摘要：介紹了G4高清晰度復合檢測器的工作原理，闡述了其研制內容、開發流程。以工業現場為例，結合試驗過程，詳細說明了實際應用情況。總結出該復合檢測器的功能和技術指標，理性分析了其應用前景。

關鍵詞：高清晰度；管道檢測；復合檢測器；研制；應用

管道內檢測技術是用于辨別管道缺陷并使之量化的一種管道完整性管理的重要工具。通過開展管道內檢測技術研發與應用工作，可進行剩余強度和金屬剩余壽命的安全性評估，為制定相應的整治維修方案提供必要依據，并為下一次檢測分析對比積累基礎數據，使管道的盲目被動維修轉化為預知性主動維修，對風險大的缺陷優先修復，實現對管道本質安全的可靠管理。

目前在役長輸天然氣管道成熟的檢測設備主要為變形檢測器和漏磁檢測器，中國石油大學（北京）與浙江浙能天然氣運行有限公司、中國石油沈陽龍昌管道檢測中心、海隆石油工業集團以及相關科技公司合作，研制出508 mm(20英寸)全新一代G4高清晰度復合檢測器。本文重點闡述其工作原理、試驗方法、工業現場應用情況。

1 檢測原理

1.1 高清晰度漏磁檢測器

檢測器自身攜帶的磁單元將檢測器通過的局部管壁飽和磁化，在管壁的全圓周上形成磁回路。如果管內壁或外壁有缺陷，管壁內的磁力線將圍著缺陷重新分布，結果是一部分磁力線泄露出來，進入到周圍介質，這就是漏磁場。泄露的磁場被位于磁極之間的、緊貼管壁的探頭檢測到。這些信號經過濾波、放大、轉換處理后被記錄到存儲器中，檢測結束后經數據分析系統處理，對其進行識別和度量，工作原理如圖1所示。

圖1  漏磁檢測原理示意

1.2 高清晰度變形檢測器

檢測器自身攜帶的角度傳感器與接觸管壁的機械探頭相連，當機械探頭接觸管壁變形時，角度傳感器相應產生變化，通過科學計算，將角度變化值轉化為電信號數值并記錄到存儲器中，通過后期數據分析系統處理，對管道變形點進行識別和度量（圖2）。

 

圖2  變形檢測器原理示意

1.3 測繪單元

測繪單元集成在檢測器上，利用三軸陀螺和三軸加速度計，可精確計算推演出檢測器運行的管道中心線軌跡走向、曲度等重要參數，結合地面標記信息，通過后期數據分析，可對管道附件、環焊縫、缺陷等位置進行GPS定位，實現管線位移監測，嵌入GIS地理信息系統，提高缺陷智能化管理水平（圖3）。

 

圖3  測繪單元原理示意

1.4 其他檢測單元

檢測器上還可搭載其他檢測單元，例如：壁厚測量單元、彎頭角度測量單元、溫度測量單元、壓力監測單元、水露點測量單元、速度控制單元等，其目的是獲得更多的管道基礎信息，為后期開展管道風險評價、完整性評價提供有效的數據基礎。

2高清晰度復合檢測器

高清晰度復合檢測器將漏磁檢測、變形檢測、中心線測繪、壁厚測量、彎頭角度測量、溫度測量、壓力監測、水露點測量等檢測技術復合在一起，主要包括機械系統、電氣系統、上位機軟件系統，研發流程如圖4所示。

圖4  高清晰度復合檢測器研發流程

2.1  機械系統

機械系統包括檢測器的整體骨架、萬向節、皮碗三部分。其中骨架是整個檢測器的最基本結構，通常采用圓筒狀，在其內集成功能單元。萬向節具有連接作用，連接檢測器不同節，使其順利前進且順利通過彎頭，保證萬向節前后兩節可以按任意方向90°轉動。皮碗具有密封作用，使檢測器前后產生壓差，作為檢測器前進動力；要有一定的過盈量（通常為內徑的3%），具有支撐作用，使檢測器可以沿管道中心線運行而不偏離；還要具有約10%～15%的彈性變形，保證其具有足夠的通過能力，順利通過彎頭。

2.2  電氣系統

電氣系統包括數據采集存儲模塊、供電模塊、傳感器模塊、里程采集模塊等。其工作原理為：通過里程采集模塊觸發數據采集模塊，對各類傳感器檢測到的信號進行放大濾波處理，最后通過優化的大數據采集模塊，完成數據的實時采集與存儲。電氣系統為檢測器的核心，要求有極高的工作穩定性、超高信噪比、高速大數據采集，保證采集信息的準確和完整。

