管道內、外腐蝕的直接評估在輸氣管道完整性評價中的聯合應用
2022-02-07 01:47:28
changyuan
隨著(zhu)我國(guo)油氣管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)鋪設里程的(de)逐年激(ji)增(zeng)，管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)泄漏事(shi)故發生的(de)頻率呈現遞增(zeng)趨勢(shi)。為確保管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)服役安全(quan)，國(guo)家頒布了《石油天(tian)然(ran)氣管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)保護(hu)法(fa)》、《安全(quan)生產法(fa)》和《環境保護(hu)法(fa)》修訂(ding)版(ban)以及《特種設備(bei)安全(quan)法(fa)》等(deng)，以對管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)管(guan)(guan)(guan)(guan)理提出要求，長輸管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)完整性管(guan)(guan)(guan)(guan)理也隨之受到越來越多的(de)重(zhong)視(shi)，成為保障安全(quan)生產、提升管(guan)(guan)(guan)(guan)理水平和降本(ben)增(zeng)效(xiao)的(de)重(zhong)要措(cuo)施。
長(chang)輸管(guan)(guan)道(dao)完整性(xing)管(guan)(guan)理是(shi)管(guan)(guan)道(dao)管(guan)(guan)理者針對不(bu)斷變化的(de)管(guan)(guan)道(dao)服(fu)(fu)役影響因(yin)素(su)，對管(guan)(guan)道(dao)面臨(lin)的(de)風(feng)(feng)險因(yin)素(su)進(jin)行識別和評價，不(bu)斷改(gai)善不(bu)利(li)于管(guan)(guan)道(dao)服(fu)(fu)役的(de)影響因(yin)素(su)，采取各種風(feng)(feng)險減(jian)緩措施(shi)，將風(feng)(feng)險控制在合理、可接受的(de)范圍，最終達(da)到持(chi)續改(gai)進(jin)、減(jian)少管(guan)(guan)道(dao)事故、經(jing)濟合理地保證(zheng)管(guan)(guan)道(dao)安(an)全運行而(er)進(jin)行的(de)一系列管(guan)(guan)理活動(dong)。
根據GB 32167-2015《油氣(qi)輸(shu)送管(guan)道完整(zheng)(zheng)性管(guan)理(li)(li)規(gui)范》要求，完整(zheng)(zheng)性管(guan)理(li)(li)包括：數據采集與(yu)整(zheng)(zheng)合、高(gao)后果(guo)區識別、風(feng)險評(ping)價、完整(zheng)(zheng)性評(ping)價、風(feng)險消減與(yu)維(wei)修維(wei)護、效能(neng)評(ping)價等六(liu)個環節(jie)，核(he)心工作是(shi)借(jie)助(zhu)智能(neng)內檢測、直接評(ping)估和水(shui)壓試驗三種工具及時(shi)掌握管(guan)道當前的(de)狀態以(yi)及缺陷發展的(de)趨勢。
下(xia)面將論述直接評(ping)(ping)(ping)估法在管道(dao)(dao)(dao)完整(zheng)性(xing)管理(li)中(zhong)的應用(yong)，包(bao)括管道(dao)(dao)(dao)內腐(fu)蝕(shi)直接評(ping)(ping)(ping)估與外腐(fu)蝕(shi)直接評(ping)(ping)(ping)估聯(lian)合使用(yong)的技術(shu)優勢(shi)和(he)實施流程，通(tong)過(guo)我國北方某(mou)條跨省長輸管道(dao)(dao)(dao)內、外腐(fu)蝕(shi)直接評(ping)(ping)(ping)估及開挖(wa)結果驗證這兩種評(ping)(ping)(ping)估技術(shu)聯(lian)合使用(yong)的效(xiao)果，以期為類似需要開展完整(zheng)性(xing)評(ping)(ping)(ping)價的管道(dao)(dao)(dao)提(ti)供借(jie)鑒(jian)。
直(zhi)接評估技術的(de)優(you)勢
