熱力管道狀態檢測技術研究

摘 要

摘要：分析了國內外管道檢測技術的原理、特點與應用領域，以及在熱力管道檢測中的適用性。在可通行管溝中可采用紅外熱像儀檢測法對熱力管道進行局部檢測。采用分布式光纖測溫系
摘要：分析了國內外管道檢測技術的原理、特點與應用領域，以及在熱力管道檢測中的適用性。在可通行管溝中可采用紅外熱像儀檢測法對熱力管道進行局部檢測。采用分布式光纖測溫系統可對管溝敷設熱力管道和直埋敷設熱力管道實現全程連續檢測。管道內檢測技術包括測徑器檢測法、閉路電視(CCTV)管道檢測法、超聲波檢測法、漏磁檢測法，這些方法盡管在石油管道檢測中非常有效，但由于熱力管道的高溫和檢測設備進出困難，仍應用較少。管道內檢測技術對于管道的快速檢測、完整性評價意義重大，值得進一步研究。
關鍵詞：熱力管道；管道檢測；分布式光纖測溫系統；紅外熱像儀；閉路電視管道檢測法；超聲波檢測法；漏磁檢測法
Study on State Inspection Technology of Heating Pipeline
LIU Rong，LI Xiaoping，MA Xiaochun
Abstract：The principles，characteristics and application scopes of domestic and foreign pipeline inspection technologies as well as their applicability to heating pipeline inspection are analyzed.Infrared thermography detection method can be used for local detection of heating pipeline in passable trench.Distributed optical fiber temperature measuring system can be used to globally and continuously inspect heating pipeline installed in trench and directly buried.The pipeline internal inspection technologies include diameter detection method，closed-circuit television detection method，ultrasonic detection method and magnetic flux leakage detection method.Though these methods are effective in detection of petroleum pipeline，they are hardly applied in heating pipeline due to high temperature and access problems.The pipeline internal inspection technologies should be further studied because of their importance in fast detection and integrity evaluation.
Key words：heating pipeline；pipeline inspection；distributed optical fiber temperature measuring system；infrared thermography；closed-circuit television detection method； ultrasonic detection method；magnetic flux leakage detection method
