李坤

國家管網(wǎng)集團西部管道公司科技數(shù)字中心

摘要：針對待檢大口徑天然氣預埋管道存在90°豎井的特殊情況及氣推法內(nèi)檢測運行速度不穩(wěn)定等難點問題，通過評估自爬行幾何檢測爬坡能力、牽拉過程受力分析及氣推水內(nèi)檢測運行條件計算，完成自爬行幾何檢測+IMU、鋼絲繩牽引漏磁檢測、氣推水漏磁檢測可行性分析。對比三種檢測方式技術成熟度、作業(yè)風險及施工經(jīng)費，推薦采用自爬行幾何檢測+IMU、鋼絲繩牽引漏磁檢測完成該段管道內(nèi)檢測。

關鍵詞：預埋管道；投產(chǎn)前內(nèi)檢測；幾何檢測；漏磁檢測

某大口徑輸氣管道2013年在一處河流段預埋514.4 m管道，其中穿越段444.14 m。 GB/T  27699―2023《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術規(guī)范》規(guī)定管道內(nèi)檢測周期應不超過8年，對于管道停運超過1年再啟用的，應盡快進行管道內(nèi)檢測。該段預埋管道已經(jīng)封存10年，為進一步確認管道完整性，保證安全投產(chǎn)，需要開展內(nèi)檢測作業(yè)，為此于2023年對該段管道適用的內(nèi)檢測方法進行了分析和評估。

1  待投產(chǎn)管道現(xiàn)狀

管道設計壓力為12 MPa，地區(qū)等級為一級，穿越段鋼管采用Φ1219 mm×22 mm、X80直縫埋弧焊鋼管。管道總體布置型式為斜巷＋平巷＋豎井，其中進口斜巷坡度為14°。考慮排水，平巷段采用“一”字坡，坡比為1%。下游南岸豎井內(nèi)徑10 m，深30.2 m。2013年9月15日開始工藝安裝，11月6日完成，2014年1月3日通過竣工驗收，隧道進行封閉。預埋管道Ф1219 mm×22 mm、X80直縫埋弧焊鋼管420.803 m，2個冷彎管Ф1219 mm×22 mm共計24.171 m，6個熱煨彎管Ф1219 mm×27.5 mm 共計32.56 m，1處錨固法蘭長6.5 m，共計完成半自動焊口45道。

2  內(nèi)檢測可行性分析

目前投產(chǎn)前管道檢測主要方式為幾何檢測，該方式用于收集管道環(huán)焊縫及變形信息，通常會同時搭載慣性測量單元（IMU）及視頻檢測單元。部分管道會補充漏磁檢測，以進一步收集管道金屬損失等特征，從而更全面地掌握管道實際情況。

2.1  自爬行幾何檢測+IMU

變形檢測采用自爬行幾何檢測器，該檢測器尾端安裝有一條纖維牽引繩。調(diào)研國內(nèi)某廠家Φ1219 mm自爬行變形檢測器，其檢測器攜帶22個主動驅(qū)動輪以推動設備行進。前端安裝有全景超高清攝像頭，配備慣性導航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及128組測徑探臂。檢測器的中心腔體安裝高能電池，為檢測器提供所需的電力。

自爬行幾何檢測爬坡能力分析。Φ1219 mm自爬行檢測器自重480 kg，進口斜巷的坡度為14°。需要克服的自重阻力116 kg；爬行車自身摩擦力100 kg；需要克服總阻力為216 kg。檢測器共裝有22個動力輪，單輪提供20 kg動力，能夠提供總動力440 kg，大于所需克服的阻力。因此自爬行檢測器能夠順利通過被檢管道，且具有豐富的動力冗余。

自爬行幾何檢測跟蹤。該檢測器尾端安裝有纖維牽引繩，每隔10 m在牽引繩上綁一個標識牌，記錄該位置到牽引繩前端的距離，通過標識牌計算出檢測器位置。纖維牽引繩還攜帶信號線，在檢測器停球后，可控制設備反向移動，通過檢測器反向移動+牽引方式將檢測器由發(fā)球端取出。

自爬行幾何檢測可行性分析。該檢測技術近年來已相當成熟，特種設備研究院、沈陽工業(yè)大學、徐州檢測、中石化檢測等公司均開展較多應用。中俄東線已完成上千公里投產(chǎn)前檢測。

