內(nèi)檢測(cè)器就是基於相控陣原理，2005年3月，UltraScan Duo檢測(cè)器在荷蘭RRP/RMR 24寸輸油管線進(jìn)行了首次運(yùn)行，圖9所示。100公里的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示超聲波信號(hào)的質(zhì)量極佳，可以完全探測(cè)到腐蝕與裂紋缺陷，同時(shí)還能測(cè)量很薄的管道壁厚(1mm) ，分辨率可達(dá)0.1mm。
圖6 EMAT 檢測(cè)器 圖7 Ultrascan CD探測(cè)軸向內(nèi)外裂紋原理
圖8 Ultrascan CD 發(fā)射現(xiàn)場(chǎng) 圖9 相控陣超聲波檢測(cè)器 Ultrascan Duo接收現(xiàn)場(chǎng)
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