油气输送管道超声测厚技术的现状和发展

＊费凡 侯鹏 韩铭 赵宏振 何学良

（中石油北京天然气管道有限公司 北京 100101）

中国石油以管道分公司、西气东输管道分公司、西部管道分公司、西南管道分公司和北京天然气管道公司5个综合性运营公司为主，西南油气田公司为补充的国内管道运营管理体系。这些公司的管道系统几乎遍布西南、西北、华北等各个省市自治区[1-2]。

油气管道的线路系统显示油气管道所处的地理外环境复杂，各种地质的土壤、含不同矿物质、生物及成分的湖泊和河流、干旱的沙漠、变化的地下水位、杂散的电流充斥在线路管道外部，其中的气温、含水量、矿物质以及微生物甚至其他生物等都会在一定的时间内造成管道的腐蚀破坏[3]。另外由于油气来源不同，里面会含有水、氧气、二氧化碳以及硫化物、甚至微生物等也会造成管道内的腐蚀破坏。这时在线检测技术手段就显得很有必要，可以实时反馈腐蚀信息，以便采取有效措施进行及时修复。

而超声波测厚技术在腐蚀检测上的应用越来越广泛了。可以对管道进行定期检测，了解腐蚀程度，也可以进行在线实时检测实时监控腐蚀情况。超声测厚技术的优点是检测速度快、灵敏度高，而且操作方便，是油气管道腐蚀领域最主要的腐蚀检测手段。

1.超声腐蚀检测原理

(1)超声测厚原理

采用超声进行油气管道管壁测厚的工作原理是：超声波探测管道壁表面时，会在管壁表面产生回波信号；而当超声波信号穿透管道壁后，会在管道壁内表面又会产生一次反射波、二次反射波等回波信号。常温超声测厚就是通过计算表面波和一次反射波（反射信号最强的那次）之间的时间差，乘以超声波声速，得到被测物体的壁厚值。而高温超声测厚的时候需要进行高温测厚数据转换处理，超声波在固体金属中传播时，声速随温度升高而变小，导致高温测量厚度比常温实际厚度大；故高温下测试获得的厚度需要综合测量温度，测量材料等因素，建立数据校准模型，转化成常温实际剩余厚度。

图1 超声波测厚反射的基本原理

图2 超声检测系统示意图

超声波定点测厚是指为了解或者监测管道关键部位腐蚀情况进行定期或者连续的定点超声测厚，是一种辅助腐蚀在线监测的常用的有效手段[4-5]。在线监测技术系统主要包括传感器、现场安装附件及其无线测厚介电、智能无线网关、软件系统及数据服务器组成。主要功能是利用传感器对管道、设备的现时壁厚进行监测，测试金属的厚度变化，了解金属的厚度的变薄速度以及走势，掌握设备的剩余寿命；接收的数据用监测系统的软件进行处理，绘制腐蚀速率、金属厚度变化曲线，并采用合适的算法进行拟合，获取合适的函数关系式，分析腐蚀趋势，调整工艺参数，开展有效措施进行防腐。

(2)超声测厚的分类

超声测厚根据测厚方法可以进行不同的分类。根据测厚原理，超声测厚可以分为脉冲反射法测厚、脉冲透射法测厚和超声波共振干涉法测厚。其中超声波共振测厚依赖于复杂的系统，需要高频激励，且该法的测量效率较低[6]。脉冲透射法在测量过程中需要在一个管内放置一个发射探头，另一个管内放置一个接收探头，二者同步，属于点对点测量。

根据与测试工件的接触情况超声测厚分为接触式测厚和非接触式测厚。最早国内都是使用的接触式超声测厚，接触式测厚实质就是指测厚仪器装置在整个测量过程中都要与被检测的材料进行接触，会导致探头的磨损，降低使用寿命。非接触式测量可以避免检测仪器与被测物质进行直接接触，避免了磨损，同时非接触式测厚便于实现自动化测量，测量效率更高，减少人工及工作量。