2.3  上位機軟件系統

上位機軟件安裝在移動PC上，通過測試盒與檢測器連接，按照預設的通訊協議，完成對檢測器電氣系統的調試，保證電氣系統性能狀態完好。其主要功能為：供電系統測試、里程標定、時鐘標定、探頭測試與標定、采集與存儲模塊測試、數據管理等。測試過程采用實時圖形顯示方式，操作直觀清晰。

3 牽拉試驗

高清晰度復合檢測器研發完成，先期開展溫度、水壓、振動、耐磨等關鍵試驗，試驗結果合格后，再對樣機進行牽拉試驗，目的是驗證其整體動態性能指標。牽拉試驗流程如下。

（1）在被檢管道上預制人工缺陷，缺陷類型和大小必須滿足工業現場需求。

（2）標定檢測器的所有傳感器，保證一致性。

（3）按不同速度進行牽拉試驗，速度范圍為0.20～5.00 m/s。

（4）將牽拉試驗數據導入數據分析軟件，通過已知缺陷數據，對檢測數據進行評判度量，科學調整數據評判模型，要求檢測數據中的缺陷度量值與實際缺陷一一吻合，有效提高數據評判的準確度。

2017年10月9日，高清晰度復合檢測器在中國石油沈陽龍昌管道檢測中心完成0.20～5.00 m/s牽拉試驗，效果良好，證明該復合檢測器具備工業現場應用能力（圖5）。

 

圖5  牽拉試驗組圖

4 工業現場試驗

2017年11月，使用高清晰度復合檢測器對中海油氣電集團海南發電有限公司所轄天然氣管線實施內檢測（圖6、圖7）顯示，檢測器運行平穩，未發生卡球事件，壓力、輸氣量等參數穩定。檢測器收出后，機械外觀完好，電氣系統運行正常。經軟件回放，全程各通道信號均完好，檢測數據完整。

圖6  現場發送檢測器                     圖7 現場接收檢測器

試驗中檢測器運行速度：0～5.00 m/s，運行期間平均速度1.67 m/s，滿足檢測器的最佳運行速度要求。檢測器運行速度曲線如圖8所示。

圖8  平均速度曲線

分析檢測數據，發現該管道上共存在金屬損失6 000余處、焊縫異常信號50余處、變形點20余處，檢測數據質量優。通過數據分析軟件，得出金屬損失里程分布柱狀圖（圖9）和金屬損失分布周向圖（圖10）。

圖9  金屬損失缺陷里程分布

圖10 金屬損失>5%wt分布周向圖

本次工業現場試驗表明，高清晰度復合檢測器可清晰地檢測到變形、內外腐蝕、制造安裝缺陷、機械損傷及其他管道金屬異常情況，實現對埋地管道的缺陷、管壁厚度變化、缺陷內外分辨、管道特征（管箍、補疤、焊縫、三通、閥門等）的識別，達到設計指標要求（圖11）。

圖11 檢測器性能精度指標

5 結束語

G4高清晰度復合檢測器是在成熟的三軸漏磁檢測器基礎上，衍生出的第四代檢測器，是目前我國最新、最先進、完全國產化的管道內檢測設備。可以廣泛應用于油氣長輸管道領域，用于查找管體及管件的腐蝕缺陷、機械損傷、打孔盜油口、變形缺陷及管道移位等影響管道安全運行的重要危害因素。將腐蝕檢測、變形檢測、測繪等關鍵技術復合為一體，將大大提高對缺陷信號分析的一致性和準確性，尤其是對管道危害最大的變形點金屬損失。進一步提高管道缺陷的評判水平，為開展管道風險評價、剩余壽命評價和科學制定管道維保方案提供基礎數據支持，從而達到延長管道使用壽命的目的。

G4高清晰度復合檢測器功能齊全，使用時可根據需求隨意組合，使用方式靈活多樣。在有效提高檢測效率的同時，將大幅度降低現場檢測成本，實現“降本增效”，具有很好的應用前景。

董紹華教授： 1972年生，中國石油大學（北京）教授，博士生導師，管道技術與安全研究中心主任。管道完整性與安全技術專家；第五屆國家安全生產專家組成員；國家質檢總局特種設備壓力管道技術委員會委員； NACE STAG 75 完整性技術專家委員會主席；北京石油學會理事兼石油應用與儲運專業委員會主任；擔任2017年國家重點研發計劃“公共安全專項”國家儲備庫安全項目首席。主要研究方向為管道完整性管理技術、管道安全評價技術、管道信息大數據工程技術等。曾獲省部級獎勵25項，參與編制行業、企業技術標準40余部，發表學術論文90余篇。