2.2  鋼絲繩牽引漏磁檢測

漏磁檢測器牽拉過程受力分析。

Φ1219 mm漏磁檢測器在牽拉時需要進行改造，去掉前后皮碗，采用支撐輪支撐，以降低摩擦阻力。第一節(jié)采用輪支撐作為牽引節(jié)，以平衡設備運行姿態(tài)。設備總重量為2.8 t，摩擦阻力為2 t（含磁鋼吸力）。

垂直管段運行分析。檢測器需要后端提供的拉力為重力減少摩擦阻力，即0.8 t。在發(fā)球筒端，利用卷揚機產(chǎn)生0.8 t的拉力，使得檢測器達到平衡狀態(tài)。利用收球筒端卷揚機拉動檢測器前進，前進速度0.1 m/s。

平直管段運行。等壁厚平直管段摩擦阻力為2 t，利用收球筒端卷揚機產(chǎn)生大于2 t的拉力，以拉動檢測器前進，前進速度0.1 m/s。

上坡管段運行。因進口斜巷坡度為14°，需克服的自重阻力677.4 kg，上坡時共需克服的阻力2677.4 kg。利用收球筒端的卷揚機產(chǎn)生大于阻力的拉力，以拉動檢測器前進，前進速度為0.1 m/s。

牽引鋼絲繩。檢測器后端攜帶纖維牽引繩，直徑為10 mm，長度為580 m，可承受500 kg拉力。牽拉鋼絲繩加上滑輪組的最大摩擦力為450 kg，因此纖維牽引繩足以拖動鋼絲繩。鋼絲繩直徑為22 mm，長度為580 m，可承受5.163 t的拉力。

支撐滑輪架。滑輪架直徑為330 mm，長度為250 mm，滑輪組可承受壓力為2 t。打開支撐滑輪架，將鋼絲繩放入支撐滑輪架的中心，然后合上滑輪架，并用鎖扣將滑輪架兩端的鋼絲繩鎖住。鋼絲繩上每2.5 m安裝一個支撐滑輪架，以確保在牽拉檢測器過程中，鋼絲繩與管壁之間至少有3 cm的距離（特別是在通過直角彎頭時），以避免與管壁產(chǎn)生摩擦。

漏磁檢測收發(fā)球作業(yè)步驟。

漏磁檢測采用拖纜方法進行，選擇垂直管段端為發(fā)球端，拖纜裝置主要包括卷揚機、支撐滑輪架、鋼絲繩。鋼絲繩從支撐滑輪架中心穿過，可防止鋼絲繩與管壁直接接觸損傷管壁并減小鋼絲繩摩擦力。

檢測流程：①自爬行幾何檢測器尾端安裝纖維牽引繩，通過自爬行幾何檢測器將牽引繩穿過管道；②在發(fā)球端將纖維牽引繩與鋼絲繩進行連接，使用卷揚機牽引纖維牽引繩，將鋼絲繩拉出管道；③鋼絲繩上每2.5 m安裝一個支撐滑輪架，保證在牽拉檢測器過程中鋼絲繩與管壁有至少3 cm的距離，不與管壁產(chǎn)生摩擦；④將鋼絲繩與漏磁檢測器連接后，檢測器推入發(fā)球筒；⑤啟動收球筒端卷揚機拉動檢測器緩慢前進，在漏磁檢測器即將進入垂直管段時，啟動發(fā)球筒卷揚機，利用發(fā)球筒端卷揚機拉力克服檢測器重力影響，控制檢測器垂直下降速度在0.1 m/s～0.5 m/s；⑥檢測器到達垂直管段底部后，關閉發(fā)球筒端卷揚機，由收球筒端卷揚機帶動檢測器繼續(xù)前進；⑦逐步回收前端支撐滑輪架、回收鋼絲繩，漏磁檢測器到達收球筒；⑧取出漏磁檢測器。

