各类长输管道除极个别的管段(如跨越段)外, 均为埋地敷设。这些管道看不见、摸不到, 只有靠管道内检测技术才能掌握管道的情况。在没有采用管道内检测器进行管道检测的情况下, 可能出现两种后果。

(1) 管道不断发生泄漏、爆破而被迫进行抢修。管道由于电化学腐蚀(一般为外腐蚀)或因H₂S等导致的应力腐蚀(一般为内腐蚀)使局部金属产生点蚀、片状腐蚀以及裂纹等, 造成介质泄漏, 从而引起环境污染, 严重者会引起火灾、爆破, 造成生命财产损失。若掌握管道内检测技术, 变抢修为计划检修, 有计划地更换个别管段, 可避免上述灾害, 大大地减少管道维修费用, 保证油气供应, 使用户放心。

(2) 由于管道不断发生事故, 而情况不明, 往往使领导做出错误决策, 盲目地报废某些管道, 再建新管道, 造成浪费。例如, 我国有一条管道, 曾多次发生泄漏, 最后决定将其全线报废, 另建新管道。在旧管道拆除时, 笔者发现, 大部分钢管没有腐蚀或只有轻微腐蚀, 估计有必要更换的管子不足十分之一。

中国石油天然气管道局由国外引进超声波法及漏磁法管道内检测器数套, 但全国普及率甚低。

四川省是我国输气管道集中的地区, 其中南干线已投运近30 a, 但所有管道均未进行过内检测。由大庆向南的两条输油干线已投入使用20 a以上, 至今也未进行过管道内检测。我国有些早期修建的管道, 其弯头、弯管不够规范, 为了适合我国国情, 还需自行研制一些管道内检测器。

综上所述, 普及和发展我国管道内检测技术是非常必要的。

一.   Pig及其种类

早在本世纪40年代初期, 美国开始对原油管道进行清管, 由于清管器临近收球筒时发出似猪叫约声音, 从收球筒取出时, 其外形肥胖而肮脏, 颇似猪, 管道工作者称之为Pig(原意为猪)。

随着管道工业的发展, Pig的用途大为拓宽, 不只限于清管用, Pig的定义也随之改变。“任何依靠管道内部流体的驱动在管道内运行的器件均称之为Pig”, 这是国际上通用的对Pig的定义。

Pig在我国的专业技术词典中译为“清管器”, 这显然不妥, 因为清管器只为Pig当中的一种。按定义, Pig可勉强译为“管内行走器”, 或者音译为“皮克”, 本文暂用原文“Pig”。

Pig的种类繁多, 但大致可分为两大类, 一类在施工阶段应用, 另一类在运行阶段应用。

1   在施工阶段应用的Pig

施工阶段应用的Pig主要有三种, 即清洗用Pig, 充水用Pig及排水用Pig。

(1) 清洗用Pig  在施工时, 通常先把钢管连接成若干段, 每段若干公里, 此时用空气推动清管器将污物清除。待管道全部焊接完成后, 再以水为动力, 推动清管器, 把管道彻底清洗干净。

我国早期所建的管道均未进行管道清洗, 在使用时, 曾发现有安全帽、撬棍、扁担及焊条头、泥沙、焊皮留在管中, 给管道的运行带来许多麻烦。

通常, 对原油管道清洗要求较低, 有时只进行用空气推动清管器的清扫, 但对成品油管道必须进行两遍清扫, 尤其在输送航空煤油、航空汽油时, 若清扫不净, 则会将污物带入发动机内, 造成大事故。

清洗用Pig通常为两个皮碗, 中间带一些钢丝刷, 结构比较简单, 在早期也有用橡皮球进行清扫的, 但效果不如前者。

(2) 充水用Pig  在管道施工完成后, 要进行水压试验。在充水时应当用试压水推动隔离器或隔离球前进, 防止高点存气。高点有存气, 不仅给试压带来麻烦, 还会发生危险。我国铁秦管道进行水压试验时, 由于未采用这种办法, 在管道高点(巨流河跨越段)全部形成气袋。在加压过程中, 高点爆破, 跨越管段严重破坏, 并有部分坠入河中。事故发生后, 笔者曾参与事故技朱处理并写了事故调查报告。按有关规范规定, 管道不允许用空气进行强度试压。