目前常用的(de)管道(dao)完整(zheng)性評(ping)價方法主要包括：內(nei)檢(jian)測、水壓試驗和直接評(ping)估(gu)，基于上述(shu)評(ping)估(gu)方法獲取的(de)管道(dao)系統(tong)數據，可開展管道(dao)剩余(yu)強度評(ping)估(gu)或剩余(yu)壽命預測。由(you)于這(zhe)些方法的(de)原理存(cun)在(zai)差(cha)異，其在(zai)使用中各有優缺點。
內檢(jian)測(ce)基于漏(lou)磁（MFL）、超(chao)聲（UT）技術，能(neng)最直觀地發(fa)現管道(dao)(dao)(dao)缺陷，是(shi)完(wan)整性(xing)評(ping)價的最佳手段，另一(yi)方面，內檢(jian)測(ce)對管道(dao)(dao)(dao)系統的結構(gou)要求最高(gao)，被檢(jian)測(ce)管道(dao)(dao)(dao)需有完(wan)整的收發(fa)球裝置，管道(dao)(dao)(dao)全段要滿(man)足清管通球要求，檢(jian)測(ce)費(fei)用高(gao)昂，且(qie)存在卡(ka)球風險(xian)。
水壓試驗作(zuo)為管道竣(jun)工(gong)驗收的工(gong)序，用于在(zai)役管道的完整(zheng)性檢測，試驗前管道需(xu)停輸(shu)，且該技(ji)術(shu)僅可發現(xian)臨(lin)界缺陷，試驗壓力、增(zeng)壓程序、保護程序、應(ying)急(ji)程序等要求較高，漏點查找也相對困難。
直接評估法主要基(ji)于現場檢(jian)驗(yan)、模擬計算(suan)和開挖驗(yan)證(zheng)，無需(xu)(xu)變(bian)更管(guan)(guan)道(dao)工藝(yi)狀態，在保(bao)證(zheng)缺(que)陷(xian)發現率的(de)前提下，工作量少、風(feng)險(xian)小、費(fei)用低(di)，適(shi)用于氣管(guan)(guan)線(xian)、低(di)含水(shui)率油(you)管(guan)(guan)線(xian)或油(you)水(shui)混輸管(guan)(guan)線(xian)。該方法對管(guan)(guan)道(dao)歷(li)史工藝(yi)參(can)數、介質流動和腐(fu)(fu)蝕(shi)數據(ju)的(de)完備性和準確性要求高，適(shi)用于存(cun)在腐(fu)(fu)蝕(shi)風(feng)險(xian)但因(yin)內(nei)穿插、變(bian)徑等因(yin)素無法清(qing)管(guan)(guan)或需(xu)(xu)要進行腐(fu)(fu)蝕(shi)缺(que)陷(xian)根源分析的(de)管(guan)(guan)道(dao)。
直接評估數據挖(wa)掘與對齊(qi)
管(guan)道(dao)(dao)內腐蝕(shi)直(zhi)接(jie)評估是基于管(guan)道(dao)(dao)工藝臺(tai)賬和(he)歷史腐蝕(shi)狀(zhuang)態(tai)的，因此挖掘預(yu)評價和(he)間(jian)接(jie)評估階段的相關數(shu)(shu)據(ju)對(dui)評價結果有(you)較(jiao)大(da)影響，評估時需要盡可能多獲取管(guan)道(dao)(dao)的歷史工藝參數(shu)(shu)，詳見表1。
表(biao)1 預評估階段的(de)數據采集要求
管(guan)(guan)道內(nei)(nei)、外腐(fu)(fu)蝕直接(jie)評(ping)估聯合使(shi)用時，除了需要上述管(guan)(guan)道的(de)(de)基本運行參數，還需獲得與(yu)里(li)程對應的(de)(de)管(guan)(guan)道高程、埋(mai)深以及(ji)防腐(fu)(fu)蝕層狀(zhuang)態數據(ju)，基于管(guan)(guan)道高程和埋(mai)深計(ji)算管(guan)(guan)道基線的(de)(de)高程，并(bing)計(ji)算管(guan)(guan)道全線傾斜角(jiao)度。最終通過(guo)管(guan)(guan)道里(li)程數據(ju)實(shi)現內(nei)(nei)、外腐(fu)(fu)蝕風險點的(de)(de)數據(ju)對齊，與(yu)管(guan)(guan)道里(li)程對應的(de)(de)相關參數整理路線見圖1。
圖1 與管(guan)道(dao)里程對應(ying)的管(guan)道(dao)內、外腐蝕風險(xian)點數(shu)據(ju)對齊路線
實施流程