2.3  氣推水漏磁檢測

漏磁檢測器采用壓縮空氣推水的方法進行，先將管段內(nèi)注滿水，再放檢測器，然后用壓縮空氣推動檢測器。

運行條件計算。①水箱容量計算。該段預埋管道截面積為1 m2，管道內(nèi)水容量為514.4 m³，需搭建收、發(fā)球端各1座600  m³水池。②推動壓力計算。經(jīng)評估漏磁檢測器在經(jīng)過平巷段向斜巷段運行時需要的動力最大，對此處受力分析：水的密度為1000 kg/m³，垂直管段深30.2 m，計算水重約30 t，通過彎頭阻力7 t，總阻力約38 t，因此需要大于0.4 MPa氣壓運行。為保證檢測器運行平穩(wěn)，結(jié)合計算可能產(chǎn)生的誤差，本次氣推水作業(yè)期間保持檢測器后端氣壓需保持在0.8 MPa～1 MPa。③空壓機流量計算。檢測器運行速度0.2 m/s，管道截面積為1 ㎡，標準大氣壓1 kg，作業(yè)管道0.8 MPa背壓時計算流量為96 m³/min，作業(yè)管道1 MPa背壓時計算流量120 m³/min。本次作業(yè)空壓氣機組參數(shù)：排量≥120 m³/min、出口壓力1 MPa。

漏磁檢測收發(fā)球作業(yè)步驟。氣推水漏磁檢測作業(yè)步驟：①檢測器裝入發(fā)球筒，關閉發(fā)球筒盲板；②作業(yè)管段注水（注水口位于檢測器前端）；③作業(yè)管道注滿水后在檢測器后端注氣；④控制收球端排水閥開度，使排水量保持在12 m³/min（內(nèi)檢測器速度0.2 m/s）；⑤使用跟蹤設備對收發(fā)球端直管段進行跟蹤，確認檢測器進入收球筒后停止注氣，在收發(fā)球端排氣口放空管道內(nèi)氣體；⑥對收球筒內(nèi)積水進行排空；⑦打開盲板取出漏磁檢測器。

氣推水漏磁內(nèi)檢測可行性分析。經(jīng)調(diào)研特種設備研究院、中油檢測、沈陽工業(yè)大學、徐州檢測、中石化檢測等公司均開展中小口徑投產(chǎn)前漏磁內(nèi)檢測，目前投產(chǎn)前清管、漏磁內(nèi)檢測主要采用氣推水或水推法，已開展投產(chǎn)前漏磁檢測最大管徑為813 mm。未收集到Ф1219 mm管道采用氣推水方式開展漏磁內(nèi)檢測案例，現(xiàn)場應用具有一定挑戰(zhàn)性，同時漏磁檢測后需采取措施排除管道內(nèi)積水，增加作業(yè)時間及經(jīng)費。

3  方案對比分析

方案1（僅開展自爬行幾何變形檢測+IMU檢測）：為常規(guī)檢測方案，技術成熟、風險較小、成本低，但僅能檢測管道變形、管道特征點坐標信息，無法檢測管道金屬損失缺陷。該段預埋管道已經(jīng)封存10年，可能存在內(nèi)外腐蝕及其他缺陷擴展，若采用此方案可能在投產(chǎn)時發(fā)生泄漏等風險。

方案2（自爬行幾何變形檢測+IMU檢測、鋼絲繩牽引漏磁內(nèi)檢測）：可更加全面檢測管道各類缺陷特征，目前尚無Ф1219 mm管道牽引式漏磁內(nèi)檢測案例，現(xiàn)場應用存在卡球、磨損管壁等風險，對鋼絲繩、滑輪組安全性要求高。需利用試驗場90°彎頭實驗管路模擬現(xiàn)場實際情況，開展鋼絲繩牽引漏磁內(nèi)檢測器速度控制、鋼絲繩與管壁摩擦等測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整滑輪組結(jié)構設計方案。

方案3（自爬行幾何變形檢測+IMU檢測、氣推水漏磁內(nèi)檢測）：可全面檢測管道各類缺陷特征，在小口徑管道內(nèi)檢測中比方案2應用更廣，目前尚無Ф1219 mm管道氣推水漏磁檢測案例。氣推水漏磁檢測工藝需要在現(xiàn)場安裝建造600 m³大型儲水池、收發(fā)球筒、空壓機、水泵，需要水源、發(fā)電設備，且檢測期間管道需承受一定的壓力，臨時收發(fā)球工藝較前兩種方案更為復雜。現(xiàn)場儲水池土建、管道工藝安裝工程施工及管道除水費用較高。

經(jīng)評估推薦采用自爬行幾何變形檢測+IMU檢測、鋼絲繩牽引漏磁檢測方式完成該段預埋管道投產(chǎn)前內(nèi)檢測，全面檢測管道各類缺陷特征，以確保預埋管道安全投產(chǎn)運行。

作者簡介：李坤，1986年生，2009年畢業(yè)于電子科技大學，高級工程師，主要從事油氣管道完整性研究。聯(lián)系方式：15909910186，likun03@pipechina.com.cn。