(3) 排水用Pig  在管道试压完成后, 要用空气推动隔离球将水排出, 防止低点存水。近年来, 对管道施工质量要求越来越严格, 通常管道业主要求施工方在施工完成后, 在竣工资料中应包括管道的内径检测及管壁厚度测试的报告, 业主将以这两份资料做为基准线(Baseline)。

2   在运行阶段应用的Pig

(1) 在成品油顺序输送时做为界面隔离用的Pig  这种Pig一般为球状, 也可制成由多个皮碗组成的隔离器。隔离球可以放置1~4个, 但很少超过4个口般认为隔离球的密封作用遵守“60%。灯规律”。若全部隔离时为100%则加入第一个球后密封作用为60%加入第二个球后为隔离余下的40% 的60%, 以此类推, 现举例如下:

加入第一个球后: 60%;

加入第二个球后: 60%+40%×60%=84%;

加入第三个球后: 84%+16%×60%=93.6%;

加入第四个球后: 93.6%+6.4%×60%=97.4%。

由计算看出, 若再增加球数, 则效果不明显。

(2) 清蜡用Pig及清除输气管道内液体的Pig  原油管道清蜡通常用皮碗带动有刮板的清管器(也有用清管球的)。清除气管道内的积水时, 大多用清管球。

(3) 测定管道内部几何形状用Pig  如前所述, 管道施工完毕后, 许多管道业主要求施工方交付有关管内几何尺寸的检测资料。许多老管道, 在第一次测壁厚时, 需先通此种Pig, 以免发生测厚用Pig卡在管内。在发生地震、滑坡等灾害以后, 通常需通测几何尺寸的Pig, 以便确定地震后管道是否出现压凹或折皱。

(4) 测量管道壁厚用Pig  这种Pig有两大类, 一类为漏磁法(简称MFL), 一类为超声波法简称(V/S)。早期采用漏磁法。近年来海底管道发展迅速, 并有向深海发展的趋势。为克服外压, 通常海底管道采用低材质屈服强度和大壁厚的管子。漏磁法检测精度与壁厚有关, 通常只允许检测壁厚12mm以下的管道, 为此发展了超声波法。

(5) 管道直度检划用Pig  这种检测仪内部设有回转仪(陀仪)、加速度仪及里程仪, 若将三者的数据同时传入计算机内, 则可知沿程各点管道位置当管道所经之处发生地震、滑坡以及其它原因造成土壤移动时, 需进行此种测定, 以了解管道位移情况。

国外有些管道在投入使用之初, 对有可能产生土壤位移的地段, 先进行直度测定几取得基准线, 在地震滑坡后, 再次测定, 以便进行对比。

(6) 对管道局部表面进行观Pig  有时管道虽经过测径、测厚, 但对于某些局部, 管理者尚感到迷惑, 希望实际看到管壁的情况。近年来, 日本NKK发展了这项技术, 在检测器内带有照相机或录像机以及光源, 拍摄管道局部表面的状况。

二.   管道几何尺寸测定器

这种Pig又称测往器或通径检测器, 最早的这类Pig为一个铝盘, 其直径均为管内径的95%至97.5%, 铝盘放在两个皮碗中间。若Pig只取出后, 铝盘有缺口或压凹, 则可大致知道管道变形最严重的程度。这种Pig最大的缺点是不知压凹位于何处, 且误差较大。我国曾用铝筒代替铝盘做过试验, 原理都是一样的。

由于上述Pig有严重缺点, 目前已不再使用。T.D.Williamson公司于60年代开发了测径器(kaliper pig)。测径器由两个半球形皮碗带动, 两皮碗中间有伞状测径杆及里程轮。伞状杆沿圆周分布, 各杆均贴靠在管内壁上。若管壁有几何变形, 变形处的各杆产生转动, 转动幅度大变形就大, 里程轮可记下变形位置。早期产品的伞状杆通过机电传动, 数据记录在纸上; 第二代产品通过电子仪器记录下杆的转动并存储于计算机内。T.D.Williamson开发的测径器的第二代产品至今仍在应用。