當(dang)前的(de)管(guan)道(dao)內(nei)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)直(zhi)接(jie)評估主要參考NACE SP0206（適用正常條件下(xia)輸送干氣但(dan)可(ke)能(neng)會遭受(shou)到(dao)非經常性的(de)短期液(ye)(ye)體(ti)侵擾(rao)管(guan)道(dao)），NACE SP0110（未脫(tuo)水(shui)或有游離水(shui)浸入，具(ju)有較大氣液(ye)(ye)比介質管(guan)道(dao)）的(de)理論依據是(shi)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性水(shui)在管(guan)道(dao)中的(de)積聚是(shi)引(yin)起管(guan)道(dao)內(nei)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)先決條件，管(guan)道(dao)積水(shui)與腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)位置如圖2所示，水(shui)平(ping)管(guan)與傾(qing)斜(xie)下(xia)降管(guan)通(tong)常不會積液(ye)(ye)；在傾(qing)斜(xie)上升管(guan)中，重(zhong)力阻滯液(ye)(ye)體(ti)向(xiang)下(xia)游流動，會發生積液(ye)(ye)，從而引(yin)起內(nei)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。基于上述原理，內(nei)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)直(zhi)接(jie)評估就是(shi)沿著管(guan)道(dao)詳細(xi)檢查最有可(ke)能(neng)積水(shui)（或其他電(dian)解液(ye)(ye)）的(de)部位，由此(ci)推斷下(xia)游剩余管(guan)段的(de)完整性。
圖2 管道積水與腐蝕示意(yi)圖
腐蝕部位(wei)預(yu)測的(de)目(mu)標是在一(yi)定的(de)管(guan)段(duan)區間(jian)內，基于現場間(jian)接檢(jian)測或(huo)模擬計(ji)算結果預(yu)測最可能發(fa)生腐蝕的(de)位(wei)置，主要流程涉及預(yu)評(ping)(ping)估、直接評(ping)(ping)估、詳細檢(jian)查和后評(ping)(ping)價。
1 預(yu)評估
在預評價(jia)階段，需要收集管(guan)線歷(li)史、當(dang)前數據(ju)，以(yi)確(que)定評估區，并(bing)對直接評估（DA）方法的(de)(de)可靠性進(jin)行評估，數據(ju)來(lai)源包括施工記(ji)錄、操作(zuo)和維護歷(li)史、校(xiao)正表、具有覆層厚度的(de)(de)高程(cheng)圖(tu)、檢測記(ji)錄以(yi)及以(yi)前的(de)(de)完整性評估或(huo)維護操作(zuo)的(de)(de)檢測報告(gao)等。
2 直接評估
1）根據管(guan)道中心線相對高度計算目標管(guan)線傾角
利用高(gao)(gao)程(cheng)圖計(ji)算目標管(guan)道(dao)傾角(jiao)，以直接評(ping)估（DA）數(shu)據(ju)(ju)中單元點最小里程(cheng)單位，分析確定置信區間，根據(ju)(ju)管(guan)道(dao)里程(cheng)、高(gao)(gao)程(cheng)、路由(you)數(shu)據(ju)(ju)計(ji)算管(guan)道(dao)傾角(jiao)θ，θ正弦值(zhi)表(biao)示管(guan)道(dao)高(gao)(gao)程(cheng)Δh相對管(guan)道(dao)長(chang)度Δl的變化，其表(biao)示方法如下：
θ=arcsin（Δh/Δl）
2）預(yu)測液(ye)體聚集臨界角
內(nei)腐蝕直接評估結(jie)果的(de)(de)可(ke)靠性取(qu)決于(yu)(yu)利用流(liu)動模擬識別最有可(ke)能(neng)(neng)發生電解液(ye)聚集位(wei)置(zhi)的(de)(de)能(neng)(neng)力。管道內(nei)液(ye)相受到剪切應力和重力的(de)(de)共同作用最可(ke)能(neng)(neng)在傾(qing)斜管道處聚集，將(jiang)管道傾(qing)角(jiao)和流(liu)態模擬所預測的(de)(de)水聚集臨界角(jiao)進行(xing)比較，大于(yu)(yu)聚集臨界角(jiao)的(de)(de)第(di)一個傾(qing)角(jiao)即為水首(shou)先(xian)聚集的(de)(de)位(wei)置(zhi)，該位(wei)置(zhi)最有可(ke)能(neng)(neng)先(xian)遭受腐蝕，如圖3所示(shi)。
圖3 水在管道傾(qing)斜(xie)段的聚集示意(yi)圖
根據(ju)流體單位(wei)面(mian)積上的重力(li)與慣性(xing)應力(li)平(ping)衡方(fang)程(cheng)，計算輸氣(qi)管道電(dian)解質聚集臨界角，見下式：