根据所测量的管壁的温度将测厚分为普通温度测厚和高温测厚两类。一般超声测厚都是在普通温度（0～50℃）下进行的，当温度高于普通温度即高于50℃时，就是在高温下进行测厚了，属于高温测厚技术。其实主要的测厚方式是超声波定点测厚，其按照测厚的时间段又分为检修期定点测厚、定期定点测厚以及在线实时测厚。而满足现在管道腐蚀的在线监测要求的只有与在线实时定点测厚技术。

那么定点测厚中的点如何选择呢？一般都是选择管道中的薄弱位置，即容易发生腐蚀的位置。油气运输管道都存在管道变径处、管道拐弯处、管道分支接口处以及与其他装置接口处等，在这些特殊位置，液体的流速、高速流体中的杂质以及微生物等都会容易囤积，而且受到的冲击力度也相对较大，都导致这些特殊位置更容易发生腐蚀。那么在线定点测厚基本都会选择这些位置进行实时在线监测[5]。

(3)超声检测的优点

超声检测是常规无损检测技术之一，在油气管道腐蚀无损检测中应用最广泛、发展也很快，检测过程中对被测物件不会产生性能的影响。超声无损检测不仅可以用于金属物质的检测，对于非金属物质的检测效果也很好，譬如油气管道保护层的检测；另外超声波穿透力强，还可以对被测件进行深层次的检测，检测物件内部小尺寸缺陷，且定位精准。超声波无损检测监测成本低、速度快、对人力及环境无害，使用方便，效率高。

这些都是超声无损检测技术的优点，检测结果的质量很高，可以确保油气管道内管道的健康情况，使管道能够及时进行修复，确保管道能够一直使用[7]。

2.国内外管道超声检测研究现状

(1)超声检测技术的现状

人工超声检测主要是接触式超声检测，耗费人力，且因探头与被测物件的接触压力不稳导致检测精度低，数据存储靠手工记录。目前，国际上新发展的超声波检测方法有超声波衍射时差法和相控阵超声检测法，被广泛应用于造船、船体检测以及石化行业，该两种检测方法具有很强的实用性和可操作性，安全性高，检测更迅速准确[8]。

在油气运输行业中，运用超声检测技术对输送管道、存储装置以及监测站的腐蚀问题进行监测是腐蚀无损检测的主要手段，可以准确提供腐蚀情况并及时进行相应防护。超声检测主要是对管道壁的壁厚进行准确测量，对比壁厚变化来判断管道的腐蚀情况以及评估后续的使用寿命[4]。油气管道腐蚀会导致管道泄漏，污染周边环境，造成能源浪费，不仅带来环境压力还造成了巨大的经济损失，因而油气管道的腐蚀情况检测与监测，以及相对应的防护和修复已然成为了该领域的重要研究方向。国内为了方便迅速对管道进行腐蚀情况评估，通常是采用单一的无损检测技术进行检测，同时也会进行实时在线监测，实时记录管道厚度的变化以便计算管道的腐蚀速率，并且根据计算的腐蚀速率预估管道将继续运行的时间，同时也根据监测数据进行相应的维护修复。但是要准确的对管道的腐蚀情况进行监测，并定位准确，需要同时使用多种检测手段，多种检测手段协同，互补，以便全面监测管道的真实腐蚀情况。

国内油气管道输送着不同油田的油气包括大量境外进口的油气，不同的油气含有的碳氢以外的元素不同，以及耐高温的微生物不同，甚至有的含有不少的硫高酸，这些都会给油气输送管道以及附属装置带来不可避免的腐蚀问题。这也给油气管道监测工作带来了压力与挑战，需要更具优势的管道腐蚀检测方法以及更高级更灵敏的检测仪器。超声波检测作为无损检测常用的检测手段因其使用灵活方便、灵敏度高、准确性好等优势而经常使用，但是面对复杂的油气管道内外环境，超声波测厚仪器也经历着更新换代以及技术提升。

