石油天然气运输是我国五大运输产业之一，对国民经济发展起支柱性作用，近些年发展迅速。然而油气管道受环境、气候、介质、施工质量等因素影响易产生缺陷，轻则导致泄漏，重则发生爆炸事故，影响国民经济与生命财产安全，因此必须对缺陷进行检测和及时修复。
内检测技术是国内外识别管道缺陷和监测服役状况的主要手段，该技术可分为几何变形检测、漏磁检测、超声测厚（裂纹）检测、涡流检测和中心线检测等方法，目前国内主要采用清管+几何变形检测+漏磁检测+中心线检测的组合方法进行检测。
内检测实施前需调查管道概况、收发球装置、管道附件及工艺参数并进行安全分析，但是部分管道受资料不全、施工不规范、缺乏管理、未实施过清管及检测等因素影响，可能存在未知的超限凹陷变形、椭圆度、阀门开度异常、斜接、伸入物等情况，易造成漏磁检测器卡堵或检测数据不完整。而为保障漏磁内检测顺利进行，几何变形检测信号识别及风险评估是至关重要的。
基于此，中国特种设备检测研究院和中特检管道工程（北京）有限公司的研究人员从几何变形检测原理和信号识别入手，研究影响漏磁检测器通过性的典型缺陷信号特征，探讨变形缺陷导致的漏磁内检测实施风险，最后提出缺陷处理措施及建议，为几何变形信号识别和漏磁检测可行性判定提供技术支撑。
几何变形检测方法
检测原理
几何变形检测的基本原理是通过判断机械探臂是否发生下压或舒张来识别管道变形。其检测时，利用检测器筒体上可转动的弹性机械探臂和转轴中心的角度传感器，记录探臂与管道轴线夹角θ的变化，从而得到探臂下压或舒张时与管壁的距离，然后计算出变形大小。
理想情况下，检测器筒体与管道同轴，若无几何变形，检测器探臂均紧贴管壁并形成一致的夹角，变形为0%ID（ID为管道内径）；但若存在凹陷、开孔等引起内径变化的特征时，θ会变小或变大。
几何变形检测原理如下图所示。角度传感器检测的信号经过适当放大、模数转换等处理后被采集并存储在几何变形内检测器机芯储存器中。检测完成后，对数据进行处理、识别和判读，可获取包括几何变形缺陷在内的其他管道的特征信息。
几何变形检测原理示意
几何变形检测器可根据记录的里程值、码盘值、各通道内径测量值等，精确量化变形的深度、长度和环向位置。缺陷的长度精度取决于采样频率和里程轮运行情况，宽度和深度精度取决于探臂的周向间距和角度传感器精度。
几何变形信号分析与识别
几何变形数据可采用专业分析软件进行分析和判读。几何变形信号反映了管道内径变化信息，包括几何变形缺陷、焊缝、阀门、三通、法兰、弯头等相关特征。
管道特征可分为内径增大和内径减小两大类。管道无内径变化时，信号为一条直线；如存在三通、支管等内径增大特征时，变形信号下凹，若存在凹陷变形、伸入物等内径减小特征时，变形信号上凸，如下图所示。
内径变化时的几何变形信号
例如，环焊缝因存在余高，内径减小，信号上凸；三通因存在通孔，内径增大，信号下凹，如下图所示。借助环焊缝和三通信号特点，再利用机械探臂受压或舒张时信号上凸、下凹一致性原则，可识别管道中的其他几何变形特征。
环焊缝和三通的变形检测信号
关键变形信号识别与分析
对几何变形检测数据进行分析，可判断管道是否存在影响实施漏磁检测的变形特征。这些特征可分为管道本体变形和附件异常两大类。管道本体变形包含凹陷、褶皱、椭圆度变形、斜接及异物伸入等；附件异常包含阀门开度异常、变径、特殊三通及仪器仪表故障等。
1、管道本体变形
1）凹陷
凹陷为外力撞击或挤压造成的管道表面曲率明显变化的局部塑性变形。按形成阶段可分为服役前与服役后凹陷，服役前凹陷主要是制造或运输过程中操作不当所致；服役后形成凹陷的原因有管底存在硬物（石头等）、第三方机械破坏、地质灾害等。凹陷信号特点如下图a所示，外观如下图b所示，可见周向或轴向信号均呈中间最高，两侧逐渐降低的趋势；由开挖图可知该缺陷位于底部且没有硬物，判断为外力冲击所致。
2）褶皱
褶皱为管子外壁光滑而局部凸起的部分。形成原因为管道承受外力且未得到有效释放，如管道强组对、服役过程中塌方、不均匀沉降等，其信号特点如下图c所示，可见信号与波浪相似，存在多处连续凸起；下图d为开挖图，可见该褶皱发生在焊缝两侧，为管道安装时强组对产生的管系应力所致。
3）椭圆度变形
椭圆度为管道横截面偏离正常圆形的程度，其计算公式为：椭圆度(%)=(最大直径-最小直径)/公称直径。其为管道制造、运输及运行过程中的外部荷载所致，信号特点如下图e所示，可见上凸信号与下凹信号相差90°，而正常的弯头信号相差180°；下图f为开挖图，初步判断该椭圆度变形为管道热煨加工不规范所致。
4）斜接
斜接为焊缝两侧管道中心线不在同一条直线上，而是成一定角度的接头形式。斜接形成原因分为设计不合理和施工不规范，其信号特征如下图g所示，可见信号曲线呈三角波形，一部分通道信号上凸、另一部分信号下凹且呈对称分布，与探臂一侧受压另一侧舒展相对应；开挖结果如下图h所示，判定为未按设计施工所致。
5）异物伸入
伸入管道的异物有金属物、木楔子等。异物伸入主要分为两类：第三方施工破坏导致管壁金属向内延伸；管道泄漏后修复不规范，采用木楔子、钢筋等进行堵漏修补。异物伸入信号特征如下图i所示，可见凸起信号尖锐且通道较少；下图j为现场开挖情况。
2、管道附件异常
1）阀门开度异常
阀门开度异常分为阀门未全开和开度过大。产生原因为阀门故障、手动阀门改电动后行程不一致等，其信号特征如下图a所示，图中1处位置先上凸后下凹，2处位置先下凹后上凸，且两处信号对称分布，与阀门未全开或过度打开对应；下图b为阀门开度过大的指示图。
2）管道变径
变径又称大小头，即管道直径发生变化，发生缩径或扩径。变径一般出现在施工不规范的老旧管道、海底管道及集输管道中。其信号特征如下图c所示，可见管道底部通道信号不变，其余通道都有凸起，与检测器从球筒进入直管段探臂逐渐受压对应；下图d为偏心发球筒处变径外观。
3）特殊三通
特殊三通是指管道存在不合规封堵三通、Y型支管或未知支管。封堵三通的鞍形板未正确安装易造成检测器探头损坏或卡堵。Y型支管或未知支管为插输、插分的支线或预留支管，易造成设备停球、卡堵及进入支线。下图e为正常的封堵三通信号，曲线全部下凹形成一个椭圆形；下图f为封堵三通外观。
4）仪器仪表故障
仪器仪表故障为仪表支管伸入管道内部过深或金属探测杆不能正常回弹。常见的仪表为压力表、温度计、过球指示器等。下图g为过球指示器信号，信号呈单峰且非常尖锐；下图h为过球指示器外观。
风险分析
漏磁内检测器受几何变形影响易出现卡堵、停球、设备损伤、探头及线路损坏等情况。
1、卡堵
漏磁内检测器主要由电池节、永磁励磁节和工控计算机节组成。为保证管壁磁饱和与识别精度，永磁励磁节一般按直管段15%ID的通过能力设计，因此该节最容易发生卡堵。凹陷、褶皱、椭圆度、异物伸入、阀门开度、管道变径、封堵处鞍形板错位及仪器仪表金属探测杆故障等导致卡堵的情形如下图a所示，即缺陷处内径小于磁钢和钢刷压缩后的外径。漏磁内检测器也可能因斜接发生卡堵，如下图b所示，即永磁励磁节受到驱动力F牵引时，A，B位置钢刷都达到压缩极限而无法转动。
漏磁内检测器卡堵示意
2、设备损伤及停球
管道内部存在障碍物时，易造成皮碗划伤、撕裂、过度磨损和设备机械结构损伤，严重时会导致电池节失去驱动能力而停球和设备发生断裂解体。停球的原因为驱动节泄流，流体压差小于检测器的摩擦阻力。另外，漏磁内检测器通过管道特殊支管时，介质从支管流出，也会导致驱动力不足而停球。
3、探头及线路损坏
管道存在变形时内径减小,探头之间会相互挤压，再加上与障碍物撞击，探头极易损坏。探头损坏会导致检测数据不全。SY/T 6597-2018《油气管道内检测技术规范》规定：之前检测过且运行历史良好的管道，传感器通道数据丢失总数应不大于2%；首次检测管道或高风险管道，可接受的通道数据丢失应小于1%，且不应有2个以上相邻通道的数据同时丢失。此外，若电源线、探头连接线、数据转接线等发生损坏或短路，可能会导致内检测器工作故障、数据大量丢失，需要重新检测。
