湛立寧* 盧俊文 周璐璐 陳 敏 王肖逸

（河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院唐山分院）

0 引言

壓力管道是一種輸送流體的特殊工具，常用于輸送石油、天然氣等易燃易爆介質(zhì)，一般采用埋地鋪設的方式，甚至會穿越河流、湖泊、沼澤等惡劣環(huán)境。作為承壓類特種設備之一，埋地燃氣管道受到外界環(huán)境及安裝質(zhì)量的影響，在服役過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種缺陷，其中，外防腐層破損是最常見的缺陷[1]。因此壓力管道應進行定期檢測，目前采用的外防腐層檢測技術均是在非開挖狀態(tài)下進行檢測，通常由人工操作信號接收儀器，人工繪制路由圖及標注檢測點，導致檢測數(shù)據(jù)追溯性較差[2]。本文研制的管道外防腐智能化檢測裝置，可以根據(jù)管道衰減電流大小判斷防腐層破損點位置并實現(xiàn)管道檢測的智能化布點、自動繪制管線圖、自動記錄管道埋深等功能，實現(xiàn)埋地燃氣管道外防腐檢測的智能化操作。

1 智能檢測裝置的組成

1.1 智能檢測裝置硬件結(jié)構

為了便于智能檢測裝置在野外各種環(huán)境下行走，主體結(jié)構采用四輪獨立懸掛形式，驅(qū)動裝置采用低功耗大扭矩的輪轂電機，可以為檢測裝置提供足夠動力?？紤]到現(xiàn)場檢測環(huán)境的特殊性，在運動轉(zhuǎn)向方面采用單輪單轉(zhuǎn)向控制，單輪均可以360°轉(zhuǎn)動，且沒有轉(zhuǎn)彎半徑限制，實現(xiàn)了檢測裝置向任意方向運動的目的，如圖1 所示為智能檢測裝置樣機。

圖1 智能檢測裝置樣機

智能檢測裝置設計有一個60°×180°全景云臺相機及一臺定位高清攝像頭，操作人員可在后臺軟件界面實時觀察到檢測裝置整體運動狀態(tài)及信號接收機顯示畫面，也可以通過信號接收機的界面顯示及判斷埋地管道的位置。檢測裝置在埋地管道上方運動時，遠方控制系統(tǒng)對其發(fā)送記錄打點指令，舵機會根據(jù)接收的指令旋轉(zhuǎn)固定角度，運用舵機上安裝的擺桿對信號接收機上的保存按鍵進行點擊，代替人工手動操作，圖2 所示為智能檢測裝置上的打點航機。

圖2 智能檢測裝置上的打點航機

承載信號接收機的x、y軸移動裝置選用高精度工業(yè)級電動十字滑臺，具有很高的傳動效率及傳動精度[3]，在檢測過程中確保信號接收機處于同一高度。

1.2 智能檢測的控制系統(tǒng)

智能檢測的原理是對管道施加一個電流信號，采用接收機接收電流信號，根據(jù)管中電流信號判斷管道的走向和埋深，根據(jù)電流信號衰減程度來尋找破損點?？刂葡到y(tǒng)采用的是高性能STM32 單片機，并與后臺控制系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)傳輸[4]，檢測裝置運動形式有兩種：一是通過本身自帶的多通道遙控器進行控制；另外是通過計算機控制系統(tǒng)對檢測裝置遠程控制。

智能檢測裝置的圖像傳輸采用大功率網(wǎng)橋系統(tǒng)，網(wǎng)橋圖像傳輸距離可達5 km，傳輸效率可達900 M/s，傳輸穩(wěn)定性強，且可以有效避免外界環(huán)境干擾[5]。根據(jù)管道定檢項目及信號接收機操作原理，智能化檢測裝置主要對管道電流接收模塊、管道定位模塊、管道埋深檢側(cè)模塊進行了設計?？梢酝ㄟ^攝像頭查看信號接收機面板，將定位模式調(diào)成“波峰法或波谷法”，利用管線定位箭頭確定大致位置[6]，再利用數(shù)字信號定位管道中心線并記錄管道埋深、電流強度等。

當軟件操控平臺通過網(wǎng)橋發(fā)出指令后，智能檢測裝置中的GPS 將收到一個記錄坐標的指令，并在打點指令完成后，將GPS 采集到的經(jīng)緯度坐標上傳至軟件操控平臺，計算機將收到的經(jīng)緯度坐標進行匯總，最終生成一個準確完整的管線路由圖。同時檢測裝置依據(jù)接收的管中電流信號記錄管道埋深，并根據(jù)電流數(shù)值變化尋找管道防腐層破損點，當遇到有毒有害區(qū)域地段、狹窄空間等惡劣環(huán)境不適合人員徒步介入的地帶，也可以正常完成對埋地管道的檢測。