对城市绿地系统进行科学管理。城市绿化是城市现代化的重要基础设施之一，应确立生态环境在城市规划及管理中的首要地位，只有改变城市规划及管理理念，把绿地系统规划纳入城市总体规划之中，才能使生态绿地系统规划变被动为主动，使城市绿地布局趋于合理。

超声波检测技术在油气管道腐蚀检测中的广泛应用也促进了超声波检测仪的发展。从19世纪开始，超声波检测技术成为重要的无损检测手段之一。经过近两百年的发展，超声检测技术已经与电子成像技术、数字电子技术等进行有效结合，成为了石油化工领域、船舶领域、航空航天领域等必用的一项无损检测技术，为上述领域中的产品检测和监测提供了有力支撑。超声波检测在油气管道中的使用主要是进行管道壁厚的超声测厚，保证油气管道在安全可靠的厚度范围内稳定运行。油气管道的腐蚀监测是油气运输领域中对油气管道及其附属装置进行管理维护的重要手段，超声波检测测厚技术的进步与发展，也促使油气管道监测技术的更为成熟。

目前超声在线测厚技术在油气管道检测中应用时间较长，经验也较多，是应用很成熟的检测技术。但是超声检测技术在油气管道腐蚀检测领域仍然存在两个待解决的问题，首先是将超声波测厚技术与其他检测技术联用，各取所长，做出最佳联用检测方案，以便对油气管道及附属装置的腐蚀情况进行更全面更准确更及时的监测。其次就是研究在特殊环境或者特殊条件下对油气管道进行腐蚀检测的超声波检测仪器，使超声波测厚技术更广泛地使用。通过对探头改进升级、光电子技术的发展及应用等，升级改进或开发更高级地超声波检测设备。

目前各监测单位已经将之前单独保存备份检测结果的情况进行改善，开始注重联网，将超声波腐蚀监测技术与其他检测技术以及其他网络信息化技术等进行联用，实现数据共享，在线监测技术的快速获取，以便实现科学化腐蚀监测。据了解有不少学者研究科学测厚系统，来对油气管道及附属装置进行在线测厚，实现在线腐蚀监测，并能够将信息处理、网络管理等技术应用于此实现对监测数据的快速处理，使用数据库和相关标准对处理结果进行分析，以了解管道腐蚀情况，并根据经验做出更合理的应对措施，对腐蚀位置进行评估或者修复，确保油气管道及附属装置能够安全运行。

对油气输送管道管壁的减薄检测即壁厚检测的最快速有效手段就是超声波定点测厚检测，可以实现实时在线监测油气管道壁厚情况。在油气管道腐蚀检测领域，超声波定点测厚技术得到越来越广泛的应用[4]。

(2)超声检测仪器的现状

近些年来，超声衍生技术快速发展，应用于油气管道检测的超声检测测厚仪主要有三种即压电超声波测厚仪、电磁超声测厚仪以及激光超声测厚仪。这三种测厚仪以及对应的技术都有很大的进步和更新，可以满足非接触、特殊温度现场操作等检测要求。

压电超声波测厚仪主要是超声波探头也就是超声波换能器以压电晶体为材料，能够激发超声波。是超声腐蚀检测中应用最广泛地一项，可以直接用来测试油气管道壁厚，还能够检测判断缺陷为管道内还是管道外，且检测精度高、腐蚀情况分析准确。德国ROSEN和NDT公司，以及美国GE-PII公司所研制的管道超声波检测器大部分为压电超声检测仪器，对腐蚀缺陷的检测精度都很高。国内一些高校和科研院所也开展了关于管道压电超声检测的研究，可以实现对管壁周向扫查，可以及时检测和采集管道数据，还开发了内检测机器人，实现定量检测。近来，管道压电测厚仪还借助其他高科技技术如信号处理技术、传感器技术等，自动化水平和检测技术水平都明显提高。此外压电超声测厚仪还可以测量除金属以外的塑料、陶瓷、玻璃以及其他任何非金属的超声波良导体的厚度。压电超声测厚仪经过多年发展，检测速度慢以及操作复杂问题都有很大改善，但是需要耦合剂这一点还无法解决，不过超声测厚耦合剂也是现在研究的一个方向，不少优质耦合剂在被研发和生产，压电超声波测厚在管道检测中仍会被广泛使用，且技术会越发成熟。