几何变形缺陷处理措施及建议
对可能影响漏磁内检测通球的变形信号进行分析和开挖验证，全面掌握缺陷所处位置和实际变形程度等信息后，按下表进行处理。
表1 变形缺陷导致的风险及处理措施
管道本体变形
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几何变形特征
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漏磁内检测实施风险
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风险控制
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超限处理措施
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凹陷
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卡堵、探头损坏
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直管管径≤15%ID、弯头≤10%ID
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释放应力后不回弹则换管
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褶皱
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卡堵、探头损坏
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直管管径≤15%ID、弯头≤10%ID
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释放应力后不回弹则换管
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椭圆度
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卡堵、探头损坏
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内径减小侧≤10%ID
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换管
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斜接
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卡堵
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模拟检测器通过性
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换管
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异物伸入
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卡堵、停球、探头损坏及设备损伤
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不允许
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换管、取出异物并修复
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管道附件异常
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几何变形特征
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漏磁内检测实施风险
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风险控制
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超限处理措施
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阀门开度异常
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卡堵、停球、探头损坏及设备损伤
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不允许
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调整开度或更换阀门
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变径
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卡堵、探头损坏及停球
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不允许
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换管或采用专用漏磁检测器
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特殊三通
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卡堵、停球、探头损坏及设备损伤
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不允许存在错位鞍形板
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调整鞍形板或更换封堵，检测时调整支线输量
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仪器仪表
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卡堵、探头损坏、设备损伤
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不允许
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修复或更换仪器仪表
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结语
(1) 基于几何变形检测技术原理，利用信号上凸、下凹一致性原则，判断管道内径变化、识别管道信号特征，并结合信号轴向距离、周向占比通道、幅值来评估特征的长度、宽度及深度。
(2) 利用信号曲线幅值变化、通道数、钟点等分布规律，结合现场开挖，分析了影响管道漏磁内检测通球的管道本体变形和附件异常的信号特点和产生原因，为今后几何变形内检测数据分析与信号识别提供技术支持。
(3) 阐述了变形缺陷导致漏磁内检测器卡堵、停球、检测器损伤等的原因，提出了处理措施与建议，为消除安全隐患及顺利实施漏磁内检测提供帮助。