1 概述
    北京市城區內主干熱網供熱介質主要采用熱水、飽和蒸汽和過熱蒸汽等。經過多年來的城市改造，北京市地上敷設的熱力管道已較少，主要采用地下敷設，而地下敷設分為管溝敷設、直埋敷設。熱力管道在使用過程中會受到高溫、磨損、物理、化學的作用，加之周邊地下工程施工和地面交通動荷載的擾動，熱力管道會逐漸產生裂紋、變形、接頭損壞等缺陷，進而演變成為斷裂、漏水等事故。在供熱期間若發生管道大量漏水甚至斷裂事故，由于供熱介質溫度較高往往使得搶險難度大，而且熱水對地下其他公共設施的危害也很大，損失難以估量。
    由于缺乏穩定可靠的熱力管道狀態檢測技術，使得現有的管理模式缺乏預見性，很多事故都是在管道破壞之后才被發現的。因此，做到防范于未然，實時掌握熱力管道的狀態信息，對于熱力管道的安全運行極其重要。本文在調研國內外地下管道狀態檢測技術的基礎上，重點闡述先進檢測技術的原理、特點及在熱力管道狀態檢測中的適用性。
2 可通行管溝內的檢測技術
   熱力管道的通行管溝凈高為1.8～2.0m，半通行管溝凈高不小于1.4m，人行通道凈寬均為0.5～0.7m。在半通行管溝內，工作人員能彎腰行走。據調研，在可通行管溝內可用的檢測方法有：人工通行外觀檢查法；人工攜帶紅外熱像儀對接頭及管子可疑部位進行定點檢測法；采用分布式光纖測溫系統的檢測法。
2.1 人工通行外觀檢查法
   在停止供熱后，檢查人員在通行管溝或半通行管溝內沿熱力管道巡查，通過照明設備對熱力管道的外觀進行觀察。若發現在保溫層、波紋管補償器、支架、管接頭等處存在開裂、脫落、腐蝕等缺陷時，記錄下位置，并描述缺陷特征，必要時用照相機拍下照片。最后將外觀檢查數據匯總，用于判斷某段管道的狀態，或作為是否對可疑部位采取其他檢測方法做進一步詳細檢查的參考依據。
2.2 紅外熱像儀檢測法
   紅外熱像儀是集光電子技術、紅外探測技術和紅外圖像處理技術于一身的科技產品，具有測溫速度快、靈敏度高、測溫范圍廣、形象直觀、非接觸等優點。
   紅外熱像儀的外觀很像普通攝像機，分為手持式、肩扛式。在檢測熱力管道時，工作人員攜帶紅外熱像儀在管溝內沿管道行走，鏡頭對準要觀察的熱力管道，這時呈現在觀察鏡中的不是常規的圖像，而是被攝物體的熱輻射圖。通常不對管道進行連續攝像，而是利用紅外熱像儀進行連續觀察，只對可疑部位進行拍攝，儲存該處的熱輻射圖，然后集中進行匯總分析。
當鋼管內壁受磨損、外壁腐蝕導致壁厚減薄、保溫層脫落或開裂時，該處熱力管道外表面的溫度會比正常部位的溫度高，在紅外熱像儀中呈現為不同顏色的溫度異常。當管子上或接頭處存在潛在開裂、泄漏等故障時，溫度異常更加明顯。紅外熱像儀拍攝的存在溫度異常管道的熱輻射圖見圖1。圖中管道上的高亮區域為溫度異常區域，可能存在缺陷，應引起注意。
 

    紅外熱像儀的主要優點是：能夠對管道進行快速熱診斷，所見即所得；靈敏度高，許多產品的分辨率可達0.1℃；測溫范圍寬，可達0～2000℃；測量時不需與熱力管道接觸，對測量人員、測量儀器和熱力管道沒有傷害，使用安全可靠；可在黑暗中工作，不受管道內光源強弱的影響。紅外熱像儀的缺點是：管道與環境間應有足夠溫差，管溝內的空氣溫度與熱力管道上的溫度差別越大，觀測效果越好；管道表面油漆顏色易影響檢測結果，往往需要通過經驗進行修正；日光和強光會影響檢測結果。
    紅外熱像儀一般都標出拍攝物的能譜量級，有些能標出焦點處的溫度，先進的紅外熱像儀能夠標出同一幅熱輻射圖上不同部位的溫度。這些功能主要取決于是否配備了專業解釋軟件。