H.Rosen公司近几年开发的产品, 质量有了明显的提髙。其早期产品在两个皮碗中间的金属盘上贴有一系列的电阻应变片, 应变片沿圆周均匀分布, 当管径变形大时, 在变形的位置上产生的应变大, 从而测岀在不同里程处, 在不同圆周方向上变形的大小。这一产品岀现后不久, Rosen公司又推出电子测径仪, 简称EGP(Electronic ganging Pig), 其尾部装有电磁场的产生及发射器, 通过电磁波测出发射器与管内壁之间的距离, 并转变成电信号存储于Pig装有的电子计算机内。这种Pig的一个优点是Pig的测量元件不与管壁直接接触, 这样就能够减少许多机械故障。这种Pig上装有一组探头, 每个探头有自己的接收通道, 每秒钟可接收50个数据, 并存储于计算机内。这种Pig另一个优点是对管内壁的清洁要求不高, Pig的运行范围宽, 这是一个新的发展方向。

各类几何尺寸测定器, 都有需要特别关注的共同之处, 即要尽可能保持Pig的中心线与管道的中心线吻合, 二者的误差将会计入测量的误差中。

三.   漏磁法Pig与超声波法Pig测量管道壁厚的比较

漏磁法Pig, 简称MFL, 是Magnetic Flux Leakage的缩写, 70年代末问世。其第一代产品无法分清内、外壁腐蚀, 第二代产品得到改善, 目前市场上销售的都是第二代产品, 我们所说的MFL也是指其第二代产品。

MFL的检测精度与其壁厚有关, 厚度越大, 精度越低。根据精度的要求, MFL规定其适用范围在12mm(壁厚)以下(包括12mm)。一般地, 陆上管道的壁厚绝大多数在12mm以下, 故MFL均能适用。近十余年海底管道发展十分迅速, 海底管道的壁厚不仅决定于强度还决定于稳定性, 而稳定性决定于t/D比, 与屈服极限无关; 故海底管道多用低钢号、高厚度的管子。其壁厚多数大于12mm, 故MFL检测不适用。

为了满足海底管道的要求, 近若干年开发了超声波法Pig, 简称V/S, 为Vltrasonic的缩写。

目前MFL及V/S均在市场上销售, 何者为优? 这是管道工作者所关切的, 下面笔者仅就对国外应用状况的调査, 做如下简要的比较。

1   检测精度

根据大量资料的统计及与实物的参照, 国外公认MFL的精度为±0.2t左右昇为管壁厚度; 而V/S的精度为±1mm, 由此看出只有t≤5mm时、MFL的精度才能与V/S相当, 而t在6~12mm范围内时, MFL精度略低于V/S。此外, 从原理上讲, V/S可以测出纵向裂纹及夹层、夹渣、气孔等缺陷, 而MFL难以完成此任务。

2   适应性

MFL可在油、气管道上应用, 而V/S要求有耦合剂, 故难以在气管道上应用。近年, 国外已研制出带有橡皮滚轮的超声波探头, 可以不用耦合剂, 但目前尚未推广应用。也就是说, 目前V/S只占领油管道市场, 而且V/S对厚度的适应性好, 这一点更使V/S占上风。

3   能量消耗及尺寸

MFL能量消耗小, 而V/S能量消耗远比MFL大, 若要求一次行走同样的路程, 则V/S体积要比MFL体积大。

由于体积的限制, 一般V/S可运行10h, 若按每小时行走10km计, 则一次可检测100km, 即收、发筒站的间距要小于100km。一般MFL可运行20h, 如与V/S同样的行走速度, 一次可检测200km, 这样, 给操作带来许多方便。

