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基于声发射的油气管道腐蚀检测…
发布时间：2017-08-11 17:52编辑：pxaes阅读（）
引言
管道运输是目前运用最广、输送量最大、最可靠、最有效的油气运输方式。我国也大量采用油气管道运输石油和天然气。油气管道在投入运营后，随着服役时间的增长，油气管道自身受到环境的影响越来越大，管道的腐蚀问题就越严重。当油气管道腐蚀发展到一定程度时，如果不能及时发现和处理，可能会导致油气管道出现腐蚀泄漏、管道爆炸等生产事故。因此，对油气管道腐蚀状态的检测是目前亟待解决的问题，及时发现和处理管道腐蚀具有重要的经济效益和社会效益。
目前常用的油气管道腐蚀检测大多采用无损检测技术，包括超声检测、涡流探伤、漏磁检测等[1]。这类无损检测方法需要对管道进行逐段式扫描，而油气管道距离长，进行无损检测有一定困难。随着声发射技术的发展，声发射检测方法越来越多地应用于材料的腐蚀、疲劳、裂纹检测等。声发射技术灵敏度高，监测效率高[2]，可以同时监测一定范围内的管道工作状态。
1 声发射检测机理
如果建筑结构或者部件在受到一定力作用时，该结构或者部件会出现变形，此时因结构变形而产生的应变能会以弹性波的形式释放出去。声发射技术就是通过检测这种弹性波，识别结构或者部件是否发生变形、损伤。材料或结构发生变形时，不同弹性波的频率也将不同， 变形越大， 甚至出现断裂、裂纹等现象，则释放的弹性波越强，声发射设备检测到这些弹性波时，就会记录下来，从而进一步判断结构或者材料损伤状态。根据声发射技术的检测原理可知，声发射技术是一种材料或者结构损伤状态的无损检测，而且可以检测一定范围内材料或者结构的损伤状态[3]。
油气管道的腐蚀存在着多种方式。管道由于途径地域、服役环境的原因，与环境中的水、气、矿物质成分等发生接触和反应，其中，管道材料的电化学腐蚀可以认为是一种化学或者电化学的反应。油气管道发生电化学腐蚀时，管道的材料会出现变化，这种变化会释放能量，产生弹性波，声发射设备检测到该弹性波后，输出声发射信号。管道发生其他腐蚀现象（如氢鼓泡），也伴随着能量的释放，也产生声发射信号。
除了油气管道的多种腐蚀过程会释放能量，产生声发射信号之外， 由管道的腐蚀引起的其他现象，也会导致产生声发射信号。例如，随着管道服役时间的增加，因油气管道的腐蚀，管道表面会形成腐蚀层，当腐蚀层增加到一定程度时，腐蚀层会出现脱落，此时会伴随着声发射信号。另外，在油气管道腐蚀过程中，管道表面所产生的化合物、气泡的吸附、脱附等， 均会产生声发射信号， 据测算，大概可以产生几百微伏声发射信号。从材料的微观结构分析，当油气管道发生腐蚀现象时，管道材料微观结构结晶转化或结晶脱落，都会产生几十毫伏的声发射信号。
综上所述，在油气管道的腐蚀过程中，一直会产生声发射信号，而油气管道不同的腐蚀形式、腐蚀强度，将会产生不同频率、幅值的声发射信号。因此，通过检测油气管道腐蚀时所释放的声发射信号，分析信号的特征，提取出跟油气管道腐蚀状态相关的信号特征数据，就可以判断出油气管道的腐蚀损伤状态。图1 所示为油气管道腐蚀的声发射检测原理。
2 声发射信号分析
油气管道腐蚀可以产生声发射信号，当检测到声发射信号后，需要对信号进行分析、处理，根据声发射信号的特征，提取出不同腐蚀状态、腐蚀强度下的声发射信号的特点。
由油气管道腐蚀时声发射信号的特点可见，腐蚀所释放的声发射信号属于一种波形信号，目前大部分的波形信号分析方法也可以用于声发射信号的分析中。在本文中，将采用两种方法来分析油气管道腐蚀的声发射信号：①声发射信号的时域特征分析；②声发射信号的频域特征分析。
2.1 声发射信号时域特征分析
