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油气管道通径检测器技术研究进展

中国页岩气网讯：目前，通用的油气管道内检测可分为普通清管、测径清管器检测、通径检测器检测和智能清管器检测4个阶段。普通清管器和测径清管器的结构和作业工艺相对简单，发展也比较成熟。通径检测器和智能检测器技术含量较高，涉及传感、检测、计算机、信号处理与分析等多种技术的融合，其是管道内检测最为关键的两个步骤。其中，通径检测器作为管道内检测不可或缺的装备之一，主要完成管道内径、路由等测绘工作，为漏磁检测器等智能检测器进一步检测提供安全保障。

一、通径检测器的基本结构

通径检测器的基本结构主要由通径检测臂、检测传感器、里程轮、电子舱、皮碗、防撞头、发射机和骨架等部分组成(图1)。

图1 　通径检测器结构示意图

通径检测臂和检测传感器组合安装在通径检测器骨架上，根据检测传感器的不同，可以完成管道变形、裂缝、腐蚀等缺陷的检测;里程轮主要负责记录通径检测器运行速度、里程等信息;电子舱则为传感器提供电压并记录传感器采集的数据;皮碗主要起封隔作用，通过在通径检测器两端建立压差，为通径检测器提供驱动力。

二、国内外通径检测器的研究进展

1、国外研究现状

早在1929 年，针对用于提炼石油的管道长期在高温下使用后发生腐蚀、膨胀等管道缺陷问题，壳牌石油公司申请了一项有缆式通径检测器的美国专利，用于定量测量管道内径的变化。自1980 年开始，鉴于管道检测的迫切需要，以TDW 公司为首的一些公司相继开展了相关研究，并申请了大量专利。经过近百年的技术积累，国外成熟的产品先后投入现场使用， 取得了良好的效果。

总体上，通径检测器在国外经历了两个阶段的发展。20 世纪90 年代，通径检测器都是接触式，沿设备周向均布的检测臂一端在支撑弹簧的弹力下与管道紧密接触，另一端与积分盘相连，经过管道变形处时，检测臂以根部为中心旋转，将变形信号通过积分盘传递给数据记录舱，并通过走纸方式记录，离线分析时直接在纸上读取数据。随着直线位移传感器的出现，走纸记录的方式被取代，管道变形的信息被转换成电压信号存储。21 世纪初，随着检测传感技术的发展，小尺寸的直线位移传感器和角位移传感器等相继投入使用，不再使用积分盘记录，每个检测臂单独连接一个传感器，极大地提高了检测精度。随后，开始出现了集通径检测和漏磁检测为一体的非接触式通径检测器，采用大容量数据实时采集与存储技术，并通过先进的软件进行数据处理和分析，将通径检测器记录的信息在计算机屏幕上直接还原成管道原样。

非接触式通径检测器与接触式通径检测器各有优缺点。由于使用涡流感应、超声波等技术，非接触式通径检测器除了可以检测管道直径外，还可以检测管道裂纹、金属损伤以及管内外缺陷，精度高，检测效果好。接触式通径检测器的检测能力和精度往往没有非接触的高，其优点是原理简单、成本低。相对于非接触式通径检测器，接触式通径检测器的检测臂直接与管道接触，测量管道直径时，不易受管壁杂质的干扰，数据稳定可靠。

(1)非接触式通径检测器

鉴于非接触传感器技术的复杂和检测的不稳定性，目前，管道通径检测使用非接触式方式检测的还比较少。ROSEN 公司在这方面的技术比较成熟，该公司开发的通径检测器在检测器头部按周向均匀装有独立通道的非接触式几何传感器，可以测量传感器表面到管道内壁的距离变化，最后根据变化值还原管道实际情况(图2)。该产品将非接触式距离检测与电子角度检测结合，除了能检测管道直径外，还能检测凹坑、裂纹等管道缺陷，检测精度不受蜡和鳞片的影响，检测范围达管道周向100%。

PipeWay 公司、巴西国家石油公司和巴西里约热内卢天主教大学从2004 年起，就开始联合研究该技术。目前正在开发的GMD(Geometric Magnetic and Discriminator)传感器(图3)可以完成管道直径、金属损伤及管内外缺陷的检测。该传感器通过将1 个几何传感器、4 个漏磁检测传感器和1 个涡流传感器集成到一个探头上，从而实现多功能检测。该传感器技术的难点在于避免传感器之间的相互干扰，以及后期数据的分离和分析。

(2)接触式通径检测器

接触式通径检测器按检测臂结构不同可以分为轮式通径检测器、杆式通径检测器和探针式通径检测器：

① 轮式通径检测器

Weatherford 公司的高精度多通道通径检测器、PSI公司的多通道通径检测器、Pipesurvey International 公司的管道通径检测器和LIN SCAN 公司的通径检测器等都属于轮式通径检测器(图4～图8)。

该类型通径检测器的检测臂上安装有可以相对转动的轮子，便于检测臂在管壁上滑动。检测臂数量根据管道尺寸的不同而改变，管道直径越大，通径检测臂越多。这种通径检测器受轮子尺寸的制约，检测分辨率有限，无法实现管道内壁360°全覆盖测量。而且，这类通径检测器检测的准确性受轮子的干扰，长期运行后轮子上的橡胶会出现磨损，这种磨损会将检测误差传递到检测臂上(表1)。

表1 国外部分公司轮式接触通径检测器性能对比

② 杆式通径检测器

杆式通径检测器检测臂上没有轮子，检测臂直接或间接与管道内壁接触(表2)。

表2 　国外部分公司杆式接触通径检测器性能对比

例如：Roxby Services 公司的多通道通径检测器和美国TDW 公司的通径检测器(图9、图10)。为了避免接触过程中划伤管道或者管道内涂层，一般将检测臂头部的形状处理成光滑曲面。

