油气管道缺陷检测技术综述

文海燕，张 冉

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，430070）

油气管道缺陷检测技术综述

文海燕，张 冉

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，430070）

油气管道泄漏将会造成巨大的经济损失和环境污染，因此，需要采用管道缺陷检测相关技术来定期对管道进行缺陷检测，最终达到对油气管道的保修和维护目的。本文首先归纳了油气管道缺陷检测技术演进过程，然后从申请人和申请量的角度进行了专利分析。

管道；缺陷检测；技术演进

0　引言

管道是运输石油、天然气和成品油最经济、最安全有效的方式之一，广泛应用于原油、成品油和天然气的运输。管道运输已经成为我国国民经济的命脉，且每年都以很高的速度在增长，但是随着管道的增多，管龄的增长，管道因腐蚀破坏而造成的穿孔泄漏事故频发。油气管道的泄漏不仅带来了巨大的经济损失，还会严重地污染环境并破坏生态，甚至发生火灾爆炸，威胁人民的生命安全。因此，对油气管道缺陷检测技术的研究，是有重大意义的工作。

1　油气管道缺陷检测技术演进

管道缺陷检测主要是采用特定的管道缺陷检测传感器对管道泄漏部位进行检测，获得大量原始数据，对这些数据采用有效的数据处理方法进行处理，从而对管道缺陷进行识别。国外从20世纪70年代就开始对管道缺陷检测技术进行了研究，我国对于管道缺陷检测技术的研究起步较晚，但发展很快。研究的一个重点是管道泄漏检测技术。下面从这两方面来介绍管道缺陷检测的国内外研究现状。

1.1管道缺陷检测技术的初期形成阶段

1965年来，美国Tuboscope公司采用轴向漏磁检测装置Linalog首次进行管道内检测。其检测的原理为当铁磁性材料被强大的磁场深度磁化时，若被检材料中存在缺陷，由于缺陷部位横截面积的突变及铁磁性材料与空气磁导率的差异，使得一部分磁场绕过缺陷部位，并从周围的介质中穿过，导致磁场局部发生畸变，这样通过传感器（霍尔元件或线圈）的检测就能将磁场的变化情况通过电信号转换记录储存下来，作为缺陷定位和定量的直接依据，MFL检测数据可靠、精确，是目前国内外公认的最完善的管道检测手段并被广泛地使用。1976年，BRITISH GAS公司提出了对管道缺陷进行漏磁检测的专利申请GB1567166 A，该测试系统包括磁铁14、磁极13以及对布置在管道被磁化区域的附近，对管道缺陷进行检测的电磁场探测器9和10，该专利结构简单，是管道漏磁检测系统的雏形，如图1所示。

图1　专利GB1567166 A附图

1.2周向漏磁检测技术的兴起

上世纪70年代，美国Tuboscope 公司开始研究周向励磁漏磁检测系统，对于检测和定量评定轴向导向缺陷具有潜在优势，这种方法依靠环绕管道周向分布的磁化场实现检测，而不是沿轴向分布的磁化场。依靠环绕管道（周向）分布的磁化场，轴向缺陷能够明显地改变磁场分布，并且更容易检测。1994年，国际管道研究协会（PRCI）开始研究周向励磁漏磁检测，早期工作集中在研究周向励磁漏磁检测裂纹缺陷的可行性，最后可行性得到证明。商用周向励磁漏磁检测工具在上世纪 90 年代中期由 GE 公司 （British Gas 的前身） 研制，该工具成功地检测了管道中轴向导向裂纹。1995年，BRITISH GAS公司首先申请了采用周向漏磁检测技术对管道内缺陷进行检测的专利申请GB2297666 A，其包括沿着管道12周向均匀分布的四个永磁铁62，来对管道进行磁化，每个永磁铁上在与管壁之间都设置有钢刷64，将检测的磁信号发送给相关处理设置对信号进行处理，从而对缺陷进行识别，该设备对缺陷定量评定方便有了提高，沿用至今，如图2所示。

图2　专利GB2297666 A附图

漏磁检测方法适用于中小型管道的细小缺陷检测。该方法操作简单、检测速度快、检测费用较低， 对管道输送的介质不敏感，可以进行油气水多相流管道的腐蚀检测， 可以覆盖管道的整个圆周，且漏磁检测具有量化检测结果、高可靠性、高效、低污染等特点，在管道内检测中使用极为广泛。但相比其它检测方法，MFL会造成被检测管道永久磁化，此外，轴向漏磁检测器无法检测轴向缺陷，周向漏磁检测器无法检测周向缺陷。

1.3高分辨率EMAT检测技术的发展

进入九十年代，由于电磁超声导波技术的发展，以及其具有的不会对被测试件造成任何影响，且无需近距离接触被测试件、便于检测复杂形状的试件等优势，很多学者专家致力于研究将其用于对管道进行检测，相比漏磁检测技术而言，其不需要对被测管道进行磁化而言。电磁超声的检测原理是将激励线圈置于导电金属表面上，线圈产生的交变磁场作用于金属并在金属表面层内感应出涡流，涡流与施加在试件上的另一外加恒定磁场相互作用，从而激发出与涡流频率相同的超声波，接收超声波是上述过程的逆过程。其设备主要由电磁超声换能器、激励装置和接收装置组成。1994年，BRITISH GAS公司首先提出了对管道采用电磁超声进行缺陷检测的专利申请GB2259571 A，其包括检测管道管壁的超声波传感器，超声波传感器传播超声波信号到管道中，随后接收从缺陷反射回来的超声波信号，以此来分析管道的缺陷，如图3所示。

