海底管道检测最新技术及发展方向

◀石油管工程▶海底管道检测最新技术及发展方向∗王金龙　何仁洋　张海彬　郭　晗　吴庆伟（中国特种设备检测研究院压力管道事业部）　　摘要：随着海洋油气资源开发的不断深入，海底管道的铺设规模越来越大，但是异常复杂环境容易造成海底油气管道的损伤与失效，进而产生恶劣后果。如何进行在役管道的检测已成为各国的研究热点。介绍了国内外海底管道内检测和外检测概况，分析了我国海底管道内检测和外检测技术现状，总结了国外海底管道内外检测最新技术进展，重点介绍了基于ＲＯＶ（ＲｅｍｏｔｅＯｐｅｒａ⁃ｔｅｄＶｅｈｉｃｌｅ，水下机器人）作业方式的２种最新外检测装置———ＯｃｅａｎｅｅｒｉｎｇＭａｇｎａ水下检测装置和ＴｒａｃｅｒｃｏＤｉｓｃｏｖｅｒｙ海底管道检测装置的组成、检测原理、检测过程及其特点。最后指明了我国海底管道检测的发展方向，即海底管道快速外检测技术和海底管道内检测多类型缺陷智能识别与高精度量化分析技术。关键词：海底管道；管道检测；Ｍａｇｎａ水下检测装置；Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ海底管道检测装置；发展方向中图分类号：ＴＥ９７３􀆰６　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０􀆰１６０８２／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１６􀆰１０􀆰０２５Ｓｔａｔｅ⁃ｏｆ⁃ｔｈｅ⁃ａｒｔＡｄｖａｎｃｅｍｅｎｔａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＤｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＳｕｂｍａｒｉｎｅＰｉｐｅｌｉｎｅＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷａｎｇＪｉｎｌｏｎｇ　ＨｅＲｅｎｙａｎｇ　ＺｈａｎｇＨａｉｂｉｎ　ＧｕｏＨａｎ　ＷｕＱｉｎｇｗｅｉ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＰｉｐｅｌｉｎｅＤｉｖｉｓｉｏｎ，ＣｈｉｎａＳｐｅｃｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｒｅｌａｉｄｗｉｔｈｉｎ⁃ｄｅｐｔｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌａｎｄｇａｓｒｅ⁃ｓｏｕｒｃｅｓ，ｂｕｔａｂｎｏｒｍａｌａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｓｐｒｏｎｅｔｏｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｄａｍａｇｅａｎｄｆａｉｌｕｒｅｏｆｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｎｄｃａｕｓｉｎｇａｄｖｅｒｓｅｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ􀆰Ｉｔｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｎ⁃ｓｅｒｖｉｃｅｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｓ􀆰Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｉｎＣｈｉｎａｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｌａｔｅｓｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｆｏｒｅｉｇｎｉｎｔｅｒｎａｌａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｅｍ⁃ｐｈａｓｉｓｉｓｌａｉｄｏｎｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｗｏｌａｔｅｓｔＲＯＶ（ＲｅｍｏｔｅＯｐｅｒａｔｅｄＶｅｈｉｃｌｅ）⁃ｂａｓｅｄｅｘｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓ—Ｏｃｅａｎｅｅｒｉｎｇ􀆳ｓＭａｇｎａｓｕｂｓｅａｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｄｅ⁃ｖｉｃｅａｎｄＴｒａｃｅｒｃｏ􀆳ｓＤｉｓｃｏｖｅｒｙｓｕｂｓｅａｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ􀆰Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ􀆳ｓｓｕｂ⁃ｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｇｕｉｄａｎｃｅｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ；Ｍａｇｎａｓｕｂｓｅａｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ；Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙｓｕｂｓｅａｓｃａｎｎｅｒ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎ０　引　言近几十年来，全球海洋油气开发迅猛，海底油气管道是连续、大量输送油气资源最快捷、最安全可靠和最经济的方式，担负着海上油气集输的重要任务，也被称为海洋油气工程的“生命线”。自１９５４年美国Ｂｒｏｗｎ＆Ｒｏｏｔ海洋工程公司在墨西哥湾铺设第１条海底管道以来，全球各大海域已经形成庞大的海底管道网络［１］。中国自１９８５年在渤海埕北油田建成第１条海底输油管道［２］以来，已在不同海域铺设了总长超过６０００ｋｍ的海底管道。—２１１—　　　　　　石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　２０１６年　第４４卷　第１０期∗基金项目：中国特种设备检测研究院博士基金项目“河流穿越管道检测技术研究”（ＢＳＪＪ－２０１３－１０）。海底管道作为重要的海上油气田生产设施，它具有高投入和高风险特性。海底管道造价昂贵，每公里的造价为３０～１００万美元；海底管道所处的海洋环境异常复杂，存在着许多不确定性因素。随着海底管道铺设距离的增加和运行时间的延长，海底管道损伤概率增大，事故也愈加频繁。而海底管道所输送的油气对人体有害，一旦海底管道发生泄漏或破坏，就会给周围环境和人员带来严重影响，轻则导致海底管道出现泄漏而浪费资源，重则会因为原油或天然气的泄漏而导致爆炸，造成人员伤亡和财产损失，并且严重破坏周边的生态环境。同时，海底管道的大量泄漏也会造成油气田停产，直接造成巨大的经济损失［３－４］。２００７年，中国南海涠洲１２－１至１１－４原油管道因腐蚀发生泄漏，油田停产近２００ｄ。２０１１年，中海油珠海横琴天然气处理终端附件处天然气管道被因偷采砂作业船舶的机械伤害而拉断。近年来越来越多的海底管道受损事故表明，对海底管道的安全保护研究已经迫在眉睫。据国内公开报道，１９９５—２０１０年共发生２８起海底管道事故（事件）。造成海管损坏事故原因很多，江锦等［５］统计分析了国内造成海底管道损坏的原因。海底管道受到损伤的原因极具综合性和复杂性，但腐蚀、抛锚和外物撞击是引起海底管道受到损伤的主要原因。海底管道安全性已经成为一个影响海洋油气开发和安全生产过程中的重要问题，应当引起人们的高度重视。定期检查海底管道的运行状况，及时掌握海底管道安全状态，成为海上油气生产的重要保障措施，亦是海管运营商资产完整性管理的重要内容，这样既可以防止管道腐蚀，又可以保证管道安全运行，延长管道使用寿命。笔者详细介绍了国内外海底管道内检测和外检测技术的概况，分析了我国海底管道内检测和外检测技术的现状，总结了国外海底管道内、外检测设备及技术的最新进展，重点介绍了基于ＲＯＶ（Ｒｅ⁃ｍｏｔｅＯｐｅｒａｔｅｄＶｅｈｉｃｌｅ，水下机器人）作业方式的２种最新外检测装备及技术———Ｏｃｅａｎｅｅｒｉｎｇ公司的Ｍａｇｎａ水下检测装置和Ｔｒａｃｅｒｃｏ公司的Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ海底管道检测装置及其特点。最后指出我国海底管道检测的发展方向，以期为海底管道检测技术的发展提供一定指导。１　海底管道内检测１􀆰１　内检测概述海底管道内检测包含清管和智能检测２部分，检测的仪器包括各种功能的清管器和智能内检测器［６－８］。