有些专家估计, 今后航天工业应用的小型高能量的电池将会应用在V/S上, 这样V/S将会小型化, 并成为V/S的第二代产品。

4   清管要求

对管壁清洁的要求MFL低于V/S

5   数据处理及解释

MFL数据处理比较复杂, 通常仁能在现场处理, 而V/S数据处理较简单, 一般可住现场进行。综上所述, MFL及V/S各有优缺, 要根据具体情况来选用。以四川气管道为例, 选MFL较好, MFL体积可做得比较小, 对非规范的W头适应能力较强, 且易于自行研制。从发展看, V/S必定会向小型化发展, 而且不用耦合剂的带滚轮式的V/S也必定会日趋成熟。但就目前自己研制来看, 还是选择MFL为佳。

四.   建议

1   将管道内检测规范化和法制化

建议在大力研究、发展管内检测技术的同时, 逐步把对新老管道的内检测要求编入有关规章、规范中, 加以“法制”化, 并把成熟的技术以及管内检测对管道的要求制定于有关规范及设计技术要求中。

美国PPSA, 是PiggingProducts & Service Association的简称, 专门研究、交流与Pig有关的技术, 并负责草拟有关Pig的各种标准。

美国OPS(Office of Pipeline Safety)成立于1968年, 成立后做过很多对管道安全有益的工作, 包括制定了大量的关于管道安全方面的规范, 其中49CFR192, 49CFR195两个规范都是关于管道内检测器的, 于1990年10月29日通过。

美国联邦政府及各州均对新、老管道提岀了明确的智能管道内检测的要求, 对于人口稠密地区及环境敏感区(环境污染会造成严重损失的地区)更有明确而严格的规定, 这些做法是值得我们学习的。

2   逐步对所有管道进行内检测

建议对所有尚未进行管道内检测的重要油、气管道, 分轻重缓急, 逐步进行检测。

我国早期修建的管道以下部位可能是Pig通过的障碍:

(1) 弯头部位: 按国际惯例, 弯头的曲率半径R必须满足以下要求:

直径D为102mm, R=20D;

直径D为152~203mm, R=10D;

直径D≥254mm, R=5D

我国早期修建的管道大多达不到这一要求。对于热输管道, 由于R太小, 又无固定墩保护, 弯头变形, 其断面成为椭圆形。四川省的南干线和东北地区的庆铁线(两条)和铁秦线等, 弯头都未必满足以上要求。美国早期修建的一些管道, 弯头R=3D, 这需要专门研制尺寸小的Pig。但研制前, 必须要摸清情况, 以便以后“有的放矢”。

(2) 阀门: 阀门必须全通, 即阀门直径不小于管内径。

(3) 三通: 三通必须有档条, 以防止Pig卡在三通处。

(4) 管内径公差: 根据美国经验, 早期修建的管道, 个别地段公差过大, 有时Pig会卡在大小内径交界处, 此时Pig尾部压力升高, 前部压力下降, 当压差大到一定程度, 足以克服阻力时, Pig会以高加速度前进, 造成Pig受损, 甚至损坏管道。对于通过Pig的要求, 不同管径的最大允许偏差δ如下:

直径D为102mm, δ=4mm;

直径D为152mm, δ=6mm;

直径D为203~305mm, δ=10mm;

直径D为356~508mm, δ=14mm;

直径D为508~914mm, δ=16mm;

直径D2914mmδ=20mm。

(5) 建议组织全国力量, 包括使用部门和研究部门, 分工负责, 联合攻关, 避免低水平重复, 力争在2000年以前, 对所有长输管道进行内检测, 建立档案。对新建管道, 从开始投运之日起, 就建立档案, 在竣工资料中要包括内径检测及壁厚检测资料, 以此做为基准线。建议由主管部门编制有关规定、法规、条例甚至法律条款, 这些不仅是出于保护管道本身, 而是对环境以及人民生命财产的保护。

据笔者了解, 前苏联从未掌握管道内检测技术, 当前事故率居世界之冠。

管道内检测技术, 不仅国内急需, 而且包括我国台湾省在内的东南亚广大地区均未掌握管道内检测技术, 我们要逐步占领这一市场。