一、系統架構

 

馳騁管壁厚度TEM評價系統包括控制單元、數據采集器、傳感器三個主要部分。

 

1．傳感器

 

傳感器包括發射回線和接收回線兩部分，用來實現TEM信號的激勵與接收。

 

2．數據采集器

 

GBH-1數據采集器用于激勵、采集、記錄瞬變電磁信號，具有抗干擾能力強、穩定性好、輕便等特點。

 

 

 

 

 

 

圖1 GBH-1數據采集器

 

2.1. GBH-1數據采集器具有如下特點：

 

□ 雙通道、高可靠性、低耗電 － 精心設計的雙通道接收機及功率電子電路、合理的散熱措施、牢固的機械結構、進口全密封儀器箱體，確保整機的高可靠性、低耗電。

 

□ 無線控制 － 控制單元可通過藍牙無線通訊技術來控制數據采集器。

 

□ 抗干擾能力強 － 程控硬件濾波器、獨特精準的供電頻率、數據疊加、軟件濾波，使數據采集器具有超常的抗干擾能力。

 

□ 多時窗、高測量精度 － 時窗多少可由操作員設置，既可對數分布也可線性分布，使用高精度恒溫晶振完成定時，時－深關系穩定、準確，測量子樣窗分布合理。

 

□ 發射部分與接收部分整裝一體 － 發射機具備快速關斷功能，關斷時間測量功能可提供準確的發射機實際關斷時間，提高軟件解釋精度

 

2.1. GBH-1數據采集器具有如下特點：

 

□ 雙通道、高可靠性、低耗電 － 精心設計的雙通道接收機及功率電子電路、合理的散熱措施、牢固的機械結構、進口全密封儀器箱體，確保整機的高可靠性、低耗電。

 

□ 無線控制 － 控制單元可通過藍牙無線通訊技術來控制數據采集器。

 

□ 抗干擾能力強 － 程控硬件濾波器、獨特精準的供電頻率、數據疊加、軟件濾波，使數據采集器具有超常的抗干擾能力。

 

□ 多時窗、高測量精度 － 時窗多少可由操作員設置，既可對數分布也可線性分布，使用高精度恒溫晶振完成定時，時－深關系穩定、準確，測量子樣窗分布合理。

 

□ 發射部分與接收部分整裝一體 － 發射機具備快速關斷功能，關斷時間測量功能可提供準確的發射機實際關斷時間，提高軟件解釋精度。

 

2.2. GBH-1數據采集器主要技術指標

 

2.2.1. 體積：486×392×192 mm3

 

2.2.2. 重量：11.2kg

 

2.2.3. 發射接收同步方式：電纜

 

2.2.4. 工作溫度：-10℃～+50℃

 

2.2.5. 發射部分

 

□ 發射電壓輸入：12V，24V

 

□ 發射電壓：① 5.5V～ 8V（發射電壓輸入12V）連續可調

② 5.5V～20V（發射電壓輸入24V）連續可調

 

□ 電流測試精度：±1%

 

2.2.6. 接收部分

 

□ 通 道 數：2

 

□ 通 頻 帶：0～50KHz（線性相位濾波器），全通為0～400KHz

 

□ 工頻壓制：≥80dB

 

□ A/D位數：16位

 

□ 最小采樣間隔：1μs

 

□ 電 源：內置12V可充電電池（也可外接），工作時間≥10小時

 

3．控制單元

 

控制單元用來控制數據采集器和傳感器工作，實現數據收錄、信號處理、圖示、解釋分析等功能?？捎镁哂兴{牙接口的掌上電腦或筆記本電腦作為載體。

 

圖2 控制單元界面（掌上電腦）

 

圖3 控制單元界面（筆記本電腦）

 

二、方法原理

 

金屬管道敷設運行后，如防護不當就會發生腐蝕。無論是電化學腐蝕、雜散電流腐蝕還是厭氧菌腐蝕，其結果都是金屬蝕失、腐蝕產物堆積，造成埋地金屬管道的導電率和導磁率變異。顯然，只要檢測出因腐蝕所致的此種物理性質的變異部位和變異程度，經過與已知（已發生腐蝕和未發生腐蝕）情況對比，就可以指出腐蝕地段并對腐蝕導致的管壁減薄程度做出評價。

 

管壁厚度TEM評價系統利用TEM（瞬變電磁）手段檢測評價地下管道的剩余管壁厚度，不開挖、不與管道直接接觸、不影響管線正常運行。方法的核心問題有兩個：一是采用高靈敏度、高穩定性、高抗干擾能力的數據采集器檢測管道的綜合物理特性所發生的微小變化，二是利用不同目標體的瞬變響應具有時間可分性的特點來識別并研究被測管段的腐蝕程度。 在傳感器發射回線中加載穩定激勵電流，建立起一次磁場，瞬間斷開激勵電流便形成了一次磁場"關斷"脈沖。此一隨時間陡變的磁場在管體中激勵起隨時間變化的"衰變渦流"，從而在周圍空間產生與一次磁場方向相同的二次"衰變磁場"，二次磁場穿過傳感器接收回線中的磁通量隨時間變化，在接收回線中激勵起感生電動勢，利用數據采集器觀測到用激勵電流歸一化的二次磁場衰變曲線——瞬變響應。

