声子诊断技术在埋地管道本体检测中的应用

2017-10-13 11:02:51 作者：黄金钊来源：上海道盾科技股份有限公司分享至：

声子诊断技术（Phonon Diagnosis Technology,PDT）是一种针对管道隐患治理工作中存在的占压、超埋深以及穿越管道而开发的检测评价管道本体的先进检测技术。其能够检测出管道本体的腐蚀、机械损伤、冶金缺陷、裂纹等问题，并能定量给出检测结果。本文介绍了声子诊断技术的基本原理、实施过程以及在国内的首个成功应用案例。证明可以应用在河流、高速公路、铁路、建筑物占压段管道本体检测和安全评价，同样可以对平台间海底管道、保温层下管道进行完整性评价。

埋地管道运输有便利、经济、安全、环保、使用年限长等优点,所以在世界各国有着广泛应用。近年来管道增多、管龄增长,泄漏事故不断发生,造成资源浪费和环境污染。随着科技进步及国家相关法令的出台,管道使用单位对管道的安全性能越加重视。经过对旧管道的修复、修理及更换方案的比较，发现有计划的修复比事故后的修理代价小得多,有效地避免了恶性事故,提高了社会效益和经济效益。因此开展埋地管道检测技术研究具有十分重要的现实意义^[1]。

声子诊断技术是一种非开挖在线检测评价管道本体的检测技术，它具有检测距离长、几乎不受外界因素干扰、缺陷定位准确、结果准确率高的特点，非常适用于不能进行内检的管道评价，也可用于有内检结果的管道进行复核。

基本原理

1.声子产生

声子诊断技术是通过收集原子间链接被破坏的区域释放的声子能量以确定技术对象的状态。声子能量是固体材料中的活跃缺陷受到自然、操作、外部等一种或几种因素的结合所激发出的一种低频能量，是存在于原子间链接中的能量。当原子间链接受到破坏时，声子能量被释放出来。能量（E）作用于物质（M），缺陷处晶格原子链断裂，释放声子（PhE）。

E + M →PhE^[2]

图1 声子产生微观图

图2 声子产生宏观图

2.活跃与非活跃缺陷

原子链断裂释放出的声子能量信号被采集，该区域即声子活跃区域（PhAA）。信号数据被传入软件，结合被检测物的基本技术数据和现场测量参数，进行数据分析。活跃缺陷是指在活跃区域的一种累积的或正在发生的活动。它正在发生，而且不断增长。这种缺陷的发展随着正常的声子能量在结晶状态形成的能量格的过程而发展。非活跃缺陷或异常是指在活动区域没有进一步的活动，或缺陷形成是在声子能量无法量化的非正常过程中，即人为的、维修过的、箍下的针孔或简单的缺陷，没有使金属恶化的迹象。

3.适用范围

声子能量的单位是分贝（db），其数值低于5分贝。声子诊断检测基本不受到外界干扰，因为它只收集低于5分贝的声子能量。收集到的声子活跃区数据用专有软件进行处理可以确定缺陷的位置，类型和严重程度。声子诊断技术通过分析声子活跃区声子发射所产生的信号来区分缺陷的类型。它可以识别的缺陷类型有腐蚀缺陷、机械损伤、制造缺陷、应力腐蚀、氢脆、类似裂纹缺陷。处理过的数据被用于分析技术对象的实际状态，即存在明显的或潜在的缺陷，来预测技术对象的使用寿命、可能性和继续运行的条件。

实施过程

1.完善管道基本信息

声子诊断技术的实施方法，首先要收集管道的基本信息如建成年代、材质、管径、壁厚、防腐层材料、运行压力和温度等，这些基本信息对于检测结果有直接的影响，需最大可能保证其准确性。

2.确定传感器安装位置

传感器安装选在占压少并且易于开挖的位置，一般选在要检测管段的两端，管段长度不超过1公里。

3.预声子诊断（PRE-PD）

预声子诊断是指在声子监测之前验证两端传感器之间信号是否能形成通路，作为正式声子监测的前提。

4.声子监测（PD Monitor）

声子监测则是连续不间断进行声子能量信号采集，用于评价管道本体各位置的活跃型缺陷。

5.数据分析并出具报告

通过专业的软件对采集的数据进行分析，得出缺陷位置分布图，并确定出各处缺陷的类型、严重程度、截面方向、范围误差等参数，对缺陷进行定量定性分析。最终出具专业的检测报告来指导修复工作。

6.开挖验证

通过开挖比对，验证声子诊断管道各缺陷点是否准确。

应用案例

1.实施过程介绍

本次检测应用在中石化某输油管线上进行，表1为管道的基本信息。此段管道通过内检测发现有多处管体缺陷（大小在壁厚的6%--40%之间不等），通过声子诊断技术可以相互验证。现场没有直接占压，后期开挖验证方便。

