埋地油氣管道外防腐層智能化檢測技術研究

湛立寧 盧俊文 張玉軍 陳以龍 周璐璐 陳敏

摘要：為提高檢測效率、保證檢測數(shù)據(jù)的準確性、突破傳統(tǒng)人工方法在惡劣環(huán)境下無法檢測的瓶頸，針對服役狀態(tài)下的埋地油氣管道外防腐層檢測問題，采用測量埋地管道電流衰減梯度方法，通過檢測裝置的硬件設計、信號接收及傳輸系統(tǒng)的軟件開發(fā)、遙控終端的引入，設計完成了一套埋地油氣管道外防腐層智能化檢測系統(tǒng)。樣機性能測試結果表明，該系統(tǒng)可以在任何惡劣環(huán)境下完成檢測任務，自動繪制管道路由圖、接收管道電流衰減信號以及自動測量管道的埋深，并通過無線傳輸系統(tǒng)傳遞給遠程控制終端，從而判斷防腐層破損點位置并實時遙控接收裝置的檢測路線、實時保存檢測數(shù)據(jù)，為管道的開挖修復提供數(shù)據(jù)支持。研究結果可為實現(xiàn)埋地油氣管道外防腐層的智能化檢測提供理論依據(jù)。

關鍵詞：埋地油氣管道；外防腐層檢測；智能化；性能測試；硬件設計

0 引 言

隨著智能化檢測技術的快速發(fā)展，國內(nèi)外學者將智能化技術應用于管道檢測的研究有了一定的成果，各種類型的埋地管道智能化檢測裝置屢見報道。賈仕豪等［1］研究了油氣管道內(nèi)退磁檢測機器人的結構設計，可以快速高效地消除管道剩磁；馬義來等［2］研制了基于微機械慣導的多功能內(nèi)檢測系統(tǒng)，可以準確測繪小口徑管的中心線坐標；楊雄等［3］對管道泄漏檢測機器人的彎管通過性進行了研究，可以在彎管內(nèi)安全通行并完成泄漏檢測；李振北等［4］研制了壓電超聲管道腐蝕檢測器，已具備工業(yè)現(xiàn)場應用條件。以上研究均著重于管道內(nèi)檢測技術，對埋地油氣管道外防腐層的智能檢測技術鮮見報道，普遍做法是人工手持檢測儀沿管道地表面行走完成檢測，存在檢測效率低下、檢測點稀疏且分布不均勻、檢測數(shù)據(jù)精確度較差等問題，且遇到惡劣環(huán)境時無法進行檢測。為解決這一問題，盧俊文等［5］研制了可在埋地管道表面行走的機器人，實現(xiàn)了對管道外防腐層的智能化檢測，但是遇到河流、沼澤等環(huán)境時仍然無法完成檢測。本課題在盧俊文研制的基礎上，采用管中電流衰減梯度法，共同開發(fā)了可遙控飛行的檢測裝置。該裝置可以接收發(fā)射端電流信號并實時傳送給控制終端，從而使管道路由圖繪制、管道埋深測量、管道破損點定位等功能全部在空中完成，在任何惡劣條件下均可以實現(xiàn)對埋地管道外防腐層的智能化檢測。

1 管中電流衰減梯度法檢測原理

利用發(fā)射機在埋地管道上施加特定頻率的電流信號，電流自發(fā)射起點沿管道向遠方傳播，在管道鄰近空間形成沿管道中心分布的磁場，地面上的接收裝置感應磁場信號并生成電流。隨著傳播距離的增加，管中電流強度呈指數(shù)形式逐漸衰減［6］，外防腐層完好時，電流強度呈規(guī)律性均勻衰減；外防腐層破損時，電流強度會加速衰減［7］。利用接收機采集突變的電流信號，從而確定管道外防腐層破損位置。

