管网完整性管理的技术

管道完整性管理的技术体系主要由数据分析整合、风险评价、管道检测、监测、评价、修复、信息技术平台、公众警示等方面构成,组成一个完整的有机整体,如图4.1所示。

图4.1　管道完整性管理的技术体系

4.2.1　数据分析整合技术

数据分析整合技术主要包括数据构成、数据收集、数据整合分类等。

1)数据的构成

本章所说的数据是指管道完整性管理过程中所需要的数据,包括特征数据、施工数据、操作运行数据、检测数据和监测数据等,见表4.1。

表4.1　完整性数据构成

2)数据的收集

数据收集主要有以下几个方面：

①应重点收集受关注区域的评价数据,以及其他特定高风险区域的数据。

②要收集对系统进行完整性评价所需的数据,要收集对整个管道和设施进行风险评估所需的数据。

③随着管道完整性管理的实施,数据的数量和类型要不断更新,收集的数据应逐渐适应管道完整性管理的要求。

3)数据整合

（1)开发一个通用的参考体系

由于数据种类很多,来源于不同的系统,单位可能需要转换。它们的相互关系应有一致的参考系统,才能对同时发生的事件及位置进行判断和定位。对线路里程、里程桩、标志位置、站场位置等数据需要建立通用的参考体系。

（2)采用先进的数据管理系统

国外已采用卫星定位系统（GPS)确定管道经、纬度坐标,也有将管道位置参数纳入国家地理信息系统（GIS)的。

（3)建立专用的完整性管理数据库

4.2.2　管道检测技术

管道完整性管理检测技术主要包括管道外检测、管道内检测和其他检测技术,如图4.2所示。

1)管道内检测

管道内检测是指针对管道本体管壁完整性即金属损失情况的检测。检测管壁金属损失的方法有漏磁检测法（MFL)和超声波检测法（UT)两种,另外的管道内检测为针对裂纹缺陷的检测。

（1)漏磁检测

①漏磁检测的基本原理：漏磁检测通过在管壁上放置磁极,能使磁极之间的管壁上形成沿轴向的磁力线。无缺陷的管壁中磁力线没有受到干扰,产生均匀分布的磁力线；而管壁金属损失缺陷会导致磁力线产生变化,在磁饱和的管壁中,磁力线会从管壁中泄漏。传感器通过探测和测量漏磁量来判断泄漏地点和管壁腐蚀情况。漏磁信号的数量、形状常常用来表征管壁腐蚀区域的大小和形状。

图4.2　管道完整性管理检测技术

②漏磁检测的特点：

·复杂的解释手段来进行分析；

·用大量的传感器区分内部缺陷和外部缺陷；

·测量的最大管壁厚度受磁饱和磁场要求而限制；

·信号受缺陷长宽比的影响很大,轴向的细长不规则缺陷不容易被检出；

·检测结果会受管道所使用钢材性能的影响；

·检测结果会受管壁应力的影响；

·设备的检测性能不受管壁中运输物质的影响,既适用于气体运输管道也适用于液体运输管道；

·进行适当的清管（相对于超声波检测设备必须干净)；

·适用于检测直径大于等于3 in（8 cm)的管道。

③可检测缺陷类型：

·外部缺陷；

·内部缺陷；

·各种焊接缺陷；

·硬点；

·焊缝：环形焊缝、纵向焊缝、螺旋形焊缝、对接焊缝；

·冷加工缺陷；

·凹槽和变形；

·弯曲；

·三通、法兰、阀门、套管、钢衬块、支管；

·修复区；

·胀裂区域（与金属腐蚀相关)；

·管壁金属的加强区。

漏磁在线检测设备一般分为标准分辨率（也叫做低的或常规分辨率)设备,高分辨率设备,超高分辨率设备。其中高分辨率设备适合于检测不规则管道,所需处理的数据量比较大,数据处理的过程复杂。

