1、Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.012海底管道超声内检测器开发与工程测试王怀江，曲杰，卢进，孟强（中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津300452）摘要：目前国际上应用较为普遍的海底管道内检测技术主要有漏磁检测技术、超声波检测技术、涡流检测技术。与漏磁内检测技术相比，超声波内检测技术可以直接定量测量管道的剩余壁厚，检测精度较高。本文针对超声内检测器系统开发与缺陷识别量化问题，引入闸门检测超声智能检测方法，对超声内检测器
2、的通过性、检测精度进行工程测试，完成超声内检测器整机系统开发与技术定型。实验结果表明：该系统能够有效发现针孔类缺陷，金属损失类缺陷检出率均大于 90%，80%置信度深度精度为0.040.18 mm，能够满足实际工程应用需求。关键词：海底管道；超声检测；缺陷识别；工程测试中图分类号：TE988文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0107-09收稿日期：2022-06-20作者简介：王怀江（1989），男，硕士，工程师，主要从事海底管道运维技术研究。E-mail：超声波检测技术是 20 世纪 80 年代末由日本钢管株式会社和德国 Pipetronix 公司最先应用到管道腐蚀
3、检测智能爬行机中的，随后加拿大、美国等也相继研制了超声爬行机装置1。这些爬行机装置大都用于陆地管道腐蚀坑和壁厚的检测。爬行机装置主要分有缆和无缆两种型号：有缆探测主要适用于短距离场合；无缆主要用在长距离探测场合。其核心技术都严格保密，仅对外提供技术服务。目前，国外技术比较成熟的检测公司主要有美国 GE PII 公司、德国 ROSEN 公司、日本 OLYMPUS 公司等2。我国的管道超声内检测技术研究起步较晚。1989 年，中国石油管道局工程有限公司引进了一套德国的超声波无损检测器，由于技术上的原因，引进设备的应用范围和使用效率都受到很大的制约3-4。近些年来，国内产学研用各方联合攻关，管道智能
4、内检测技术研究已经取得较好的成果。以清华大学、上海交通大学、北京工业大学、沈阳工业大学、中国石油管道局工程有限公司等为主的研究机构牵头开发出各种内检测器，实现了不同规格管道内检测器的自主研制，但性能指标和精度要求对比国外产品仍存在一定的差距。同时超声波内检测技术的产业化工程应用方面，国内仍然没有实现实质性的突破。为解决国内管道检测领域基础设施建设薄弱、研究力量单一分散、验证评价方法不规范等问题，中海油（天津）管道工程技术有限公司于 2015 年投建了国内首座海底管道检测技术中试基地，用以深度探究影响管道内检测器性能和精度的复杂因素，为内检测器的工况适应性、通过性及检测数据处理、解译过程中的模型
5、优化提供技术支撑。通过中试基地，还可以解决实验室难以发现的工程放大问题，完善设备加工工艺和定型设计，有利于集成技术开发，进一步促进工程应用体系建设，构建企业核心竞争力。1超声内检测器系统组构设计海底管道检测主要有以下几个方面的特点：海底管道检测装置传感器数量大，连续工作时间长，采样频率高，检测数据量庞大，对后续离线分析和评估速度要求高5。以超声检测单元为例，系统一次需要完成至少 10 km 的管道检测，128 个超海洋技术学报第42卷声探头以 3.3 mm 的激励脉冲重复频率工作，每次触发的 A 扫数据将达到 128 128 B 的数据，单次检测将有高达 46 GB 的超声检测数据需要存储；海
6、底管道无法进行开挖验证，检测精度要求高，探头节应与管道内壁保持良好的相对位置关系，确保检测数据的有效性6-7，合理的传感器支撑结构设计是管道腐蚀检测成功的关键8。另外，检测器通过性要求更高，一旦卡堵，解堵作业难度极大。在长输管道检测中，还要求传感器支撑结构具有足够的耐磨性和抗冲击性9-10。图 1 为压电超声波内检测器结构设计图，该检测器适用于外径 323.9 mm 的海底管道，检测器一共分为四节，分别为电池节、里程姿态节、电子舱和探头节。电池节为整台设备提供能量供应，直接决定了单次检测的最大时长；里程姿态节可以实时测量设备的采样激励步长与当前运行姿态，为保证超声内检测轴向检测精度，里程轮每旋
