1、专业硕士学位文献综述油气管道几何变形检测方法的研究作 者 姓 名 学 科 专 业 机械工程指 导 教 师 教 授培 养 院 系 自动化科学与电气工程学院1. 摘要：本文首先介绍了油气管道几何变形检测的相关作用和原理，以及国内外几何变形检测技术的发展状况和最新研究进展。随后，分析了国内几何变形检测器的发展前景和技术难点。然后，在与中石油管道公司的油气管道几何变形检测器的研制项目背景下，提出了面临的问题几何变形检测器几何检测臂和里程轮检测精度的提高以及后期数据处理与分析方法的优化。本文主要从几何检测传感器和里程传感器的检测精度、电子包和传感器的扫描速率和后期数据处理与误差消除等方面介绍了几何变形检
2、测系统的研究现状和发展趋势。希望通过对油气管道几何变形检测器的关键技术分析，探索出适合国内几何变形检测器的优化方案。关键词：油气管道 管道内检测 几何变形 变形检测 数据还原Abstract:This paper first introduce the related functions and principles of detection of oil and gas pipelines geometric deformation, as well as development and the latest research progress of domestic and foreign
3、 geometric deformation detection technology. Subsequently, analyze the development prospects and technical difficulties of the domestic geometric deformation detector. Then, under the project background of oil and gas pipelines geometric deformation detector cooperative research with PetroChina Pipe
4、line Company, some issues that we have to face are raised - to improve the detection accuracy of geometric deformation arm detector and mileage wheel detector and optimize post-data processing and analysis. This article introduces the research status and development trend of geometric deformation de
5、tection system from several aspects, accuracy of geometrical detection sensors and distance sensors, scan rate of electronic packages and sensors and post-data processing and error elimination. Hope that through key technical analysis of oil and gas pipelines geometric deformation detector, we can f
6、ind a way to optimize domestic geometric deformation system.Key words: oil and gas pipelines, inner inspection of pipeline, geometric deformation, deformation detection, data restoration2. 文献概述本文主要就油气管道几何变形检测相关技术的国内外研究现状和发展趋势展开综述。根据检索的文献和资料，目前国内的几何变形检测技术的重点在其检测器结构、传感器精度、电子包和传感器检测频率、数据处理和误差消除等方面。本文首先
7、介绍了油气管道几何变形检测器的作用和原理，然后介绍了当前国内外的管道几何变形检测器普遍采用的多种结构形式和各自的优缺点，对比了国内外的研究现状和发展趋势。最后分析了国内外在传感器精度和检测频率方面的不同和差距，提出了国内几何变形检测器的改进方向。3. 基本研究现状与发展趋势3.1 油气管道几何变形检测的作用和原理管道输送是石油、天然气长距离输送的主要手段 1。随着能源需求的增加,管道运输以其不可取代的突出优势,在全世界范围内得到了广泛的应用。近年来，我国油气管道建设迅猛发展,预计到 2015 年，我国管道总里程将达 12104 km2。随之而来的管道运输的安全性问题也越来越受到重视。目前世界上
8、有近 50%的管网趋于老化 3，我国也有大量管道已接近或超过其设计寿命，老化严重，安全问题日益突出 4。在管道投入使用多年后，由于金属疲劳、地表运动、外力损伤及管道内部由于结蜡而通径变小等各种因素的影响,管道出现扭曲、局部变形及管道堵塞等的概率大大增加，这些变化使管道的输运功能日渐降低，同时管道本身的安全系数也相对减小，对管道的安全运行造成潜在的危机，若不及时处理，往往会造成灾难性后果。据统计,我国现有长距离油气输送管线 ,其中 70%已进入事故多发期,每年因管线老化造成的管道事故频繁, 潜在危险很大 56。我国在已公布的 17 号法令“石油天然气管道安全监督与管理”中明确规定新建石油管道投产
9、 3 年后须进行全面检测，以后须进行定期全面检测，减少运输损失，避免重大安全事故的发生 7。油气管道检测，根据装置所处的位置不同分为内检测技术和外检测技术两大类。管道外检测技术是在检测涂层及阴极保护有效性的基础上，通过挖坑检测，达到检测管体腐蚀缺陷的目的。管道内检测技术是通过装有检测设备及数据采集、处理和存储系统的智能清管器（PIG） ，在不影响管道运行的情况下，检测管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷，也可间接判断涂层的完好性，检测其它必要的管道情况。管道内检测器根据其所针对的管道缺陷种类的不同和检测原理的不同衍生出多种检测方法和设备。一般而言，进行管道内检测时，为保证内检测器能够顺利地