式(shi)中：ρl和ρg分(fen)別表(biao)示液體和氣(qi)體密(mi)度；g為重(zhong)力；did為管(guan)道內(nei)徑(jing)；Vg為表(biao)觀氣(qi)體速度；α為水聚集臨(lin)界角(jiao)。
根據理想氣體方程PV=nRT，推導出管道內氣體的密(mi)度：
ρg=（MVP/RT）×10-6
式中(zhong)：MV為氣體分子量(liang)；P為管道(dao)內(nei)壓力；R為理想氣體常數，為8.314J·K·mol；T為管道(dao)內(nei)介質(zhi)溫度。
實際(ji)氣(qi)體密度(du)(du)的計算(suan)需引入(ru)一(yi)個(ge)修正系數，即壓縮因數z（表示實際(ji)氣(qi)體與理想氣(qi)體的偏離程度(du)(du)），該值可通過查詢獲得。評(ping)估采用最(zui)(zui)極端條件（最(zui)(zui)低運行(xing)壓力、最(zui)(zui)大(da)輸氣(qi)量），計算(suan)獲得管道的最(zui)(zui)大(da)理論臨界傾角。
3）腐蝕(shi)程度及(ji)速率(lv)預(yu)測
以國際(ji)上通用的(de)管(guan)道(dao)直接評(ping)估方法為指導原則，以管(guan)道(dao)腐(fu)蝕預測Intetech Electronic Corrosion Engineer（ECE）或Predict Pipe腐(fu)蝕評(ping)估軟(ruan)件為載體(ti)，考(kao)慮流體(ti)狀態和流速、溫度(du)、CO2和/或H2S分壓(ya)、溶(rong)液pH、介質成分等力學-化學因素，進行腐(fu)蝕程度(du)及腐(fu)蝕速率(lv)評(ping)價(jia)，技術(shu)路線見圖4。
圖(tu)4 內(nei)、外(wai)腐(fu)蝕直接評估聯合使用技(ji)術路線圖(tu)
實(shi)例分析
對我國北方某條跨省輸氣管道開展內(nei)、外腐(fu)蝕直接(jie)(jie)評(ping)估，分析(xi)內(nei)、外腐(fu)蝕直接(jie)(jie)評(ping)估聯合使用的執(zhi)行流(liu)程和開挖驗證效果。
1 管道概況(kuang)
某輸(shu)氣管道始建于1976年(nian)，全長87.4km，管線設(she)計(ji)輸(shu)量為(wei)100萬m3/d，設(she)計(ji)起點壓力為(wei)1.0MPa，末端壓力為(wei)0.52MPa。中途跨越大(da)小溝(gou)渠(qu)20余條，連續跨越青(qing)靜(jing)黃河、子(zi)牙(ya)新(xin)河、北排(pai)河、滄浪渠(qu)四條大(da)型河流。2009年(nian)至今，對目標管線進行了(le)數十次泄漏搶修，分析原因(yin)主要是管線的(de)腐蝕穿孔(kong)造(zao)成的(de)。
2 管道內、外腐(fu)蝕(shi)評價
1）預評價
對目(mu)標(biao)管(guan)(guan)道(dao)進行了參(can)數(shu)調研(yan)與(yu)信息梳(shu)理(li)，明(ming)確目(mu)標(biao)管(guan)(guan)道(dao)滿足開展(zhan)內、外腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)直接(jie)評估的條件。管(guan)(guan)道(dao)外腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)直接(jie)評估采用(yong)PCM+ACVG配合陰極(ji)保(bao)護電位檢測；內腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)直接(jie)評價(jia)是將管(guan)(guan)道(dao)分(fen)為(wei)(wei)三段，內腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)風險主要為(wei)(wei)CO2均勻(yun)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。
2）外腐蝕直接評估
參考GB/T 19285-2014《埋地鋼質管道腐(fu)蝕(shi)防(fang)護工程檢驗》，采用管中(zhong)電(dian)流法(fa)對防(fang)腐(fu)蝕(shi)層(ceng)破損點(dian)評級并篩選出(chu)開(kai)挖驗證點(dian)，其中(zhong)長度2.1km管段的防(fang)腐(fu)蝕(shi)層(ceng)電(dian)流衰減趨(qu)勢見(jian)圖5。
圖5 管道防腐(fu)蝕層的電流(liu)衰減趨勢
3）內(nei)腐蝕直接評估
結(jie)合管(guan)(guan)道輸送介質的特性(xing)及管(guan)(guan)道工藝(yi)參數，通過(guo)多相流模(mo)型(xing)計算(suan)得(de)到目(mu)標(biao)管(guan)(guan)道電解質聚集(ji)的最(zui)大臨界角(jiao)α：
