1、密级：公 开专业硕士学位开题报告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.论文选题依据1.1 选题的背景和意义1.1.1 选题的背景管道输送是石油、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
2、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 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
3、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
4、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，其是管道内检测最为关键的两个步骤。本文开展的研究，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“
5、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
6、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
7、定、几何检测臂数据处理和缺陷分析的算法部分。1.1.2 选题的意义目前国外的油气管道几何变形检测器的相关研究已经开展了近百年，相关的产品性能也已经基本满足应用的需求，然而国内自主研制的几何变形检测器，在几何检测传感器各方向精度（前进方向扫描频率） 、里程传感器定位精度、检测数据的记录和处理、缺陷还原的算法、误差修正算法等方面均与国外存在一定的差距，这不仅使得国内的实际需求需要长期依赖于外国公司的产品来满足，产生了高额的经济花费，同时也对国内油气管道检测、维护与运输的发展产生了很大的制约。本文所开展的研究，是基于中国石油管道公司“DN-800 型油气管道几何变形检测器”研制项目而开展的，研究的意
8、义就在于提高国内几何变形检测器的某些方面性能，使得国内实际使用的油气管道检测产品能够逐渐的实现自主知识产权，摆脱国外产品的制约。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 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。总体上，几何变形检测器在国外经
9、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触式几何变形检测器，采用大
10、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。国外的几何变形检测器在检测原理上可以分为非接触式几何变形检测器与接触式几何变形检测器；接触式几何变形检测器由结构上的不同可以分为轮式检测器、杆式检测器、探针式检测器。图 1 国外油气管道几何变形检测器产品大致分类由于使用涡流感应、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
11、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，目前，管道通径检测使用非接触式方式检测的还比较少。ROSEN 公司开发的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 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联合研究开发的GMD（Geometric Magnetic and Discriminator）传感器可以完成管道直径、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
12、到一个探头上，从而实现多功能检测 19。接触式几何变形检测器应用广泛，根据其应用需求的不同和技术水平的不同世界各地的公司开发了很多不同的系列产品。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。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。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
13、损，这种磨损会将检测误差传递到检测臂上 18。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。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。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 公司的通径检测器和美国 ENDURO 管道服务公司的通径检测器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 公司的通径检测器上的检测臂也没有与管壁直接
14、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 18。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
15、熟的产品，其中，PipeWay 公司新型探针式通径检测器最小可以分辨管道上 0.1016mm 的尺寸变化。1.2.2 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 20。1989 年，四川石油管道局研制并试验了输油管道测径仪 21，1993 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 22，这两种通径检测器都类似于上述美国PrecisionPigging 公司的通径检测器，该类测径仪均为
16、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 1 016 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 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 23。这两种通径检测器类似于Wea
17、therford 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 24，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 25。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 26。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
18、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 27，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 28；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 29。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 2、 图 3） 。该公司早期研发了多套单通道几何变形检测器，测量系统均采用伞架结构和位移传感器，结构复杂，重量大，现场检测精度不高 830。其后又开发了系列化的检测精度更高、动态性能更好的管道几何变
19、形检测器，包括 DN200、DN300、DN1200 等 9 套多通道变形检测器。然而，其产品的性能和数据的可靠性方面需要提升的空间很大 26。图 2 中油管道检测技术有限责任公司的通径仪图 3 天津绿清管道科技发展有限公司的通径检测器国外管道变形检测技术已有几十年的发展历史，基本达到了多样化、系列化；而我国的变形检测技术研究与应用起步相对较晚，相比于国外的的检测技术，国内的检测器在检测设备传感器数量、传感器精度、传感器可靠性、数据处理和分析方法等方面均存在着不小的差距。1.3 油气管道几何变形检测器的发展趋势在国外，管道内检测设备已由单纯的缺陷检测向高清晰度、GPS 和 GIS 技术集成于一
20、体的高智能检测器方向发展。为了能有效获得各种潜在的风险数据，需要准确可靠的检测和传感等技术。高精度的在线检测技术、缺陷实时监控技术、管道安全评估与风险分析模型仿真、网络化数据采集并结合卫星通信技术、红外遥感技术、GIS 等现代先进信息技术等，都是实现决策支持需要的技术 31。因此，国外的管道内检测技术研究发展趋势，是管道一体化组合检测技术研究，把内检测器的规格同缺陷规格及其他检测要求配合起来，利用各种管道检测技术的特点，研制出能够同时具有检测腐蚀、应力腐蚀裂纹、裂纹和凹痕缺陷的多功能的内检测器。针对于管道几何变形检测器，其自身的发展方向除了管道一体化技术以外，依旧是提高其检测精度，准确的检测并还原管道内的几何缺陷。而在国内目前，油气管道几何变形检测器的发展趋势，一方面是在检测精度和数据还原方法的能力上缩小与国外的差距，另一方面，为检测器配备加速度计、陀