2 智能化檢測裝置整體結構設計

根據(jù)電流衰減梯度原理設計的管道外防腐層智能化檢測裝置由信號接收裝置（接收器）、遙控器、控制終端組成。接收器的控制系統(tǒng)采用高性能的STM32單片機進行控制處理，并且與控制終端建立數(shù)據(jù)傳輸。接收器的運動形式有2種：一種通過接收器所配的多通道遙控器或通過控制終端軟件界面的操控按鈕對接收器進行精確控制；另一種是不用遙控器的自動巡線功能。

接收器上裝有全景云臺相機及一臺高清定位攝像頭。檢測人員可在控制終端軟件界面實時觀察到接收器的整體運行狀態(tài)及檢測數(shù)據(jù)，從而在巡線檢測中實時判斷管道位置，及時獲取管道路由圖、管道埋深、破損點分布位置信息，實現(xiàn)了人工遠程控制檢測。

2.1 硬件設計

智能化檢測裝置的系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。控制終端為一臺計算機及遙控器，接收器的硬件系統(tǒng)主要由主控模塊、管道定位模塊、埋深檢測模塊、電流檢測模塊、無線傳輸模塊組成。

2.2 軟件設計與實現(xiàn)

軟件設計分為接收器、遙控裝置和控制終端3部分。接收器軟件部分實現(xiàn)接收器的運動控制及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；控制終端軟件主要是接收并處理圖像數(shù)據(jù)、發(fā)送控制命令；遙控器軟件部分實現(xiàn)對接收器數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送控制指令。管道外防腐層智能檢測裝置軟件系統(tǒng)結構如圖2所示。

3 性能試驗

智能化檢測裝置設計完成并靜態(tài)調(diào)試合格后，選擇某燃氣公司一段2.9 km長的埋地天然氣管網(wǎng)進行性能試驗。該管道設計壓力1.6 MPa，材質(zhì)20#鋼，規(guī)格為273 mm×8 mm，采用3層PE防腐，運行時間為8 a 。該管網(wǎng)已用傳統(tǒng)人工檢測方法完成檢測，發(fā)現(xiàn)多處防腐層破損點，處于開挖驗證、修復前的時間節(jié)點。試驗中通過發(fā)射機在管道的一端施加600 mA的電流信號，采用3 Hz/6 Hz/128 Hz的組合發(fā)射頻率。

3.1 管道的巡線定位與埋深測量

遙控接收器飛行到待檢管道上方，依據(jù)接收器傳回的信號，遙控接收器沿管線電流傳播方向運動；也可以終止遙控，由接收器依據(jù)接收的電流信號自行確認測繪路線，根據(jù)電流方向自動繪制管道路由圖并傳回控制終端。為保證管道各測點位置可以查詢及路由圖的唯一性，在接收器中安裝了GPS導航系統(tǒng)，在繪制管道路由圖時自動標注地理位置，可以在控制終端查看電子版路由圖并打印。在測繪管線的同時，管道埋深測量程序也開始工作，最大測繪深度可達2.5 m，并實時標注出各測繪點的埋深數(shù)值。接收器可在距管中電流施加點4 km范圍內(nèi)正常接收數(shù)據(jù)，各檢測點的間距選擇30 m為宜。在破損點、可疑點及彎頭附近要加密檢測間距，以確保管道路由圖的測試精度［9］。現(xiàn)場截取的實測管道路由圖片段如圖3所示。

從圖3可以看出，大部分管段埋深1.4 m，局部管段埋深1.6 m。查詢施工資料后，發(fā)現(xiàn)施工時為滿足土地征用者的要求，加大了這段管道的埋深。反饋的電流信號表明此段管道未見異常，與傳統(tǒng)人工檢測的結果一致。

3.2 電流信號強度的檢測

根據(jù)管中電流衰減梯度法的檢測原理，測量管線電流衰減率Y值的變化即可判斷破損點。傳統(tǒng)人工檢測方法一般只讀取電流衰減的dB值，為提高檢測的準確度，根據(jù)本文中的式（2）、式（3）及式（4）編制了計算軟件，據(jù)此軟件可以換算出管道的絕緣電阻Rg。對本次選定的2.9 km天然氣管網(wǎng)，共分7個測試段進行檢測，其中2號測試段為跨河流地段。圖4所示為2號跨河流段巡檢現(xiàn)場，遙控信號接收器沿管道路由方向在水面上方飛行，在巡檢過程中將管道埋深數(shù)據(jù)及電流強度信號傳送給遠程控制端。圖5所示為2號跨河流段控制端軟件界面。