表1 管道基本信息

名称	检测长度	建设年代	材质	直径/壁厚	设计/运行压力	温度	介质	防腐层材料
中石化某输油管线	1km	1978年	16Mn	720mm/8mm	4.2Mpa/3.0Mpa	常温	原油	沥青

经过现场勘查，确定传感器安装管道两端的位置，作为信号采集点。对管道开挖出长度3米、两侧各1米、管底悬空1米的操作坑，管道防腐层环向剥离宽度约为0.5米，并对管道进行清理打磨，露出金属光泽。

分别在起点和终点信号采集点安装PD探头，其中起点为主要检测点。启动设备，开始收集管道声子能量信号，进入预声子诊断过程。

上一步结束后，进入声子监测过程，此过程由设备不间断收集管道声子能量信号。

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图3 管道走向平面图

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图4 PDT数据采集系统

图5 起点PD探头

图6 终点PD探头

1.开挖验证

本次PDT检测共检测到90个声子活跃区域。其中54个声子活跃区域是腐蚀缺陷。8个不显著活跃缺陷预计腐蚀深度为1.00mm,为原始壁厚的12.50%。41个不显著活跃缺陷预计腐蚀深度为1.50mm,为原始壁厚的18.75%。2个不显著活跃缺陷预计腐蚀深度为2.00mm,为原始壁厚的25.00%。3个显著活跃缺陷预计腐蚀深度为2.50mm,为原始壁厚的31.25%。另外36个不显著活跃缺陷显示为应力异常。

根据现场实际情况和检测报告对声子检测共验证了四处位置，分别为DF-1、DF-23、DF-26和DF-28。具体数据见表2：

表2 PDT验证数据对照表

位置	内容	距原点距离（m）	范围（m）	缺陷位置(hh:mm)	最大深度(mm)	深度（%）	缺陷类型	验证结论
DF-1	报告	0	0±0.9	6:00	2.5±0.5	31.25	腐蚀	准确
DF-1	验证	/	0～0.5	4:00-7:00	3.0	37.50	腐蚀	准确
DF-23	报告	157.27	157.27±2.5	6:00	2.0±0.5	25.00	腐蚀	较准确
DF-23	验证	/	154.5	12：00	1.1	13.75	焊接管	较准确
DF-26	报告	166.29	166.29±0.8	6:00	2.5±0.5	31.25	腐蚀	准确
DF-26	验证	/	166.00	4:00-7:00	3.5	43.75	腐蚀	准确
DF-28	报告	191.69	191.69±0.9	6:00	2.5±0.5	31.25	腐蚀	较准确
DF-28	验证	/	191.5～192	4:00-8:00	1.5	18.75	机械损伤	较准确

DF-1位置正好处于1#信号采集坑安装检测探头的位置，在管道4:00--7:00钟方向发现多处腐蚀坑（图8），经检测最深处腐蚀坑为3.0mm（此处管道壁厚为7.62mm），腐蚀深度达到37.5%。

DF-23在距离1#信号采集点约154.5米（604#-28.5m)位置，在管道12点钟方向，发现一处钢管焊接物（图9），长度约为300mm，直径约为50mm，测量厚度为3.3mm，已发生弯曲，表面有防腐层。

DF-26在距离1#信号采集点166米位置，在管道4:00--7:00钟方向发现多处腐蚀坑（图10），经检测最深处腐蚀坑为3.5mm（此处管道壁厚为7.88mm），腐蚀最深达到44%。

DF-28在距离1#信号采集点约191.5～192米（604#+8.5～604#+9m)位置，在管道4～8点钟方向，发现多处机械损伤，形状类似于楔状，最大深度为1.5mm（图11）。

图7、DF-1 管道腐蚀坑

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图8、DF-23焊接金属管

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图9、DF-26管道腐蚀坑

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图10、DF-28机械损伤

结语

通过现场检测验证，我们可以看到声子诊断技术检测结果中：检测的距离长、缺陷定位准确，缺陷严重程度准确，缺陷类型较准确，技术可靠性高。这种技术能解决目前管道上穿越、占压、站内保温管道等多种以前无法检测管段的检测与评价，在较短时间内，产生有价值的数据，精细化维修保养工作，优化维修窗口，对管道的安全管理具有极其重大的意义。

参考文献

1.王玮，沈功田.在用埋地管道泄漏监测与检测技术综述.中国特种设备安全，2009，Vol.9 No.2:55-58

2.Procedure of Phonon Diagnostic, Diagnostics and Safety of Technosphere Division, RussianAcademyofInstrumental NaturalSciences,Moscow,2005

作者简介：

黄金钊，上海道盾科技股份有限公司董事长，硕士，高级工程师，中国腐蚀与防护学会施工与技术专业委员会副主任委员，中国腐蚀与防护学会石化腐蚀与安全专业委员会委员，美国NACE阴极保护专家CP4，在腐蚀领域工作20年，承担过大量的阴极保护和检测项目，目前主要从事管道、设备的完整性管理相关技术的开发、研究、应用工作。

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