2.3 分布式光纖測溫系統檢測法
分布式光纖測溫系統是由串聯的測溫光纖傳感器構成的測溫系統。測溫光纖傳感器由光源、敏感元件、光探測器、信號處理系統以及光纖等組成。由光源發出的光通過源光纖引到敏感元件，當熱力管道的溫度變化時，敏感元件將溫度的變化調制成為光的某一性質的變化，調制后的光信號經接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉換為電信號，最后經信號處理得到檢測點的溫度。
在使用分布式光纖測溫系統檢測管溝內熱力管道時，可將測溫光纖傳感器沿熱力管道布設，置于管道保溫層的表面，并每隔一定距離固定。固定時無特殊要求，原則是盡量讓測溫光纖傳感器貼近熱力管道，不要因重力而滑落即可，分布式光纖測溫系統配置見圖2。當熱力管道的管子壁厚變薄、接頭斷裂或保溫層損壞后，會使得局部管段的溫度異常，測溫光纖傳感器能及時捕獲這些異常，反映在監測站內的主機中。通過圖形化的專業分析軟件，可以分析與提取出異常點的位置及溫度偏差，實現報警功能。若今后考慮采用分布式光纖測溫系統監測直埋熱力管道，建議在熱力管道的下面同時埋設一根小直徑的鋼管，內置測溫光纖傳感器，這樣在有供熱介質泄漏時能及時發現漏點位置。
 

    分布式光纖測溫系統的優點是：測量系統靠光檢測，不需電、不導電；測量系統不畏高溫、污水等惡劣環境；實時檢測，同步性好。測量溫度范圍為0～300℃，溫度分辨率為1℃，甚至0.1℃；通道數可擴展，可同時監測多個測點，布線距離可達30km。但是由于該技術在熱力管道的應用尚處于試驗階段，沒有形成產業化和標準化，因此造價較高。
3 直埋管道內檢測技術
    對于直埋熱力管道，由于管道周邊無法接近，檢測的思路主要是基于管道內爬行器，或稱為管道機器人，上面攜帶各種檢測設備同步前進，在操作人員的遠距離控制下完成管道狀態檢測作業。管道內檢測技術包括測徑器檢測法、閉路電視管道檢測法、超聲波檢測法、漏磁檢測法。
    據調研，這些管道內檢測技術在石油管道、化工管道、燃氣管道、給排水管道中得到了普遍的認同與應用，但在熱力管道中應用較少。主要原因有：這些方法都需要停止供熱并冷卻后進行檢測；檢測設備進出熱力管道較為困難。這些都影響了熱力單位的嘗試。
    但是管道內檢測技術有其固有的優點：從管道內部行走，直接測量，不受周邊環境與管道埋深的制約；信號強，無干擾，測量數據準確；可實現連續、三維檢測；檢測數據完整，便于數據挖掘，進行管道完整性評價和管道壽命預測。因此，建議在停止供熱后，開展熱力管道的管道內檢測技術應用嘗試。
3.1 測徑器檢測法
    測徑器檢測法用于檢測和定位沿長度方向上管道斷面形狀的變化。該法基于機電裝置原理，使用一定排列的機械抓手或有機械抓手的輻射架(見圖3)[1]。當管道內壁有任何斷面的變化，如出現凹陷、橢圓變形、異物侵入或管壁上有附著物時，壓在管道內壁的機械抓手會將這些斷面變化反映在電信號上，并儲存到機載的儲存器上。分段牽引或自驅動檢測完畢，將儲存器中的數據取出并使用合適的軟件加以分析和顯示，就可以確定管道斷面的異常點。目前市場上的測徑器提供的測徑范圍為100～1500mm，其靈敏度通常約為管道直徑的0.2%～1.0%，精度約為管道直徑的0.1%～2.0%[2]。
 

測徑器檢測法目前在石油管道、海底管道工程中應用較多，而且技術也比較成熟，但檢測精度有待提高。另外一類測徑檢測法是使用一種類似于清管器的裝置，它利用介質推動在管道內通行，可檢測管道內凹陷、橢圓變形、環焊縫周長、壁厚變化等。常通過評估軟件將管道內凹陷或橢圓變形超過一定指標的部位及數據以列表形式或圖形方式顯示出來。
