胡鐵華 郭靜波

1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 2. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院

0 引言

油氣管道是國(guó)家能源的大命脈，為了保障石油天然氣的安全可靠供給，國(guó)家相繼投資建設(shè)了西氣東輸一線(xiàn)、二線(xiàn)、三線(xiàn)油氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)、中緬油氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)、中俄東線(xiàn)長(zhǎng)輸天然氣管線(xiàn)、黃渤海深海油氣輸送管線(xiàn)等重要的油氣輸送基礎(chǔ)設(shè)施。其中西氣東輸二線(xiàn)、三線(xiàn)油氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)年輸送流量為300×108m3，采用X70鋼管，管徑為1 219 mm，壓力為12 MPa，介質(zhì)流速為7～8 m/s。中俄東線(xiàn)長(zhǎng)輸天然氣管線(xiàn)設(shè)計(jì)的年輸送流量為380×108m3，采用X80鋼管，管徑為1 422 mm，壓力為12 MPa，介質(zhì)流速為8～10 m/s，工作環(huán)境溫度最低達(dá)－40 ℃。中俄東線(xiàn)長(zhǎng)輸天然氣管線(xiàn)是到目前為止的超級(jí)油氣管線(xiàn)（超大口徑、超高強(qiáng)度、超高壓力、超高流速和超低溫度）。超級(jí)管道的特殊工況對(duì)管道的運(yùn)行維護(hù)提出了全新挑戰(zhàn)。油氣管道的安全運(yùn)行事關(guān)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、社會(huì)公共安全。油氣管道事故源隱蔽，事故后果難以預(yù)料，特別是低溫下高碳鋼脆性裂紋的潛在風(fēng)險(xiǎn)大于常規(guī)金屬損失的風(fēng)險(xiǎn)。

降低或消除油氣管線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)或事故隱患最有效的技術(shù)措施是進(jìn)行油氣管道內(nèi)檢測(cè)。國(guó)際上油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與裝備經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了漏磁、超聲、電磁超聲等典型的管道金屬損失或裂紋內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與裝備，以及速度控制裝置等配套的輔助裝置[1]。典型的漏磁內(nèi)檢測(cè)器的檢測(cè)速度只能在5 m/s以下[2-4]，超聲或電磁超聲內(nèi)檢測(cè)器的檢測(cè)速度更低至2 m/s。中國(guó)自主研發(fā)的油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與裝備在最近十幾年取得了快速發(fā)展，與國(guó)外水平相當(dāng)?shù)墓艿缆┐艃?nèi)檢測(cè)器包括速度控制裝置已經(jīng)服務(wù)于中國(guó)的油氣管道，電磁超聲或壓電超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)也有陸續(xù)報(bào)道。但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有可用的油氣管道內(nèi)檢測(cè)裝備在實(shí)際檢測(cè)工程中，多以犧牲業(yè)主的巨大經(jīng)濟(jì)利益為代價(jià)，由于管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的低速性能，業(yè)主不得不對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行減壓、減量輸送，以滿(mǎn)足檢測(cè)器的要求。而國(guó)際上的油氣交易規(guī)則是“照付不議”，即減量甚至停輸油氣仍按正常輸送計(jì)價(jià)收費(fèi)。由此造成的油氣輸送減量的損失是管道檢測(cè)費(fèi)用的成百上千倍。在國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有高速高性能管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的環(huán)境下，檢測(cè)期間油氣輸送減量的經(jīng)濟(jì)損失被認(rèn)為是理所當(dāng)然的。未來(lái)中俄超級(jí)長(zhǎng)輸天然氣管道的內(nèi)檢測(cè)，如果還停留在現(xiàn)有的技術(shù)水平，減壓、減量輸送的經(jīng)濟(jì)損失將是超級(jí)空前的。實(shí)際上，中國(guó)已經(jīng)建好的主干長(zhǎng)輸油氣管線(xiàn)和將要投入運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)輸油氣管線(xiàn)，均要求在油氣輸送常態(tài)工況下實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)檢測(cè)。這就要求油氣管道內(nèi)檢測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)隨管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)檢測(cè)，即隨流檢測(cè)。在達(dá)到設(shè)計(jì)流量的輸送狀態(tài)下，我國(guó)主干長(zhǎng)輸油氣管線(xiàn)或超級(jí)天然氣管線(xiàn)的介質(zhì)流速超過(guò)7 m/s，瞬態(tài)最高速度達(dá)12～13 m/s。中國(guó)油氣管道急迫需求檢測(cè)速度超過(guò)8 m/s的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)和重大裝備問(wèn)世。在“十三五”開(kāi)局之年，中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助、中國(guó)石油管道公司與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展上述相關(guān)前沿技術(shù)研究。筆者主要介紹了在高速隨流內(nèi)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域所開(kāi)展的研究工作，包括電磁控陣內(nèi)檢測(cè)新技術(shù)、極低頻微弱瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)新技術(shù)以及油氣管道內(nèi)檢測(cè)新裝備的工程應(yīng)用。