7、转 3.3 mm就会触发一个里程计数脉冲，并进行一次超声数据采集，按照最大 2 m/s 的运行速度要求，超声探头完成一次数据采集所耗费的时间小于 1.65 ms；电子舱负责超声波信号的激励/接收、采集/处理与即时存储，根据目前电子器件的信号处理能力，检测器每秒钟可以对 128 个探头通道的数据量进行1 000 次分批次采集，那么一次采集需要耗时 1 ms，因此，内检测器实际能够满足最大 3.3 m/s 的运行速度；探头节由 8 个检测臂组成，检测臂均为柔性结构，由高分子柔性材料构成。所有检测臂沿圆周方向均匀分布，检测臂上共安装 128 个测厚探头，可对管道圆周方向进行全方位扫描。该检测器可测壁
8、厚范围为 330 mm，当进行最薄壁厚为 3 mm 的管道检测时，探头架到检测臂尾部依然能够保证约5%的过盈量，因此，探头架、检测臂在壁厚变化时能稳定地贴合在管道内壁上，确保了探头节检测的稳定性和检测数据的可靠性11，同时检测臂的柔性结构保障了探头节最小曲率半径为 3D（3 倍管道外径）的弯头通过性。系统节与节之间采用万向节相连，可保证检测器过弯头时仍能顺利通过，四节机械结构均采用完全水密封，能适应海底管道内的高温高压环境。图 2 为超声内检测器中控系统组构图，用于实图 1压电超声波内检测器结构设计图图 2超声内检测器中控系统组构图密封承压结构里程轮支撑结构万向节等连接结构探头节浮动支撑结构防
9、撞机构动力及径向支撑结构结构系统探头节分系统电子舱分系统超声探头阵列电源信号电源信号电源信号角度信号温度传感器系统启动软件（系统控制）数据处理软件超声波信号激励/接收单元里程脉冲产生单元数据采集与解析单元数据存储单元数据输出单元里程轮传感器里程记录分系统电池组件电池节分系统陀螺倾角角度解算数据输出姿态检测分系统电池节里程/姿态节 电子舱探头节108第1期现超声波信号的发射、接收、采集、处理、存储和分析。该系统主要由超声激励发射电路、信号接收电路、信号采集电路、信号处理电路和信号存储分析电路、系统电源电路组成。中控系统与外部的连接器有 12 芯电源连接器，24 芯测试连接器和 55 芯超声激励连
10、接器，其中 12 芯连接器含电源与里程轮信号；24 芯连接器含 Display Port 与 USB 接口；55 芯连接器含 32 路超声激励信号与控制信号。设备性能参数如表 1 所示。2超声内检测器试验设计与工程测试管道环路全长 800 m，其中检测器有效运行长度为 655 m，管道钢级为 API 5L PSL2 X65，由323.9 mm 12.7 mm 规格无缝钢管通过焊缝/法兰/弯头连接构成，如图 3、图 4 所示。其中，第 4851号焊道间为可替换直管段，用于内检测器最小内径250 mm 缩径管段的通过性测试及针对缺陷管段的检测精度测试；第 3539 号焊道间为可替换弯头管段，用于内
11、检测器最小局部 3D 弯头/连续 3D 弯头的通过性能测试。图 5 为管道环路可实现工况参数，本次测试选用 304.8 mm 管路，利用海水建立纯液相工况，对超声内检测器的通过性及缺陷检测精度进行考核。可替换直管段中管道规格为 330.2 mm 12.7 mm的缺陷管段共 6 根，每根长 3 m，总长 18 m；内径250mm 的缩径管段 1 根，长度为 3 m，缩径管段法兰连接部位突出台阶应完全打磨；缺陷管道在安装上环路前，缺陷长度值、宽度值、深度值均已完成测量标定，如图 6 所示。可替换弯头管段中局部3D弯头/连续 3D 弯头规格均为 323.9 mm 12.7 mm，连续3D 弯头间直管