美国Precision Pigging 公司的通径检测器(图11) 和美国ENDURO 管道服务公司的通径检测器(图12) 上的检测臂则是藏在皮碗下面，避免了与管壁的直接接触。这类通径检测器在进入管道前经过了严格的校准，保证管道的变形能够准确地传递到检测臂上。美国Vee Kay Vikram 公司的通径检测器(图13)上的检测臂也没有与管壁直接接触，而是通过在检测臂上安装橡胶垫片的方式来保护管道。

杆式通径检测器的检测精度和轮式接触式通径检测器一样，也会受到皮碗或橡胶垫片的干扰。尽管在进入管道前经过校准，但是，检测器在管道中运行之后的磨损仍然无法准确估算。

③ 探针式通径检测器

探针式通径检测器相对于轮式通径检测器和杆式通径检测器来说，具有更高的检测精度和更多的检测功能。因为探针式检测臂结构精细，所以其可以完成管道内壁腐蚀坑、裂纹等管道内部缺陷的检测。这类通径检测器通过轴向布置多个检测臂安装盘，在每个安装盘上安装多个检测臂，每个盘之间错开相应的角度，可以实现周向360°全覆盖检测，具有较高的检测精度。

目前，PipeWay 公司和巴西国家石油公司均已有成熟的产品(图14、图15)，其中，PipeWay 公司新型探针式通径检测器最小可以分辨管道上0.101 6 mm 的尺寸变化。

(2)国内研究现状

国内自20 世纪80 年代开始通径检测器的研制工作。1988 年，中国石油天然气总公司管道科学院与天津激光技术研究所合作研制出了D500 型原油管道通径仪，并应用于现场检测。1989 年，四川石油管道局研制并试验了输油管道测径仪，1993 年中国石油天然气管道技术公司与北京泰能计算机工程公司共同研制并试验了DN-700 型电子式管道通径检测器，这两种通径检测器都类似于上述美国Precision Pigging 公司的通径检测器，该类测径仪均为单通道， 所有检测臂汇集到一个中央积分盘上，一旦遇到管道变形，这些检测臂受压并通过中央积分盘将管道变形信息记录在记录仪上，后者比前者先进的地方在于：记 录仪采用了电子式数据记录和存储，而不是采用最原始的走纸记录的方式。

2003 年，中油管道检测技术有限责任公司为了配合大口径西气东输管道的检测要求，针对我国西气东输工程的φ1 016 管道，研制了DN-1000 型管道通经检测器。2009 年，周以琳对油气管道内形变检测仪进行了研制，课题组所设计的管道形变检测仪用于检测φ 457 的管道，通过管道变形检测轮，将变形量传递给位移传感器，并转换成电信号存储在电子仪器舱中。这两种通径检测器类似于Weatherford 公司的高精度多通道通径检测器，检测臂分别配有单独的直线位移传感器，每个测径检测臂上都配有两个轮子，DN-1000 型管道通径检测器检测臂采集的信号被记录在记录仪的硬盘中，而周以琳设计的通径检测器检测臂所采集的数据则存放在CF 卡中。

2007 年，靳世久对油气管道通径仪电子记录系统及配套软件进行了研究，采用压缩算法优化了通径仪电子包，降低电子包功耗并优化了里程轮算法。同时，靳世久利用Delphi 的文件操作以及数据库管理功能对通径仪硬件得到的二进制数据进行分析处理，可以自动得到管道变径信息。杨理践对接触式通径检测器和非接触通径检测器都有研究。对于接触式通径检测器，申请了两项发明专利，一项是利用角位移传感器测量管道内径的变化，另一项是利用压力传感器结合片弹簧测量管道内径的变化;对于非接触通径检测器，杨理践从电涡流传感器的基本工作原理着手，重点分析了电涡流传感器的等效电路以及电涡流的形成范围，研制出了传感器并进行了模拟试验。

目前，中油管道检测技术有限责任公司、天津绿清管道科技发展有限公司等企业都开发出了可以投入现场使用的成熟产品(图16、图17)，然而，产品的性能和数据的可靠性方面需要提升的空间很大。

结论与建议：

随着计算机技术和传感检测技术的不断发展，通径检测器也正经历着巨大的变革。多功能化高精度通径检测是通径检测器未来的发展方向。目前，国外的通径检测器配备加速度计、陀螺仪等电子元器件可以完成测径、漏磁检测、管道测绘、GPS 定位等功能，将通径检测与智能检测融为一体，缩短了管道作业时间，节省了大量人力、物力。

通径检测器存在的主要技术难点有：

(1)因为传感器采样频率的限制，通径检测器在管道内的速度不能太快，理想速度一般在3～5 m/s。为了保证通径检测器在大口径、高压力管道中平稳运行， 目前国内外已经研制出清管器调速系统[23-30]。然而， 如何能够保证经过调速的通径检测器在管道的上升、下降段运行更加平稳的动力学问题需要进一步研究。

(2)通径检测器的检测精度和可靠性是关系到通径检测器性能的最重要指标，如何提高通径检测器的精度和可靠性，避免不必要的开挖，保证完整、有效地收集管道的缺陷数据，还有待进一步研究。

(3)通径检测器技术最为重要的就是数据的处理与分析，如何将正确采集的数据有效还原成管道实际状况，保证对数据的充分利用和合理分析，利用快速有效的算法结合丰富的现场经验对最终的管道数据后期处理有着重要的作用。

(代莉莎　张仕民　朱霄霄　王文明　王德国

/ 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院)

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