 

歸一化的脈沖瞬變響應特征主要取決于被測管段金屬管體的埋深、管徑、壁厚、電導率、磁導率以及管內輸送物質的電導率、磁導率、介電常數。除此之外，防腐層的厚度、防腐介質的介電常數和體電阻率，圍土介質的電導率、磁導率、介電常數等也會對歸一化的脈沖瞬變響應產生影響。金屬管體與防腐層以及圍土介質的電磁特性差異顯著，在歸一化的脈沖瞬變響應曲線上具有明顯的時間可分性。在信噪比足夠高的情況下，可以劃分出被測管段所對應的響應時窗。在所劃分出的瞬變響應時窗范圍內，通過反演模擬的手段，確定瞬變時間常數，繼而得出被測管段的管壁厚度。

 

三、有關術語和技術指標

 

1．被測管段長度：每個檢測點覆蓋的管段長度近似等于所采用的傳感器發射回線邊長與2倍管道中心埋深之和（L+2h）。

 

2．檢測精度：采用"一同三不同"的原則評價檢測質量，統計原始檢測所得的平均管壁厚度與檢查檢測所得的平均管壁厚度之間的均方誤差，以此作為衡量檢測工作質量的指標。檢測精度與所使用的數據采集器以及所采用的抗干擾措施有關。以GBH-1為例，如果采用多次疊加手段提高信噪比，一般情況下，誤差可控制在5%以內。

 

3．驗證方法：開挖驗證，并采用高精度（0.1mm～0.01mm）測厚儀實際測量管壁厚度，測量點應均勻分布并具有統計意義。

 

4．符合率：檢測出報的剩余管壁平均厚度與管壁實際平均厚度之間的偏差不超出檢測精度范圍時，稱為"檢測結果與實際情況相符"。一般情況下，符合率不低于80%。

 

5．適用對象：由于是在地面采用非接觸式信號加載方式，管壁厚度TEM評價系統最適用的檢測對象是單根或者可視為單根的地下管道。

 

四、現場工作

 

根據需要，配置不同的傳感器可檢測評價地面管道或地下管道。

 

 

圖4a 地面管道檢測　　　　　　　　　　　　　　　　圖4b 地下管道檢測

 

五、應用效果

 

管壁厚度TEM檢測技術得到業內同行的普遍關注，近幾年來，在大慶、勝利、大港、輪南、彩南、石西等油田，齊魯石化總公司、太原鋼鐵總公司、保定煤氣公司、昆明煤氣公司、天津燃氣公司等企業，應用本方法檢測評價的管道已超過500公里，檢測結果都經過了抽樣開挖驗證。其中，勝利油田技術檢測中心"僅2004年就在不開挖不停輸的情況下完成埋地管道腐蝕檢測210多公里，現場開挖驗證符合率達到100%"，"由于對管道腐蝕狀況的準確評估，實際裁定的管線更換長度比上報更換長度減少149公里，可為油田節約投資9401萬元左右。"（摘自《腐蝕檢測、控制與評價研究工作發展論證研討會記要》，2005年4月7日）

 

大港油田中一站至中一轉集輸管道500米試驗段檢測工作完成后，將整段管道全部挖出與檢測結果對比，取得53個有效驗證點，其中46個測點檢測值與實際值誤差小于5％，符合率為86.8％。（圖5）

 

 

圖5 大港油田中一站至中一轉集輸管道試驗段驗證工作現場

 

據不完全統計，至2006年4月止，在66處開挖驗證的管壁厚度檢測成果中（不包括上述53個驗證點），有58處與實際管壁厚度（采用0.01mm精度的超聲測厚儀實測）的偏差小于5%。所涉及的管道和驗證情況如下：

 

管道規格：管徑108mm～1000mm、壁厚5mm～25mm； 

中心埋深：0.5m～3.6m； 

管道材質：鑄鐵管1處、無縫鋼管2處、直縫鋼管17處、螺紋鋼管46處； 

管內介質：水14處、原油16處、油水混合物6處、燃氣11處、空管19處； 

TEM數據采集精度：2.88%～5.09%； 

檢測壁厚相對實際壁厚的偏差：最小0.26%、最大10.57%； 符合率（檢測壁厚相對實際壁厚偏差不超過5%的比率）：87.88%。

 

以下是部分開挖驗證情況： 

 

圖6 大港油田中一站至中一轉169測點

管道規格159×6mm；管壁厚度檢測值5.1mm；實測值5.00mm 

 

圖7 勝利油田濱南稠油管道4595測點 

管道規格325×8mm；管壁厚度檢測值8.4mm；實測值8.41mm 

 

圖8 勝利油田東辛寒柳線小清河測試樁北3518米處 

管道規格426×7mm；管壁厚度檢測值6.7mm；實測值6.63mm 

 

圖9 勝利油田東辛寒柳線小清河測試樁北3150米處 

管道規格426×8mm；管壁厚度檢測值7.88mm；實測值7.73mm 

 

圖10 勝利油田河口采油廠丁義線17800測點 

管道規格219×6mm；管壁厚度檢測值5.4mm；實測值5.43mm 

 

圖11 勝利油田河口采油廠丁義線17836測點 

管道規格219×6mm；管壁厚度檢測值5.3mm；實測值5.16mm