（2)超声波检测

①超声波检测原理：当在线检测设备在管道中运行时,超声波检测设备可以直接测量出管壁的厚度。其通过所带的传感器向垂直于管道表面的方向发送超声波信号,管壁内表面和外表面的超声反射信号也都被传感器所接收,通过它们的传播时间差以及超声波在管壁中的传播速度就可以确定管壁的厚度。

②超声波检测的特性：

·采用直接线性测厚的方法结果准确可靠；

·可以区分管道内壁、外壁以及中部的缺陷；

·对多种缺陷的检测都比漏磁检测法敏感；

·可检测的厚度最大值没有要求,可以检测很厚的管壁；

·有最小检测厚度的限制,管壁厚度太小则不能测量；

·不受材料性能的影响；

·只能在均质液体中运行；

·超声波检测设备对管壁的清洁度比漏磁检测设备要求更高；

·检测结果准确,尤其是检测缺陷的深度和长度直接影响评价结果的准确性；

·设备的最小检测尺寸可达到6 in（15 cm)。

③可检测的缺陷类型：

·外部腐蚀；

·内部腐蚀；

·各种焊接缺陷；

·凹坑和变形；

·弯曲、压扁、翘曲；

·焊接附加件和套筒（套筒下的缺陷也可以发现)、法兰、阀门；

·夹层；

·裂纹；

·气孔；

·夹杂物；

·纵向沟槽；

·管道管壁厚度的变化。

（3)裂纹缺陷的检测

裂纹缺陷出现后会导致管道泄漏和破裂,对裂纹最可靠的在线检测方法是超声波检测,这是因为大多数裂纹缺陷都垂直于主应力成分,而超声波发送的方式使管道得到最大的超声响应。

①超声波液体耦合检测器：液体耦合装置让超声脉冲通过一种液体耦合介质（油、水等)调整超声脉冲的传播角度,可以在管壁中产生剪切波。在钢结构管道检测中,超声波入射角可以调整为45°的传播角,更适合于裂纹缺陷的检测。

a.检测器特性：

·只能用于液体环境；

·气体管道在充填液体的情况下进行检测；

·可以对管道的全管体进行检测；

·可区分缺陷类型；

·可区分内壁缺陷、外壁缺陷和管壁内部缺陷等；

·可进行壁厚测量。

b.可检测的缺陷类型：

·纵向裂纹和类裂纹缺陷；

·裂纹缺陷,包括应力腐蚀裂纹、疲劳裂纹和角裂纹；

·类裂纹,包括缺口、凹槽、划痕、缺焊和纵向不规则焊接；

·与几何尺寸相关的类型,如焊接和凹痕；

·与安装有关的类型,如阀门、T形零件和焊接补丁；

·管壁中的缺陷类型,如夹杂和层叠。

②超声波轮形耦合检测器：这种装置使用液体填充盘作为传感器,产生剪切波以65°的入射角进入管壁。

检测器特性：

·在气体或者液体管道中运行；

·能区分内部和外部缺陷；

·目前不能用于直径小于20 in（51 cm)的管道。

③电磁声学传感器装置（EMAT)：电磁声学传感器由放置在管道内表面的磁场中的线圈构成。交变电流通过线圈在管壁中产生感应电流,从而形成洛仑兹力（由磁场控制),产生超声波。传感器的类型和结构决定超声波的类型模式以及超声波在管壁中传播的特征。电磁声传感器在在线检测设备中的应用目前还处于研发阶段,电磁声传感器不需要耦合介质,可稳定地应用于气体输送管道。

④其他方法：环形漏磁检测装置也可用来进行管道沟槽、裂纹的检测。其特性是在气体和液体运输管道中运行,不能区分内壁和外壁缺陷,能检测管壁金属的腐蚀。

2)管道外检测

（1)防腐层的PCM检测

①检测原理：通过仪器发送机对管线施加外加电流,便携式接受机能准确探测到经管线传送的信号,跟踪和采集该信号,输入计算机,测出管道上各处的电流强度。由于电流强度随着距离的增加而衰减,在管径、管材、土壤环境不变的情况下,管道的防腐层的绝缘性能越好,施加在管道上的电流损失越少,衰减亦越小,如果管道防腐层损坏、如老化、脱落,绝缘性就差,管道上电流损失就越严重,衰减就越大,通过这种对管线电流损失的分析,从而实现对管线防腐层的不开挖检测评估。