大港(gang)分(fen)輸站(zhan)-馬(ma)落坡計量站(zhan)
最大臨界(jie)角0.485°
馬落坡(po)計量(liang)站-滄州末站
最大臨界角0.366°
比較計算得到α與目(mu)標管道(dao)中(zhong)心線傾斜角θ，確定(ding)(ding)最可能發(fa)生電解(jie)質聚集的點，并在此基礎(chu)上，根據輸送介(jie)質的成分以(yi)管道(dao)腐(fu)蝕(shi)(shi)預測ECE軟件為載體(ti)預測目(mu)標管道(dao)沿線的腐(fu)蝕(shi)(shi)速率，如圖6和圖7所示(shi)，并確定(ding)(ding)內腐(fu)蝕(shi)(shi)高風(feng)險點。
圖6 管道持(chi)液量、傾斜角沿里程的變化趨勢
圖7 管道沿里程方向(xiang)的內(nei)腐蝕速率變化趨勢
4）詳(xiang)細檢測(ce)
詳細檢(jian)查主(zhu)要(yao)是針對內(nei)、外腐蝕直接評(ping)估確定(ding)的一類(lei)風險點進(jin)(jin)行開(kai)挖(wa)(wa)(wa)確認，根(gen)據開(kai)挖(wa)(wa)(wa)結果驗證上評(ping)價結果的有效(xiao)性。對開(kai)挖(wa)(wa)(wa)點進(jin)(jin)行目視檢(jian)查后，采用高頻(pin)導(dao)波進(jin)(jin)行宏(hong)觀(guan)檢(jian)測，對缺陷(xian)進(jin)(jin)行定(ding)位。在此基礎上，使(shi)用相控陣B掃描對缺陷(xian)進(jin)(jin)行性質、面積、深度(du)等(deng)的精(jing)確測量。
針對開挖點的缺陷，使用(yong)高精度(du)測(ce)厚儀測(ce)量管(guan)道壁厚，當風(feng)(feng)險(xian)點附近有(you)焊縫(feng)時(shi)使用(yong)相(xiang)控(kong)陣對管(guan)道焊縫(feng)進(jin)行缺陷檢(jian)測(ce)，一處風(feng)(feng)險(xian)點的開挖檢(jian)測(ce)結果如下：
1
周向坐(zuo)標：出氣(qi)側(ce)66°
軸向坐標：出(chu)氣(qi)側30cm
缺(que)陷長度：15mm；寬度：15mm
最大減(jian)薄：1.5mm
缺(que)陷類型：內(nei)部面積(ji)缺(que)陷
2
周向(xiang)坐標(biao)：出氣側83°
軸(zhou)向坐標：出(chu)氣側(ce)53cm
缺陷長度(du)：20mm；寬度(du)：20mm
最大(da)減薄：0.8mm
缺(que)陷類型：2處外部面積缺(que)陷
根(gen)據缺陷點險評(ping)級(ji)結果，確定10處一類風(feng)險點，開(kai)挖后缺陷特征如下表所示，表中風(feng)險點呈(cheng)現(xian)(xian)1~3mm不等(deng)的管壁減薄，且部分區域呈(cheng)現(xian)(xian)均(jun)勻(yun)減薄，說明內、外腐(fu)蝕直接(jie)評(ping)估綜(zong)合(he)確定風(feng)險點及(ji)風(feng)險等(deng)級(ji)是有效的。
表2 根據直接評估確(que)定的一類(lei)風險點開挖(wa)詳細檢查結果(guo)
結束語
基于管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)內(nei)(nei)、外腐(fu)(fu)蝕直接(jie)評估標準(zhun)和應用(yong)成果，分析了(le)管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)內(nei)(nei)腐(fu)(fu)蝕直接(jie)評估法的(de)技(ji)術(shu)優勢(shi)、適用(yong)條件(jian)和一(yi)般性流程(cheng)，并介紹內(nei)(nei)、外腐(fu)(fu)蝕直接(jie)評估聯合用(yong)于管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)完整(zheng)性評價的(de)具(ju)體實施過程(cheng)，通過案例(li)分析說明兩種評估技(ji)術(shu)在預判管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)內(nei)(nei)、外壁因(yin)腐(fu)(fu)蝕誘發的(de)體積型缺陷時能夠互補，可(ke)以極大提(ti)高管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)腐(fu)(fu)蝕風險被檢出的(de)可(ke)能性，提(ti)高管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)完整(zheng)性評價的(de)有效性。