根据发射信号的时域分析方法，提取时域特征参数。时域特征参数分为有量纲参数和无量纲参数两种，表1 列出了一些常用的时域特征参数的概念和计算方法。
采用表1 所示的参数计算方法，可以计算得到对应的管道声发射信号的时域特征参数，观察油气管道在不同腐蚀条件、腐蚀性质和腐蚀强度下的各参数的变化情况。
2.2 声发射信号频域特征分析
油气管道的声发射信号频域分析主要是对不同腐蚀情况下声发射信号的频率信息进行分析。根据管道腐蚀时声发射信号的产生机理，可以确定不同程度的腐蚀状态下所产生的声发射信号在信号幅值、频率、能量等方面存在的区别。
在波形信号的频域分析方法中，常用的频域分析方法主要有傅里叶变换和小波分析，傅里叶变换的定义为：
式中 f (t) 为原始信号。
经过变换之后，就可以得到声发射信号在频域上的分布情况，从而获取声发射信号的频率信息。应用傅里叶变换的前提条件是声发射信号能够满足狄里赫利条件， 即在一个周期内具有有限个间断点，而且在这些间断点上，函数是连续的；在一个周期内有有限个极值点，而且绝对可积。本文所采集到的油气管道声发射信号符合进行傅里叶变换的条件。
3 腐蚀检测应用
采集实际油气传输管道在不同的腐蚀状态下的声发射信号数据。选择某区段油气管道，管道规格为Ø720 mm × 10 mm， 该油气管道的初始壁厚为8.0 mm。分别测量了该管道3 种腐蚀状态下的声发射信号数据：①管道腐蚀深度为1.0~2.5 mm；②管道腐蚀深度为2.5~4.5 mm；③管道腐蚀深度为4.5~5.5 mm。在油气管道检测过程中，当检测到管道腐蚀深度大于5 mm 时， 管道就被认定为严重腐蚀，需要更换和维护。
对于3 种不同的油气管道腐蚀声发射信号，分别进行了时域分析和频域分析[4]。根据时域分析结果，3 种状态下的声发射信号区别并不明显，无法有效区分。而3 种声发射信号的频域分析结果显示，在不同的腐蚀状态下，3 种腐蚀状态的声发射信号频率存在很大的差异，因此可以根据声发射信号的频率信息，判断出油气管道的腐蚀状态。利用油气管道在3 种不同的腐蚀状态下的声发射信号及其频率信息，可以成功地检测出油气管道的腐蚀情况，并可以根据声发射信号的分析结果，确定油气管道具体的腐蚀状态，从而确定正确的管道维护策略，预防油气管道发生泄漏等事故。
4 结语
为了预防和避免油气管道泄漏事故的发生，在石油、天然气的运输过程中，油气管道的腐蚀检测非常重要。在现代无损检测技术中，针对油气管道管线长、环境复杂、管道封闭的情况，声发射技术是非常有效、实用、性价比高的油气管道腐蚀检测技术。本文分析了油气管道腐蚀过程中声发射信号产生原理和声发射信号分析方法，利用现场实际采集的声发射信号数据，分析油气管道的腐蚀情况，证明声发射技术可以有效地应用于油气管道的腐蚀检测。
参考文献
[1] 冯小刚，张绍鹏，单国平，等．埋地管道PCM 及超声导波检测技术[J]．油气田地面工程，2015，34 （1）：79-80.
[2] 张伟成． 无损检测新技术[J]． 油气田地面工程， 2008， 27（2）：76-77.
[3] 张虹．管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究[D]．天津：天津大学，2007：11-12.
[4] 王朝晖，张来斌，辛若家，等．声发射技术在管道泄漏检测中的应用[J]．中国石油大学学报：自然科学版，2007，31 （5）：87-90.
杨洪银1 王泽旭2 陈祎平1 代召卫3 梁春宇3
1 海南大学材料与化工学院2 北京邮电大学计算机学院3 华北油田采油二厂
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