圖5中左側(cè)顯示的為巡檢現(xiàn)場實拍圖像，右側(cè)顯示的電流強度值為13.0 dB，埋深為1.18 m。其他測試段經(jīng)智能化檢測和人工檢測發(fā)現(xiàn)多處管道破損點，在此選擇3處具有代表性的破損點驗證其準確性。表1為測試段外防腐層檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

從表1可以看出，智能化檢測與人工檢測的數(shù)據(jù)基本一致，1號、2號、6號及7號測試段的電流、電阻數(shù)據(jù)基本正常，防腐層等級優(yōu)良；3號測試段防腐層等級一般，有輕微破損；4號及5號測試段防腐層老化程度嚴重，均有不同程度的破損。各破損點的地理位置坐標已在路由圖中自動標注，管中電流測繪曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出：在3號測試段（690.5 m處）、4號測試段（831.8 m處）、5號測試段（1 120.3 m處）的電流衰減率Y值突然增大，同時電流數(shù)值失去均勻性變化規(guī)律，電流數(shù)值突然減小，說明此處有破損點。采用640 Hz高頻定位電流對破損點位置再次確認，測得3個破損點處的最大Y值分別為36、49、58 dB/km，經(jīng)確認與電流測繪曲線圖中標注的數(shù)值、路由圖中標注的位置一致后進行開挖驗證。

（1）3號破損點的開挖驗證。 3號破損點位于3號測試段690.5 m處，電流衰減率Y的數(shù)值為36 dB/km，絕緣電阻Rg的數(shù)值為3.5 kΩ/m2。根據(jù)路由圖中GPS數(shù)據(jù)定位3號破損點的具體位置，取定位點軸向±0.5 m作為測試段開挖驗證。現(xiàn)場實測破損點面積是20 mm×70 mm，周圍沒有破損跡象。3號破損點現(xiàn)場開挖效果如圖7所示。

（2）4號破損點的開挖驗證。4號破損點位于4號測試段831.8 m處，電流衰減率Y的數(shù)值為49 dB/km，絕緣電阻Rg的數(shù)值為2.0 kΩ/m2。根據(jù)路由圖中GPS數(shù)據(jù)定位4號破損點的具體位置，取定位點軸向±0.5 m作為測試段開挖驗證?，F(xiàn)場實測的破損點面積是50 mm×160 mm，周圍開始有破損跡象。4號破損點現(xiàn)場開挖效果如圖8所示。

（3）5號破損點的開挖驗證。5號破損點位于5號測試段1 120.3 m處，電流衰減率Y的數(shù)值為58 dB/km，絕緣電阻Rg的數(shù)值為0.8 kΩ/m2。根據(jù)路由圖中GPS數(shù)據(jù)定位5號檢測點的具體位置，取定位點軸向±0.5 m作為測試段開挖驗證?，F(xiàn)場實測的破損點面積是35 mm×260 mm，且破損點周圍開始出現(xiàn)老化現(xiàn)象。5號破損點現(xiàn)場開挖效果如圖9所示。

4 分析與討論

在性能測試過程中，從路由圖中找出破損點位置并與人工測試數(shù)據(jù)比對，再對實際破損點現(xiàn)場進行開挖驗證。結果證明：根據(jù)電流衰減梯度理論設計的管道智能化檢測裝置達到了設計目的；智能檢測裝置中采集與存儲的數(shù)據(jù)量遠高于人工檢測數(shù)據(jù)的存儲量；通過大數(shù)據(jù)分析可以得出如何解決檢測中的應用技術問題，以及如何克服干擾因素對檢驗數(shù)據(jù)的影響。