1 電磁控陣內(nèi)檢測(cè)新技術(shù)

“十三五”前高于5 m/s檢測(cè)速度的管道內(nèi)檢測(cè)器技術(shù)與裝備國(guó)內(nèi)外均為空白狀態(tài)。電磁控陣內(nèi)檢測(cè)器的總體構(gòu)想是筆者在申報(bào)2016年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目時(shí)提出來(lái)的，其初衷是尋求8 m/s檢測(cè)速度下油氣管道金屬缺陷檢測(cè)的解決方案，其主旨思想是采用電磁信號(hào)的主動(dòng)發(fā)射與接收實(shí)現(xiàn)金屬缺陷的檢測(cè)。

圖1給出了金屬材料的動(dòng)態(tài)演化B—H曲線(xiàn)（B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度），由圖1可以看出，在直流勵(lì)磁磁場(chǎng)和高頻激勵(lì)磁場(chǎng)的協(xié)同作用下，激勵(lì)磁場(chǎng)具有攝動(dòng)效應(yīng)，工作點(diǎn)從Q(|B|, |H|)變到Q'(|B＋b|, |H＋h|)，即較小的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化（b）帶來(lái)較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度（h）變化，同時(shí)動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率（μbh）遠(yuǎn)小于靜態(tài)磁導(dǎo)率（μBH）。

圖1 勵(lì)磁磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)協(xié)同作用下的動(dòng)態(tài)演化B—H曲線(xiàn)圖

為保證在8 m/s移動(dòng)速度下實(shí)現(xiàn)油氣管道金屬損失與裂紋的檢測(cè)，需要在200 μs內(nèi)完成周向探頭的信號(hào)發(fā)射與接收，并完成缺陷信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。為此設(shè)計(jì)的電磁控陣探頭構(gòu)架如圖2所示。其中的激勵(lì)線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈物理上覆蓋；發(fā)射和接收由主控模塊通過(guò)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；發(fā)射的信號(hào)為沖擊型磁激勵(lì)信號(hào)，并由MOS驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大；接收信號(hào)為管道被測(cè)區(qū)域的磁沖擊響應(yīng)的差分信號(hào)[5]，該差分信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊放大后，進(jìn)行模擬信息采樣[6]；模擬信息采樣的目的是降低頻率極高的磁沖擊響應(yīng)的采樣速 率，以滿(mǎn)足200 μs內(nèi)完成周向探頭的信號(hào)發(fā)射與接收、采樣、傳輸、存儲(chǔ)等一系列工作。信息采樣信號(hào)包含了被測(cè)缺陷的全部信息。該信號(hào)的由勵(lì)磁磁場(chǎng)和激勵(lì)磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化而來(lái)，稱(chēng)之為動(dòng)磁響應(yīng)信號(hào)。

圖2 電磁控陣的探頭構(gòu)架圖

圖3 和圖4分別給出了實(shí)測(cè)的金屬試件內(nèi)表面缺陷和外表面缺陷的動(dòng)磁響應(yīng)信號(hào)波形圖。圖中標(biāo)識(shí)“ID”為內(nèi)表面，“OD”為外表面；標(biāo)識(shí)“ID20-10-6”代表長(zhǎng)度為20 mm、寬度為10 mm、深度為6 mm的內(nèi)表面缺陷。