１􀆰１􀆰１　清管通常利用不同类型清管器（见图１）按照先后顺序清理管道内壁。管道清理顺序一般为泡沫清管球、带刷子的清管球、带刷子的钢质清管球和测量清管球等。检测前清管，可将附着在管内壁上的污垢、蜡状沉积物和水合物等清扫干净，使得检测传感器探头可以与管壁紧贴，以便获得真实数据。图１　不同类型清管器Ｆｉｇ􀆰１　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｃｌｅａｎｅｒ１􀆰１􀆰２　智能内检测目前通过智能内检测器测量管道厚度是应用最广泛的内检测技术，但检测费用较高，国内检测技术尚不成熟，市场及技术被美国和德国等公司高度垄断。常见的智能内检测器包括几何变形检测器、漏磁检测器和超声波检测器等，如图２所示。几何变形检测器主要用于检测管道几何变形、断面变形、屈曲和皱折变形等。漏磁检测器使用磁铁将磁通引入管壁或焊缝，传感器装在两磁极之间，探测因管壁减薄或腐蚀等引起的各种漏磁现象，国际上９０％的管道内检测均采用这一技术。超声波检测器利用超声波从管子内、外表面之间反射波的时间差来测定管壁腐蚀和厚度，但其检测需要液体环境，使用受到一定的限制。１􀆰１􀆰３　技术难点与陆上长输管道内检测相比，海底管道内检测技术的难度和要求更高，主要体现在以下几个方面。（１）检测风险大，通过性要求高。与陆地油气管道相比，海底油气管道转弯半径小，只有—３１１—２０１６年　第４４卷　第１０期王金龙等：海底管道检测最新技术及发展方向　　　　　　１􀆰５Ｄ（Ｄ为管道直径），近乎于直角，再加上可能遇到的渔船抛锚刮伤、海冰撞击及海流冲淘，这些极易造成海底油气管道的变形和损伤。如果检测器通过能力不强，卡在管道内，那么修复工程的代价几乎与重新铺设新管道一样高。（２）速度控制难。由于海底管道内检测器一般需要穿越垂直立管和水平管，对检测器速度控制要求比陆地长输管道检测器要求高。（３）检测难度大。海底管道壁厚大、口径小，管壁饱和磁化困难，而通过能力又要求永磁体的体积更小，这使海底管道检测的难度大很多。而且海底管道输送油气一般为高温高压，或者油、气、水混输，流量小，流速不稳，增加了检测难度。（４）操作难度大。海底管道检测装置的发射和回收装置可能在生产平台的狭小空间，深水管道可能位于水下，海底管道检测操作难度大。（５）定位难度大。海底环境复杂，由于厚壁管或双层管的高屏蔽效应，以及水下定位系统与水上ＧＰＳ定位系统数据协调融合，使得内检测器在水下管道内的定位难度很大。图２　不同类型智能内检测器Ｆｉｇ􀆰２　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｔｅｒｎａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ１􀆰２　我国内检测技术现状目前，我国海底管道内检测技术仍然较薄弱，内检测作业开展时间较短。相对而言陆上油气管道内检测技术较为成熟，国内外技术差距正在逐步缩小，国内提供陆上管道内检测单位较多，主要有ＧＥＰＩＩ、ＲＯＳＥＮ、中国石油天然气管道局管道技术公司及中国特种设备检测研究院等。我国海底管道已经陆续开始实施内检测作业，有效保障了海底管道的安全。２００７年９月番禹油田海底管道使用ＧＥＰＩＩ的３０４􀆰８ｍｍ（１２ｉｎ）超声“ＵｌｔｒａＳｃａｎＷＭ”检测器进行了超声内检，这是南中国海油田首次海管智能内检测作业。２０１３年５月中海油蓬莱ＰＬ１９－３油田４条６０９􀆰６ｍｍ（２４ｉｎ）管道采用智能漏磁检测技术，检测器使用荷兰的“ＭＦＬ”内检测器和“Ｃａｌｉｐｅｒ”电子测径检测器。２０１４年１１月，中海油服深水技术有限公司承担了崖城海南管道（长９１ｋｍ）内检测项目，完成了海油系统内首次依靠自主力量、运用国产技术的海管内检测作业。２０１５年１１月，海油系统在涠洲１１－４ＮＢ平台至涠洲１２－２Ａ平台海管首次完成我国海底管道超声波内检测作业。国内的内检测工程一般由国外公司或国内外合作完成，主要有中海油海洋工程公司（ＲＵＳＳＥＬＬ设备）、太原刚玉国际贸易有限公司（ＧＥＰＩＩ设备）及香港ＡＰＣ集团（ＲＯＳＥＮ设备）等。虽然目前国内很多研发机构对海底管道智能内检测技术进行了大量的研究，也出现了一些通过海试的设备，主要研发单位有中国航天科工三院３５所（与中海油研究总院合作）、清华大学油田电气工程研究中心（与胜利油田合作）、中船重工７１６所（与中石油管道局合作）和中海油服深水技术有限公司（与沈阳工业大学合作）等，但由于技术和风险等原因，我国实际实施的海底管道内检测工程仍然偏少，内检测技术仍然落后，而且测试阶段离大规模