4.1 智能化檢測應用技術分析

（1）智能接收器對管道測繪定位時，可以選擇峰值法和零值法2種模式。峰值法是接收器水平線圈處于管線正上方，且軸線與待測管道垂直時其線圈信號最大；零值法是垂直線圈處于管道正上方，且軸線與待測管道垂直時其線圈信號最?。?0］。首先采用峰值法測量，再用零值法驗證。如果采用2種定位模式測繪線路相重合，則說明管道定位準確。如果2種定位模式測繪線路不重合，則說明有其他信號干擾源存在。當定位差大于200 mm以上時，則說明干擾信號較強且管線定位不準確［11］。此時應查找干擾源，離開干擾源一段距離重新測量。

（2）智能接收器須在管道正上方飛行，在此狀態(tài)下測量的管道埋深才準確。施加在管道上的電流要適中，太小會導致測量距離受限，太大會導致干擾信號過多，一般應為100～2 000 mA。選取的發(fā)射頻率越高，檢測距離越短，檢測靈敏度越高，一般宜選擇3 Hz/6 Hz/128 Hz組合頻率。為保證檢測數(shù)據(jù)精準度，應對每個測點進行重復測試，兩次測試數(shù)據(jù)的相對誤差小于±5%為合格。

4.2 干擾因素對檢測數(shù)據(jù)影響分析

（1）三通接頭及彎頭的影響。智能化檢測裝置在檢測三通接頭等彎曲管道時，與之連接的管道電磁信號形成回路并相互干擾，導致一部分電流通過三通流出，使該處電流發(fā)生衰減，影響檢測的判斷結果。因此檢測點的選取應遠離三通接頭至少5 m［12］。

（2）外界環(huán)境磁干擾的影響。如果在油氣管道附近有發(fā)出電流磁場的設施，例如高壓輸電線路、電氣化鐵路等，這些設施產(chǎn)生的雜散電流會干擾對破損點的定位和定性。此時應采用直流電壓梯度法（DCVG），采用萬用表與硫酸銅參比電極對該段管道進行檢測［13］。

（3）同溝隨行電纜信號的影響。為了監(jiān)控在役管道的實際運行狀況，管道安裝時會在管溝中敷設一條隨行電纜。如果電纜信號強度過高，則會對外防腐層檢測信號的接收有一定影響，部分信號與發(fā)射機發(fā)出的管中電流信號重疊，形成一個附加電流信號，此時應先關閉發(fā)射機。如果還有電流信號斷續(xù)出現(xiàn)，則為附加電流信號值，正常檢驗中接收的電流信號值應該減去電纜產(chǎn)生的附加電流信號值［14］。接收機信號電流與附加電流疊加效果如圖10所示。

綜上所述，在外防腐層檢測結果的確認中，要綜合考慮各方面影響因素，分析相關干擾因素后再決定檢測數(shù)據(jù)是否采納，才能正確地反映油氣管道外防腐層的真實狀況。

5 結 論

（1）通過智能化檢測裝置接收器可在空中飛行的功能，突破了傳統(tǒng)人工方法在惡劣環(huán)境下無法檢測的瓶頸，當遇到有毒有害地段、狹窄空間、河流沼澤等不適宜人員徒步介入的狀況時，可以對埋地油氣管道的外防腐層進行正常檢測，最大檢測距離為管中電流施加點向外延伸4 km。

（2）智能化檢測裝置可以通過檢測管中電流信號測繪管道埋深，最大測繪深度可達2.5 m；依據(jù)接收器行駛路線自動繪制管線圖，通過分析管中電流衰減變化參數(shù)判斷管道防腐層破損狀況，最終生成完整的管道路由圖，并自動標注出破損點的分布狀況，避免了人工標注造成的誤差。

（3）智能化檢測裝置可以使數(shù)據(jù)測試點的間距均勻分布，可以自由設定測點密度，從而提高了管線定位精度，并實時自動保存現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，保證了檢測數(shù)據(jù)的準確性、 便捷性、可靠性及可追溯性，有效地提高了檢測效率，為檢測后期開挖修復提供了數(shù)據(jù)支持。

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