圖3 實(shí)測(cè)的金屬試件3種長(zhǎng)、寬、深尺寸的內(nèi)表面缺陷的動(dòng)磁響應(yīng)信號(hào)波形圖

圖4 實(shí)測(cè)的金屬試件3種深度尺寸外表面缺陷的動(dòng)磁響應(yīng)信號(hào)輸出波形圖

圖5 8.6 m/s檢測(cè)速度下管道缺陷動(dòng)磁響應(yīng)信號(hào)波形圖

圖5 給出了一組檢測(cè)速度8.6 m/s條件下，采用陣列探頭實(shí)測(cè)的管道缺陷動(dòng)磁響應(yīng)信號(hào)波形圖。由圖5可知，電磁控陣檢測(cè)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了8 m/s速度下的管道缺陷檢測(cè)，是目前世界首創(chuàng)檢測(cè)速度最快的油氣管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。

比較圖4和圖5可知，內(nèi)表面和外表面缺陷的輸出信號(hào)相位極性相反。信號(hào)在橫軸的持續(xù)長(zhǎng)度反映了缺陷的長(zhǎng)度，信號(hào)幅值的大小反映了缺陷的深度。

2 極低頻瞬態(tài)微弱信號(hào)檢測(cè)新技術(shù)

在高速油氣管道內(nèi)檢測(cè)工程中，管道內(nèi)檢測(cè)器的管外跟蹤和定位是一項(xiàng)重要的配套工程。跟蹤是指在固定的觀測(cè)點(diǎn)檢查內(nèi)檢測(cè)器是否通過(guò)該點(diǎn)，定位是指當(dāng)內(nèi)檢測(cè)器在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生卡堵意外情況時(shí)，找到卡堵的準(zhǔn)確位置。實(shí)現(xiàn)上述跟蹤定位的實(shí)用解決方案是極低頻磁信號(hào)發(fā)射與接收方案[7-10]。其中極低頻磁信號(hào)發(fā)射機(jī)搭載在管道內(nèi)檢測(cè)器上，極低頻磁信號(hào)接收機(jī)在管道外部一定距離的地面或水中。圖6給出了一種深海油氣管道內(nèi)檢測(cè)器管外跟蹤定位的整體方案框架，其核心難點(diǎn)在于極低頻磁信號(hào)的接收。

圖6 一種深海油氣管道內(nèi)檢測(cè)器管外跟蹤定位整體方案框架圖

極低頻磁信號(hào)發(fā)射機(jī)既要滿(mǎn)足常態(tài)工況下的跟蹤需求，又要滿(mǎn)足異常情況下的定位需求。這就決定了發(fā)射機(jī)要有足夠長(zhǎng)的壽命和適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率，如400 h/0.5 W。又由于發(fā)射機(jī)隨內(nèi)檢測(cè)器高速運(yùn)動(dòng)，這就決定了管外接收機(jī)處的極低頻磁信號(hào)是微弱瞬態(tài)信號(hào)[11]。

圖7給出了穿越管道磁場(chǎng)垂直分量強(qiáng)度與發(fā)射源中心距的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖7可知，23 Hz的極低頻磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)20 mm厚的管道衰減了2個(gè)量級(jí)，到達(dá)中心線(xiàn)6 m處衰減了4個(gè)量級(jí)。與背景地磁場(chǎng)相比，距離管道中心線(xiàn)6 m處的信號(hào)大約比地磁場(chǎng)信號(hào)低4到5個(gè)量級(jí)。

圖7 穿越管道磁場(chǎng)強(qiáng)度與發(fā)射源中心距的關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖8 給出了距離中心距6 m處實(shí)測(cè)的接收線(xiàn)圈上的感應(yīng)信號(hào)（圖8-a為噪聲，圖8-b為信號(hào)＋噪聲），直觀上已經(jīng)不能看出極低頻信號(hào)的存在了。