②检测结果：检测时发射机沿管线发送检测信号,在地面上沿管道记录各个检测点的电流值及管道埋深,用专门的分析软件,经过数据处理,计算出防腐层的绝缘电阻及图形结果。计算出的绝缘电阻R g通过与行业标准对比即可判断各个管段防腐层的状态级别,图形结果可直接显示破损点的位置。

（2)防腐层的Pearson法检测

此种古典的检测方法是由John Pearson博士发明的,因此叫Pearson检漏法,在国内也称为人体电容法。

①检测原理：检测原理主要是利用电位差法,即交流信号加在金属管道上,防腐层破损点有电流泄漏流入土壤中,管道破损裸露点和土壤之间就会形成电位差,在接近破损点的部位电位差最大,埋设管道的地面上检测到这种电位异常,即可发现管道防护层破损点。

②具体的检测方法：操作时,先将交变信号源连接到管道上,检测人员带上接收信号检测设备,两人牵引测试线,相隔6～8 m,在管道上方进行检测。

③方法优、缺点：

优点：

·是常用的防腐层漏点检测方法,准确率高；

·很适合油田集输管线以及城市管网防腐层漏点的检测。

缺点：

·干扰能力差；

·要探管仪及接收机配合使用,必须准确确定管线的位置,通过接收机接收管线泄漏点发出的信号；

·受发送功率的限制,最多可检测5 km；

·只能检测到管线的漏点,不能对防腐层进行评级；

·检测结果很难用图表形式表示,缺陷的发现需要熟练的操作技艺。

（3)DCVG检测技术

①工作原理及测试方法：在施加了阴极保护的埋地管线上,电流经过土壤介质流入管道防腐层破损的钢管处,会在管道防腐层破损处的地面上形成一个电压梯度场。根据土壤电阻率的不同,电压梯度场的范围将在十几米到几十米的范围变化。对于较大的涂层缺陷,电流流动会产生200～500 mV的电压梯度,缺陷较小时,也会有50～200 mV。电压梯度主要分布在离电场中心较近的区域（0.9～18 m)。

②判断标准：由于管道距离较长,实测DCVG数据较多,采用实测数据与标准电压梯度相比较判断缺陷工作量较大,而实际检测过程中由于检测位置的变化,检测的DCVG数据的电压梯度变化较大,为方便判断,对DCVG数据进行转换并定义了一个电压V1标准,其定义为：

V1标准＝50 m V- V实测的绝对值

当V1标准≥0时,在防腐层基本无缺陷；

当V1标准<0时,防腐层很可能存在缺陷。

随着防腐层破损面积增大或越接近破损点,电压梯度会变大和更集中。为了去除其他电源的干扰,DCVG检测技术采用不对称的直流间断电压信号加在管道上,其间断周期为1 s。这个间断的电压信号可通过通断阴极保护电源的输出实现,其中“断电”阴极保护的时间为2/3 s,“通电”阴极保护的时间为1/3 s。

（4)CIPS密间隔电位测量技术

在阴极保护运行过程中,多种因素能引起阴极保护失效,如防腐层大面积破损,引起保护电位低于标准规定值,又如杂散电流干扰引起的管道腐蚀加剧等。因此,阴极保护的有效性评价是当务之急,而CIPS密间隔电位测量技术就可解决此问题。

①工作原理：

密间隔电位测量是国外评价阴极保护系统能否达到有效保护的首选标准方法之一,其原理是在有阴极保护系统的管道上通过测量管道的管地电位沿管道的变化（一般是每隔1～5 m测量一个点)来分析判断防腐层的状况和阴极保护是否有效。

②判断依据：

测量时能得到两种管地电位,一是阴极保护系统电源开时的管地电位（V ON状态电位)。通过分析管地电位沿管道的变化趋势了解管道防腐层的总体平均质量优劣状况。防腐层质量与阴极保护电位的关系可用下式来衡量：