3.2 閉路電視管道檢測法
    閉路電視(Closed Circuit Television，CCTV)管道檢測方法，即通過在管道內部攝像來觀察與分析管道內部真實狀況的一種檢測方法。
    CCTV管道檢測原理是通過驅動帶有攝像頭的管道機器人在管道內行走，來獲得管道內部的全程攝像信息，并傳輸至地面，通過專業工作人員對攝像信息的判斷解讀或分析軟件的解釋，識別管道內的銹層、結垢、腐蝕、穿孔、裂紋及變形等情況。錄像料可被儲存到硬盤上，以便回放或用于系統評價。
    CCTV管道檢測系統通常由管道機器人、操縱控制臺、線纜架及后處理部分(包括計算機及分析軟件等)組成。
    CCTV管道檢測系統已被證實適用于給排水管道、燃氣管道、石油管道等。CCTV管道檢測法對管道材質沒有限制，適用的管徑范圍為200～2000mm。CCTV管道檢測法的一個缺點是不能檢查被水和淤泥覆蓋的部分。
    CCTV管道檢測系統的主要優點有：安全、高效，避免了人員進入管道可能發生的人身傷亡事故。缺點是：當管道內的成像條件較差時，如光線不足、管壁不潔、濕度大、溫度高等情況下，圖像質量會受到較大的影響。而且由于是在管道內攝像，通常要求攝像頭的焦距盡量短，這易引起圖像畸變。另外，受人眼分辨率的限制，管道變形小于管道直徑10%時人眼就很難辨識，對于質量較差的錄像則只能識別管道直徑20%以上的變形[3]。
    對于熱力管道，由于高溫，鏡頭上易產生霧，攝像效果較差。因此國產的CCTV管道檢測裝置一般不用于熱力管道的檢測，但在調研中也發現國外有耐高溫的CCTV管道檢測裝置。比如某公司生產的攝像機的適用溫度為32～113℃，具有耐高溫和防霧化的特殊性能，還配有SideWall Scan管道側掃系統和Supervision高分辨率攝像裝置。
3.3 超聲波檢測法
超聲波檢測法是利用超聲波的脈沖反射原理，通過超聲波在介質中傳播時遇金屬表面發生部分反射的特性來測定管道的壁厚及管內表面狀況的一種方法。管道內檢測使用的超聲波檢測儀為管道內通行的檢測機器人，超聲波管道檢測機器人是一種能夠遠程控制、在管道內行走、裝載有超聲波傳感器件的機構(見圖4)[4]。檢測機器人由液體推動，由多節功能艙組成。主要包括探頭架、萬向節、皮碗、控制器艙、計算機艙、里程輪、電池艙、天線等。探頭架內安裝有環向陣列超聲波檢測器，是檢測管道壁厚數據的來源；艙與艙之間以萬向節連接，便于通過管道轉彎部分；多個皮碗實現檢測裝置的密封；控制器艙內安裝控制整套機構動作的執行元件；計算機艙負責接收外部指令并向控制器艙發送動作指令；里程輪用于計算從管道入口開始行走的距離；電池艙給管道內整套檢測裝置供電；天線負責檢測機器人與地面控制裝置的通信。
 
 超聲波檢測技術的主要優點有：靈敏度高、穿透力強；無需對檢測結果進行評價即可得到缺陷的位置；適于較大壁厚管道的檢測；特別適用于裂紋的檢測；檢測成本低，現場使用方便；檢驗速度快且對人體無害。超聲波檢測技術也有一定的缺點：由于受超聲波波長的限制，對薄壁管道的檢測有一定的難度；由于超聲檢測需要耦合劑和接觸等原因，在檢測時一般要有聲波的傳播介質，如油或水等耦合劑，可靠性有待提高。
3.4 漏磁檢測法
漏磁(Magnetic Flux Leakage，MFL)檢測法是檢測管道腐蝕的一種重要方法。漏磁檢測器(英文簡稱MFL-Pig)，是目前國際上檢測油氣管道腐蝕應用歷史最長、技術最先進的檢測工具之一。
    漏磁檢測技術建立在鐵磁材料的高磁導率特性之上，其工作原理見圖5。當檢測裝置在管道內行走時，通過檢測器所攜帶的強力永久磁鐵將管道磁化，使管道上產生一個縱向的磁場回路。當管壁無缺陷時，磁力線絕大部分通過管壁，此時磁力線均勻分布；當管壁有缺陷時，磁力線發生彎曲，并且有一部分的磁力線穿出管壁以外產生漏磁。通過檢測和分析逸出管壁的漏磁通量，就可以確定管道金屬損失的程度以及位置。