12、段长度设计为 700 mm。试验管表 1设备性能参数表设备性能参数指标探头中心频率5 MHz探头带宽75%有效信号直径10 mm探头直径14 mm探头长度22 mm聚焦类型线聚焦输入电阻抗50 探头前表面匹配类型水浸系统耐温/耐压70/12 MPa外壳材料304 不锈钢检测分辨率50 MHz（0.02 s）系统采集频率1 000 Hz数据存储容量1.6 TB图 3可替换直管段可改造为缩径管段和缺陷管段图 4可替换弯头管段局部 3D 弯头和连续 3D 弯头39 号焊道35 号焊道局部 3D 弯头连续 3D 弯头51 号焊道48 号焊道图 5管道环路可实现工况参数800 m 环路9 m 立管缺陷群
13、6D/4D/3D/1.5D管道规格：6、8、10、12环路长度：800 m环路压力：3 MPa弯头替换：可以管段替换：可以输送介质：气/液/混输水深条件：09 m内部腐蚀：可以外部腐蚀：可以连接形式：法兰/焊接图 6缺陷标定王怀江，等：海底管道超声内检测器开发与工程测试109海洋技术学报第42卷图 7检测器整机 250 mm 缩颈通过性测试压力-流量工况记录平管段压差 0.25 MPa平管段压差 0.12 MPa连续 3D 弯头局部 3D 弯头内径 250 mm 缩颈下立管上立管表 2试验管段参数名称外径/mm内径/mm每根长度/m数量/根缩径管323.925031缺陷管330.2304.83
14、63D 弯头323.9298.5连续弯头间直管段长 700 mm段参数如表 2 所示。2.1超声内检测器通过性测试建立不同水压环路工况，对超声内检测器整机结构系统 3D 弯头/250 mm 缩径管段通过性、结构系统稳定性、各舱体耐压密封性进行适应性测试，为后续超声内检测器缺陷管检测、整机电气性能测试提供结构可靠性保障。图 7 为检测器整机结构系统 250 mm 缩颈通过性测试压力-流量工况记录，现场对环路系统进行了流程切换，将检测器由收球端发出，在发球端接收，因此，图 7 中收球罐压力曲线、发球罐压力曲线变化趋势与正常流程下的变化趋势相反。检测器运行过程详细分析如下。（1）检测器 15 33
15、附近发出，15 34 左右下立管，此时收球罐端压力减小，发球罐端压力增大，伴随有流量增大现象。（2）检测器 15 37 左右到达 250 mm 缩颈管段，由于管道内径突变，设备运行阻力急剧增大，收球罐端压力急剧增大，发球罐端压力急剧减小，环路系统流量接近零值，设备出现瞬间卡顿现象，随着压差的进一步增大，设备重新启动运行，最大压差达到 1.65 MPa。（3）检测器 15 39 左右到达连续 3D 弯头处，此时收球罐端压力出现连续波动增大，发球罐端压力连续波动减小，伴随有流量减小现象。（4）检测器 15 41 至 15 42 间通过两处局部3D 弯头，对应位置处，收球罐端压力出现单个波动增大，发
16、球罐端压力出现单个波动减小。（5）检测器 15 43 左右上立管，此时收球罐端压力增大，发球罐端压力减小，伴随有流量减小现象。（6）检测器 15 44 左右到达收球筒，全程运行约 11 min，运行里程约 660 m。综上所述，超声内检测器整机结构通过性环路测试结论如下：超声内检测器整机结构系统及各分系统顺利通过内径 250 mm 缩径管段与局部 3D弯头/中间直管段长度为 700 mm 的连续 3D 弯头管段，各结构件完整无损坏，皮碗/探头架强度和弹塑性满足通过性环境适应性要求；323.9 mm 12.7 mm 环路管段中超声内检测器整机结构系统最大运行压差为 0.25 MPa，随着运行里程的增加，内检测器皮碗及探头架磨损量增多，整机结构系统稳定运行压差为 0.12 MPa；内径 250 mm 缩径管段中超声内检测器整机结构系统最大运行压差为1.65 MPa。110第1期图 8超声波测厚原理图检测点检测线外壁缺陷超声波沿检测线剖开内壁外壁壁厚缺陷剖面图检测线缺陷俯视图管道周向展开检测线不同剩余壁厚用不同颜色标示C 扫视图可呈现出缺陷表面轮廓B 扫视图可呈现出缺陷剖面基本形态内壁界面波