图3　专利GB2259571 A

1.4三轴高清漏磁检测技术的发展

传统的漏磁检测器通常只记录漏磁场一个方向分量，近年来，随着对缺陷检出率和检测精度的要求越来越高，其一选择是尽量提高传感器的分辨率，即增加探头数量，然而对于特定管径，探头数量是有上限的，不可能无限制增加，因此，三周高清漏磁检测技术应运而生。其采用三轴探头，即在同一探头中封装可采集不同方向漏磁场分量的传感器，通过多分量信号的分析，提高对缺陷的检出率、灵敏度和尺寸判定精度。三轴高清漏磁内检测综合分析了漏磁场的3个分量，可提高缺陷的识别率以及缺陷尺寸的判定精度，为缺陷的后续评价提供了更准确的参数，提高了评价结果的准确性，具有显著的技术优势。对比普通漏磁与三轴高清漏磁检测信号发现，三轴高清漏磁检测的信号通道数和信号质量较普通漏磁高。2006年，美国GE公司研制了新一代基于三轴高清漏磁检测技术的MagneScan，对缺陷深度、长度和宽度测量精度可以达到±10%WT、±10和±15mm（WT为管壁厚度）。国内也有一些科研院所开展了相关的研究，2015年10月，中国石油大学（北京）申请了基于三轴漏磁检测的小管径连续油管内缺陷检测装置的专利CN105181789 A，漏磁检测组件设置在支撑轴1上，该漏磁检测组件包括MEMS三轴磁力传感器6，该MEMS三轴磁力传感器6能够检测待测管道（如管径为20mm～50mm的连续油管）内的漏磁信号。控制单元包括数据处理模块和无线信号传输模块，该数据处理模块能够将该漏磁检测组件检测到的该漏磁信号进行处理，该无线信号传输模块能够将该数据处理模块处理后的该漏磁信号发射，大大提高了管道的缺陷识别和评定能力。

图4　管道缺陷检测相关专利国内重要申请人

2　油气管道缺陷检测技术专利分析

管道缺陷检测技术的专利文献的IPC分类号为G01N29/00及其下点组，G01N 27/82及其下点组，F17D5/00及其下点组。为了对国内申请布局有一定的了解，在CNABS库中重点分析国内重要申请人，国内申请量共731件，其中排名前十名的申请人的申请总量为206篇，占总量的约30%。各个申请人的申请占有量如图4所示，从中可以看出，重要申请人为高校中国石油

天然气集团及高校，国外基本没有在中国申请相关专利。

为了对国内申请布局有一定的了解，在VEN中重点分析国外申请人，国内申请共1524件，其中排名前十名的申请人的申请总量为485篇，占总量的约30%。各个申请人的申请占有量如图4所示，从中可以看出，重要申请人为高校中国石油天然气集团及高校，国外基本没有在中国申请相关专利。

为了对国外申请布局有一定的了解，在VEN中重点分析国外申请人，国外申请共4395件，其中排名前十名的申请人的申请总量为852，占总量的约30%。各个申请人的申请占有量如图5所示，从中可以看出，重要申请人为美国GE公司和Tuboscope公司、日本住友集团（Sumitomo），美国、日本在这方面的研究处于世界前列，而前十名中没有出现中国申请人。

在CNABS数据库中，统计了不同年份（1980之前，1980-1989，1990-1999，2000-2009，2009-2015年）的相关数据，从图6中可以看出，在80年以前，管道缺陷检测技术处于萌芽阶段，专利申请量较小，80年代到21世纪前几年，是管道漏磁检测技术蓬勃发展的阶段，专利申请量有了很大的提升，而从2009年到2015年底，管道缺陷检测技术得到了迅猛的发展，专利申请量直线上升，说明市场对管道缺陷检测技术的需求很大，导致越来越多的科研院所和企业加入到该技术的研究之中。

［1］ 王为民.国内外石油管道输送技术发展综述［J］.管道技术与设备，1997，27（4）： 4-8.

［2］ 廖晓玲等，工业管道漏磁检测技术及发展现状综述.价值工程，236-237.

［3］Dr.-Ing.Martin Klann，Thomas Beuker.Pipeline Inspection With The High Resolution EMAT ILI-Tool：Report on Field Experience［C］//proc.1PC 2006，Paper 10156 Calgary Canada：6th International Pipeline Conference，2006：1-7.

［4］ Ahmed Yamani.High-order Spectra-based Deconvolution of Ultrasonic NDT Signals for Defect Identification［J］. Ultrasonics，1997，35（7）：525-531.

［5］ 黄松岭，叶朝峰，王珅，等.天然气管道裂纹电磁超声检测器研制［J］.无损检测，2009，31（10）：827-82.

Overview of defects detection technology for oil and gas pipeline

Wen Haiyan，Zhang Ran
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of The Patent Office，430070）

Pipeline Leak will cause huge economic losses and environmental pollution，therefore，pipeline defect detection technique related to regular pipeline defect detection for oil and gas pipelines is need to adopt to reach the final warranty and maintenance purposes.This paper summarizes the pipeline defect detection technology evolution， and the applicants and patent applications perspective is anylised.

pipeline；detection of defects；technology evolution

图5　管道缺陷检测相关专利国内国外申请人

图6　

注：本文第二作者（张冉）对文章贡献等同第一作者。