2 工程應用實例

智能檢測裝置樣機研制成功后，在某燃氣公司的一段埋地燃氣管道進行了性能測試，該管線設計壓力為4.0 MPa，管道規(guī)格為 325 mm×10 mm，材質(zhì)為L290N,長度為39 km，對其中2 km 管道進行了智能化檢測，同時也進行了人工檢測做數(shù)據(jù)比對，智能化檢測與人工檢測比對數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 智能化檢測與人工檢測比對數(shù)據(jù)

從表1 可以看出，智能化檢測數(shù)據(jù)和人工檢測的電流衰減數(shù)據(jù)基本一致，說明智能檢測數(shù)據(jù)可靠性較高，完全可以取代人工檢測。根據(jù)衰減電流換算出的絕緣電阻數(shù)值將等級評價劃定為五個等級，其中KD25 段管線電流衰減信號Y為51 dB/km，絕緣電阻值＜1 kΩ/m2,防腐層評價等級為五級劣，說明外防腐層存在較大破損點，對比自動繪制的管道路由圖，找出了破損點的GPS 定位并開挖進行了驗證，圖4 所示為KD25 管段的破損狀態(tài)，破損面積約為270 mm×120 mm。

圖4 KD25管段破損狀態(tài)

測試區(qū)間的KD11 與KD40 管段絕緣電阻值均大于10 kΩ/m2，防腐層基本無老化，防腐層評價等級為一級優(yōu)；KD15 管段的絕緣電阻值為5 ～10 kΩ/m2，說明防腐層老化校輕微、無剝離和損壞現(xiàn)象，防腐層評價等級為二級良；KD31 管段絕緣電阻值為3 ～5 kΩ/m2，防腐層基本完整、老化較輕，防腐層評價等級為三級可；KD23 管段的電流衰減信號Y為38 dB/km，絕緣電阻值為1 ～3 kΩ/m2，說明防腐層老化較重、有剝離現(xiàn)象，防腐層評價等級為四級差。對比自動繪制的管道路由圖，找出了KD23 管段破損點的GPS 定位并進行了開挖驗證，圖5 所示為KD23 管段破損狀態(tài)，破損面積約為140 mm×30 mm。

圖5 KD23管段破損狀態(tài)

通過開挖驗證可以看出，智能化檢測裝置可以檢測出埋地管道的外防腐層破損點，破損點的面積與電流衰減信號dB 值相互對應，并根據(jù)路由圖找出破損點的準確位置，為使用單位開挖修復提供了技術支持。

3 分析與討論

通過將工程實例與人工檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明智能化裝置的檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，同時由于智能化裝置安裝了數(shù)據(jù)控制平臺，可以對日常檢測中積累的數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，通過大數(shù)據(jù)分析出電流衰減信號與破損點面積的關系，管道絕緣電阻Rg與防腐層老化狀況的關系，可以對后續(xù)的修復工作提供了數(shù)據(jù)支持[7]。

3.1 電流衰減信號與破損點面積的關系

埋地燃氣管道普遍采用3 層PE 防腐，具有較好的熱穩(wěn)定性，不易發(fā)生老化現(xiàn)象，對土壤的酸堿性有較強的適應能力，防腐層開裂的可能性很低[8]。防腐層失效幾乎都是由破損引起的，根據(jù)電流衰減率判斷破損點的準確率很高，通過檢測數(shù)據(jù)的積累，可以總結(jié)出電流衰減信號與破損點面積的對應關系，如表2所示，表2 中的面積應理解為等效圓直徑計算值[9]。

表2 電流衰減信號與破損點面積關系表

3.2 絕緣電阻Rg與防腐層老化狀況的關系

埋地管道的絕緣電阻Rg代表著防腐層的完好狀態(tài)，絕緣電阻Rg數(shù)值越大，說明管道的防腐層越完好[10]。通過智能化檢測對絕緣電阻Rg數(shù)據(jù)的積累與分析，可以總結(jié)出采用3PE 防腐的管道絕緣電阻Rg、管道的分布電容C與防腐層老化狀況的對應關系，表3 為絕緣電阻Rg與防腐層綜合等級評價表。

表3 絕緣電阻Rg與防腐層綜合等級評價表

4 結(jié)論

（1）埋地燃氣管道智能化檢測裝置通過可遙控的接收機接發(fā)管道電流信號，解決了檢測人員手持信號接收機造成的人工打點稀疏、工作量大、人工操作數(shù)據(jù)真實性存疑等問題，也解決了在一些危險、復雜環(huán)境狀態(tài)下無法檢測的技術難題。

（2）通過與人工檢測數(shù)據(jù)進行比對后可知，埋地燃氣管道智能檢測裝置既能保證數(shù)據(jù)準確可靠，又能大幅提高檢測效率、降低檢測人員勞動強度，隨著智能化檢測水平不斷提高，其勢必會取代傳統(tǒng)的人工檢測方式。

（3）為了進一步提高埋地燃氣管道的智能化檢測水平，后續(xù)可研發(fā)遙控無人飛機進行遠程檢測，將管道電流接收模塊、定位模塊、埋深檢側(cè)模塊、GPS 坐標系統(tǒng)裝置于無人飛機中，在空中完成對埋地燃氣管道的智能化檢測工作。