10、在管道内运行，首先需要依次将清管器、通径仪送入管道运行，以清理管道内壁并测绘管径分布。根据通径仪运行后的检测结果，在变径较大处采取局部换管或维修措施，确认后续检测器能够正常通过管道运行后，再将“漏磁检测器” 、 “超声波检测器” 、 “惯性测量单元（IMU） ”等针对管壁腐蚀和其他缺陷的内检测设备送入管道运行，防止内检测器在管道内卡死。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 8。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，
11、其是管道内检测最为关键的两个步骤。本文所指的“油气管道几何变形检测方法的研究” ，是对现有通径检测器的相关方法和技术的研究，在下文中，将以“油气管道几何变形检测器”作为其方法和技术的实现装置的名称。已经铺设的管道会在不同运行时间和状态下发生几何形状的改变,这对进行管道防腐层检测的管道机器人的运行有相当的影响，一方面可能发生智能检测器卡堵，另一方面也会影响智能检测器的检测结果。管道几何变形检测器就是鉴于此种情况研制出的检测设备，管道几何变形检测器能够检测出管道的直径、椭圆率、凹痕、褶皱、卡堵、壁缺陷、表面污垢、管道路径变化等管道几何结构异常，为漏磁检测器等智能检测器进一步检测提供安全保障和数据准
12、确性保证。管道几何变形检测器在管道中运行结束后,取出其电子舱中的数据信息,通过专门的数据分析软件对其进行分析处理从而得知管道各处的几何变形情况。管道几何变形检测器检测时，既需要检测出管道各种缺陷的大小和程度，又需要定位出缺陷的具体位置。针对管道变形等缺陷的检测，一般采用定径片、检测臂、电磁波测距检测器等结构和器件；针对缺陷定位，由于管道常埋在地下或浮于海底，管道壁的金属材质又有屏蔽作用，常规的全球定位系统（GPS） 、地磁等定位方法均无法使用 9，因此一般的管道几何变形测量设备都利用里程轮来进行定位，而对于里程轮的累计误差，则通过焊缝测量定位、特征点测量定位、校正点测量定位和惯性导航测量定位等
13、一种或多种手段联合校正定位。几何变形检测器系统包括用于整体运行、传感器支撑、运行保护的机械结构部分，数据采集、存储和传输的电路部分以及里程标定、几何检测臂数据处理和缺陷分析的算法部分。3.2 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几何变形检测器的美国专利，用于定量测量管道内径的变化 10。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 11121314151617。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
14、上，几何变形检测器在国外经历了两个阶段的发展。20 世纪 90 年代，几何变形检测器都是接触式，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
15、触式几何变形检测器，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，将几何变形检测器记录的信息在计算机屏幕上直接还原成管道原样。非接触式几何变形检测器与接触式几何变形检测器各有优缺点。由于使用涡流感应、超声波等技术，非接触式几何变形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。接触式几何变形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。相对于非接触式几何变形检测器，接触式几何变形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。鉴于非接触传感器技术的复杂和检测的不稳定性，
16、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 1） 。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 18。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，图 1 ROSEN 公司的通径检测器就开始联合研究该技术 19。目前正在开发的 GMD（Geometric
17、 Magnetic and Discriminator）传感器（ 图 2）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 18。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）轮式通径检测器图 2 PipeWay 公司的 GMD 传感器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 Internationa
18、l 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 3 图 7） 。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 18。图 3 Weatherford 公司的通径检测器图 4 PSI 公司的通径检测器图 5 Pipesurvey International 公司的通径检测器图 6 LIN SCAN 公司的通径检测器表 1 国外部分公司轮式接触通径检测器性能对比公司名称理想运行速度/(ms-1)承受压力/MPa工作温度/续航能力Weatherford 0.23 020 060 720 kmh-1PSI 0.13 010 -2080 800 kmh-1PipesurveyInternational0.110 030 065 400 kmh-1LIN SCAN 0.23 08 080 -BJ 05 015 060 70h图 7 英国 BJ 公司的通径检测器