    漏磁檢測技術使用的儀器主要是漏磁檢測器，由5部分組成[5]：檢測和控制倉體、電池和驅動倉、數據儲存倉；傳感器組件，包括溫度傳感器、壓力傳感器、內外腐蝕傳感器、里程輪傳感器、曲率斜度傳感器；記錄儀系統部分，包括微處理器主板、腐蝕處理系統、標記信號系統、通信系統、壓力和溫度處理系統、里程輪系統；數據處理系統；標記同步系統。
    漏磁檢測技術是一種多功能的無損檢測技術，與常規檢測方法相比，漏磁檢測具有以下優點：操作簡單、檢測速度快、檢測費用較低；對管道輸送介質不敏感；可以覆蓋管道斷面的整個圓周；檢測結果定量明確、可靠性高；在線檢測能力強、自動化程度高；對于磁導率高的金屬材料，漏磁檢測技術不僅能夠檢測出金屬材料表面的缺陷，還能檢測出管壁內部的裂紋；與超聲波檢測技術相比，最大的優點是漏磁檢測技術不需要耦合劑。
    漏磁檢測技術的缺點是：檢測精度隨管壁厚度的增大而降低；測量厚度時不如超聲波檢測簡便；不能檢測沿管道軸向分布的裂紋；容易產生虛假信號。
    漏磁檢測技術在管道檢測中的主要應用是對金屬管道缺陷的定位、定量以及定性檢測，適于檢測中小型管道，且壁厚不宜太大。對于直徑比較小的管道，適用的最大壁厚為12～15mm；對于直徑比較大的管道，適用的最大壁厚約30mm，檢測精度一般為壁厚的10%。漏磁檢測技術的檢測速度為4～5m/s，軸向定位誤差范圍可達±0.1mm，可信度約80%。適用于最小腐蝕深度為10%～20%壁厚的腐蝕狀況檢測∞·。
    美國、英國、加拿大、日本、德國等國在漏磁檢測方面的理論研究和實際應用都比較早，在深入理論研究的同時將這項技術應用到了實際生產中，并取得了良好的效果。美國的TUBOSCOPE公司、VETC0公司、AMT公司、英國的ADVANTICA公司、中國石油天然氣管道局管道技術公司都研制有漏磁檢測器。
4 結論
    ① 紅外熱像儀適合分辨熱力管道的壁厚減薄、保溫層脫落和接頭損壞缺陷，適合作為可通行管溝敷設熱力管道缺陷的初步篩查。
    ② 分布式光纖測溫系統可沿熱力管道并行敷設，且敷設方便。具有連續、實時、安全、可擴展的特點，具有較好的市場發展潛力，建議設計熱力管道時考慮同時設計此系統。
    ③ 管道內檢測技術，如CCTV管道檢測法、超聲波檢測法、漏磁檢測法等，是目前石油管道、化工管道、燃氣管道、給排水管道檢測的核心技術，技術含量高、產品成熟。但由于熱力管道的高溫、不可斷流、進出管道困難等原因，這些技術在熱力管道的應用受到極大限制。但對于停止供熱期間的快速檢測仍具有重大價值，建議有條件的單位進行嘗試。
參考文獻：
[1] 馬孝春，劉寶林.地下管道非開挖修復技術[M].北京：地質出版社，2009：17-18.
[2] 石永春，劉劍峰，王文娟.管道內檢測技術及發展趨勢[J].工業安全與環保，2006，32(8)：46-48.
[3] 余美文.CCTV技術在馬尾快安片區排水管道整治中的應用[J].福建建設科技，2008(2)：44-45.
[4] 謝祖榮，盛沙，戴波.長輸管道超聲波智能爬機檢測系統[J].北京石油化工工學院學報，2004，12(3)：19-21.
[5] 王玉忠，陳建蘭.漏磁檢測技術在我國管道中的應用[J].化學清洗，1998，14(5)：24-27.
[6] 范向紅，王少華，那晶.我國管道漏磁檢測技術及其成就[J].石油科技論壇，2007(4)：55-57.
 
(本文作者：劉榮1 李孝萍1 馬孝春2 1.北京市熱力集團有限責任公司北京 100026；2.中國地質大學北京 100083)