电磁超声（EMA）是利用电磁感应的原理来激发产生超声波的。使用其进行超声波无损检测不需要耦合剂，而且可以现场检测，高温和低温下均正常工作，而且不受管道表面情况（如粗糙度、防腐涂层、污垢等）的影响。油气管道一般表面会有防腐层，这样还是很适合进行电磁超声检测，属于非接触检测。其缺点是容易受电磁的干扰，仅适用于金属材料[9]。电磁超声测厚仪作为相对较新的无损检测仪器，存在一定的技术壁垒，国际上电磁超声发展很快，国内这方面研究起步晚，但是也有不少企业可以提供超声测厚仪，如沧州市欧谱检测仪器有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司、零声科技公司、广东汕头超声电子股份有限公司。国外的电磁超声测厚仪主要有美国Innerspec Technologies公司和Panametrics公司、俄罗斯ACS公司、韩国RAYNAR公司等。EMAT电磁超声测厚是油气管道腐蚀在线检测与长期监测的重要手段。特别是随着高硫、高酸原油的输送，输送管道和附属装置的腐蚀也会加快，油气输送管网的长期腐蚀监测越来越受到人们的重视[9]。

激光超声测厚就是利用上下对射方式的两个激光位移传感器发生激光对射时，放置其中的被测物体会被测到两个表面的位置，这样就可以计算出被测物体的厚度。该检测方法是属于电、光、声等多学科交叉而发展起来的非接触超声检测的新分支。适用于金属材料、非金属材料、金属与非金属材料结合的检测，在高温下也可以进行检测。但是在油气管道检测领域使用激光超声测厚检测还存在不少问题，亟需解决。但是激光超声技术应用于管道检测，还有诸多问题需要解决。现在应用于管道检测的激光超声测厚设备大部分装置复杂，不太适合现场检测。但也有不少专利和文章中报道对该装置的改进，提供了现场检测的激光超声测厚的装置[9]。

3.超声检测的前景

超声测厚检测仪器尽管分辨率已达微米级，且管道检测高温可满足600℃以上，但是该技术的非接触检测距离受到管道结构、所处外部环境的影响较大。且每一类超声测厚仪都不是万能的，不同测厚仪应用于现场检测的效果也不一样，会受操作人员的影响、超声波传送速度的影响。需要加强该方面人员的技术水平，另外需要提高超声测厚的智能化、自动化以及便携化。未来几年其发展趋势也主要体现在技术和产品方面。不仅需要高精度的探头，还需要精密控制探头的扫描步进。同时，不同超声测厚仪的测试标准也会建立并健全。更全面、更准确及时了解油气输送管道和附属装置的腐蚀问题需要将超声测厚技术与其他无损检测技术进行交叉融合，发挥所长，弥补不足[9]。

4.结语

综上所述，超声无损检测主要是通过测试金属管道或者储存罐等的壁厚来了解和确定油气输送管道及附属装置的腐蚀情况。国内外现在相关设备及检测手段都有在更新，且该检测手段是使用最广泛的。对超声检测仪器进行开发以及对监测技术进行研究是未来发展趋势，此外实行在线自动化实时监测、超声与其他检测手段联合快速了解油气管道腐蚀信息，及时采取有效措施进行修复也是未来趋势。