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通过管道输送石油和天然气是全球能源基础设施的一个重要组成部分。确保这些管道的安全性和完整性至关重要，一种方法是使用智能清管器（SmartPig）。本文综述了油气管道中使用的各种检测技术及其工作原理。讨论了可与“SmartPig”用于在线检测的每种传感器技术的优点和局限性。在这种情况下，研究了超声检测、电磁声波检测、涡流检测、漏磁检测和机械接触检测传感器。通过对环境影响的分析，结果表明使用在线检测不仅在维护管道的安全性和可靠性方面十分重要，它还可以带来环境效益。本研究进一步揭示了在线检测与环境之间的关系。
石油和天然气是全球主要的能源。美国能源消耗数据显示石油占消耗能源总量的35%，天然气占23%。而能源的运输环节在整个能源开发中占重要地位。管道被认为是运输石油和天然气资源最有效的方式。造成管道事故的主要原因是腐蚀、沟槽、凹痕、管体制造缺陷、焊缝缺陷、开裂等。必须使用管道完整性程序来维持气体供应并防止事故发生。管道完整性评估的方法包括静水压力测试、直接评估和在线检测。但唯一不会对管道完整性构成直接威胁的检测技术是在线检测。SmartPig是在线检测行业中最受欢迎的检测机器人工具，其运行时间长，具有与多种传感器技术兼容性强等特点。然而在现有文献中，SmartPig类型及其传感器技术尚未在历史发展和混合传感器拓扑等方面进行全面评估。本文基于这些方面系统分析了油气管道完整性在线检测工具与技术及对环境的影响，研究结果对管道完整性评估与管理有重要指导意义。
管道可能会受到操作失真的影响，例如压力波动、机械力过大、工艺差或第三方损坏。这些变形是管道中几何变形的主要来源。Torres和Piazza开发了一种新的工程工具，用于使用有限元分析对凹痕进行完整性管理。文献中还有其他关于几何变形管理和表征的研究。然而，检测几何变形的最常见的工具是带有机械接触探头的SmartPig。
管道中金属损失包括生锈、气蚀和腐蚀，这些原因是主要来源。其中，腐蚀是影响油气管道安全的最重要问题之一，约占所有设备故障的30%。腐蚀会不断降低管壁厚度，并且会显著加速泄漏的形成。
由于管道经常暴露在自然环境中、会受外部载荷和地面运动等因素影响，进而引起管道开裂。此外，裂缝通常以混合形式（如腐蚀裂纹、凹痕裂纹等）出现在石油和天然气管道中。超声波探伤已被证明是管道裂纹检测最合适和最可靠的技术。然而，超声波探伤技术的应用需要液体介质。因此，电磁声波传感器在天然气管道中被用作超声波探伤技术的替代品。
超声波检测通常使用手持式探头进行，探头发出的声波穿过材料并反射回探头。测量声波穿过材料并反射回探头所需的时间可用于检测材料中的异常。与其他技术相比，超声是目前最可靠的在线检测技术。然而，由于其方法的局限性，它仅用于液体介质。此外，由于传感器难以耦合到管壁，所以清管球不能加速到高速状态。同时超声波检测的数据存储一直是一个问题，因为超声波检测工具包含太多的传感器系统。在这种情况下，减少超声数据可能是解决方案。研究表明基于FPGA的架构技术是最有效的方法，平均数据减少96.5%。
电磁声波检测是一种超声波检测方法，它不使用探头便可在被检测材料中产生超声波。电磁声波传感器利用电磁场产生超声波，该磁场由流过线圈的电流产生。电磁场激发被测材料的表面，使其振荡。当表面振荡时会产生沿着材料表面传播的超声波。电磁声波传感器中的接收器电路检测这些超声波，并使用波的频率、幅度和其他特性来表征异常。与其他基本的在线检测技术相比，电磁声波检测技术相对较新。电磁声波检测不需要任何耦合液。因此，它可用于液体和气体管道。电磁声波检测技术是检测、识别和确定混合异常的可靠和准确的方法。同时降噪是提高电磁声波传感器系统可靠性的关键步骤，可以使用信号处理方法来降低噪声。