為實(shí)現(xiàn)噪聲中的極低頻信號(hào)檢測(cè)，采用杜芬混沌振子[12-13]對(duì)含噪的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，特征頻率選為23 Hz，混沌振子的輸出結(jié)果如圖9所示（圖9-a是含噪信號(hào)，圖9-b是混沌振子輸出信號(hào)），其中在2.5～8.0 s輸出的是標(biāo)準(zhǔn)23 Hz信號(hào)，由此判斷被測(cè)采樣數(shù)據(jù)中含有23 Hz信號(hào)。經(jīng)過(guò)仿真可知，混沌振子檢測(cè)器可以可靠的檢測(cè)出信噪比低至－10 dB的含噪信號(hào)，信號(hào)最短持續(xù)周期為6個(gè)周期。

3 油氣管道內(nèi)檢測(cè)新裝備的工程應(yīng)用

自主研制了168～1 422 mm系列化油氣管道內(nèi)檢測(cè)裝備，包括油氣管道變形檢測(cè)器、油氣管道漏磁/動(dòng)磁內(nèi)檢測(cè)器、油氣管道內(nèi)檢測(cè)器跟蹤定位用極低頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等3種典型設(shè)備。3種典型設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)如表1～3所示。

使用研發(fā)的油氣管道變形檢測(cè)器、油氣管道漏磁/動(dòng)磁內(nèi)檢測(cè)器、極低頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)實(shí)際工業(yè)油氣管道進(jìn)行了檢測(cè)和跟蹤。圖10給出了一個(gè)天然氣管道驗(yàn)收工程中的變形檢測(cè)結(jié)果。變形檢測(cè)器在空壓機(jī)的壓力驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)，瞬時(shí)速度達(dá)到53 m/s，仍可靠的獲得了如圖虛線(xiàn)所指示的管道變形信號(hào)。圖11給出了在8 m/s牽拉速度下，漏磁/動(dòng)磁內(nèi)檢測(cè)器采集到的典型管道缺陷的高清漏磁信號(hào)。圖12為管道內(nèi)檢測(cè)器極低頻跟蹤工程中實(shí)測(cè)接收機(jī)天線(xiàn)信號(hào)及檢測(cè)判決信號(hào)。

圖8 距離中心距6 m處實(shí)測(cè)的接收線(xiàn)圈上的感應(yīng)信號(hào)圖

圖9 混沌振子輸出信號(hào)圖

表1 油氣管道變形檢測(cè)器技術(shù)指標(biāo)表

表2 油氣管道漏磁/動(dòng)磁內(nèi)檢測(cè)器技術(shù)指標(biāo)表

表3 極低頻發(fā)射機(jī)/接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)表

圖10 油氣管道驗(yàn)收工程中的變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖11 油氣管道牽拉實(shí)驗(yàn)工程中的管道腐蝕實(shí)測(cè)漏磁數(shù)據(jù)圖

圖12 管道內(nèi)檢測(cè)器極低頻跟蹤工程中實(shí)測(cè)的接收機(jī)天線(xiàn)信號(hào)及檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量信號(hào)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

油氣管道內(nèi)檢測(cè)是保證油氣輸送安全的技術(shù)保證。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展石油天然氣輸送進(jìn)入了大管徑、高壓、大流量、高速度的新時(shí)代，管道內(nèi)檢面臨高速隨流檢測(cè)的新挑戰(zhàn)。為解決這一世界性難題，清華大學(xué)在國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助下，開(kāi)展了一系列管道高速內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與裝備研發(fā)，并開(kāi)展了實(shí)際檢測(cè)工程驗(yàn)證。筆者提出了電磁控陣內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，利用直流和高頻磁場(chǎng)對(duì)被測(cè)金屬缺陷的協(xié)同作用機(jī)理并引入壓縮采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了8 m/s條件下的管道金屬損失缺陷的檢測(cè)，研發(fā)成功世界上檢測(cè)速度最高的漏磁/動(dòng)磁內(nèi)檢測(cè)器。為實(shí)現(xiàn)高速條件下的管道內(nèi)檢測(cè)器的管外跟蹤定位，提出了基于混沌的瞬態(tài)微弱極低頻信號(hào)檢測(cè)方法，可檢測(cè)的信噪比低至－10 dB。高速管道內(nèi)檢測(cè)器技術(shù)與設(shè)備和配套的高速跟蹤定位技術(shù)與裝備為中國(guó)主干油氣管道的安全運(yùn)行提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐和設(shè)備保障。