涡流检测方法仅适用于导电物质。当涡流传感器用于测试天然气管道或其他导电结构时，传感器会产生穿透材料表面的电磁场。当该磁场与导电材料相交时，在导电材料中感应出电磁涡流。如果材料中存在任何缺陷，它们会破坏涡流的流动，依此可以识别异常的位置和大小。涡流还提供非接触式检测，但与电磁声波传感器技术一样，由于工具的非接触性质，表现出了提离效应。远场涡流（RF涡流）具有在金属管道异常检测中不受表面效应和材料特性影响等优点。但是，RF涡流探头的尺寸很大，传感线圈接收到的信号很弱。She等人为RF涡流提出了一个新的配置。由于这种新配置，探头尺寸减小，传感线圈接收到的信号得到加强。
漏磁检测传感器通常由永磁体和传感器线圈组成，永磁体在材料内产生磁场。如果材料中有缺陷，会破坏磁场并导致漏磁。然后通过传感器线圈检测漏磁，从而确定材料中的异常和位置。与其他检测方法相比，漏磁检测相对快速且便宜。它可以方便地确定异常的位置和方向以及它是在管道内部还是外部。漏磁检测技术的成功取决于许多参数。其中一个参数是灵敏的磁传感器。Pham等人开发了用于漏磁检测的平面霍尔磁阻传感器。结果显示，对磁场的双极性和线性响应、高灵敏度和低热漂移有所改善。Chen等人用三维有限元方法研究了四种不同腐蚀异常的漏磁检测信号。结果表明，腐蚀的相对位置会影响漏磁检测信号的幅度。
机械接触检测工具包含机械臂、磁性编码器和弹簧系统。弹簧系统将机械臂推到管道的内壁上。大多数机械接触检测工具用于识别管线几何形状。除此之外，机械接触检测传感器还可以检测管壁中的任何几何异常以及测量管道壁与管道内可能存在的任何物体之间的距离。在机械接触检测工具中，选择编码器至关重要。传统机械接触检测工具的缺点之一是机械臂在工作条件下的动态行为。有三种不同类型的机械臂，分别为轮子、臂和探头，它们都具有不同的动态行为。Paeper等人设计了一种非接触式测量技术，以解决传统机械臂的动态缺点。该技术是一种机电一体化臂，带有传统的机械臂和非接触式的传感器。因此，传感器可以检测到管道中的几何异常，例如凹痕或皱纹，从而提供全面的形状信息。
管道异常会导致管道破裂，从而引发油气等有害液体泄漏。这些泄漏导致大量石油泄漏并对环境造成了严重的污染。由于在线检测技术的发展，管道事故大大减少。这说明在线检测技术大大减少了危险液体泄漏的数量。
Siler-Evans等人分析了1968~2009年在美国发生的管道事故数据，发现危险液体管道事故的数量在过去四十年中显着下降，导致危险液体泄漏的年度数量减少了4倍。PHMSA关于2010~2020年间美国影响人类或环境的石油管道事故的统计数据也支持这一点。每十亿桶-英里运输的泄漏率如图1所示。尽管自2010年以来，每十亿桶-英里运输的泄漏率一直在波动，但整体趋势处于下降趋势。
（1）在线检测对石油和天然气管道行业的可持续性至关重要。在线检测技术的进步会使管道的故障和寿命预测更准确，进而防止环境破坏和经济损失。本文分析了使用在线检测工具对环境的影响，揭示了有害液体泄漏量的趋势。
（2）对能源的需求不断增长，会导致世界各地对新管道的建设不断增多。由于管道规模增加，管道破裂对生命、环境或经济造成影响的可能性也增大，因此在线检测技术必须继续发展。
（3）业内最需要的在线检测传感器技术仍然是用于金属损耗的漏磁检测，用于裂纹的超声波检测和用于几何变形的机械接触检测。由于电磁声波传感器技术的优势明显，电磁声波传感器技术在在线检测方法中越来越受欢迎，并可能在未来主导SmartPig市场。
（4）电磁声波传感器在检测金属损失方面非常有效，并且能够检测其他类型的异常，例如裂纹和几何变形。电磁声波传感器检测的非接触式特性允许在不需要清洁或关闭管道的情况下进行检测，从而节省时间和资源。但总的来说，由于数据分析的复杂性以及卡管现象，SmartPig在时间和资源方面存在固有的问题。因此，在线检测市场将来可能会被检测球等新的廉价产品所分享。
来源：中国国际管道大会
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