管道內(nèi)、外腐蝕的直接評(píng)估在輸氣管道完整性評(píng)價(jià)中的聯(lián)合應(yīng)用
2022-02-07 01:47:28
changyuan
隨著我國油氣管道鋪設(shè)里程的逐年激增，管道泄漏事故發(fā)生的頻率呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。為確保管道服役安全，國家頒布了《石油天然氣管道保護(hù)法》、《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護(hù)法》修訂版以及《特種設(shè)備安全法》等，以對(duì)管道管理提出要求，長輸管道完整性管理也隨之受到越來越多的重視，成為保障安全生產(chǎn)、提升管理水平和降本增效的重要措施。
長輸管道完整性管理是管道管理者針對(duì)不斷變化的管道服役影響因素，對(duì)管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，不斷改善不利于管道服役的影響因素，采取各種風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，將風(fēng)險(xiǎn)控制在合理、可接受的范圍，最終達(dá)到持續(xù)改進(jìn)、減少管道事故、經(jīng)濟(jì)合理地保證管道安全運(yùn)行而進(jìn)行的一系列管理活動(dòng)。
根據(jù)GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》要求，完整性管理包括：數(shù)據(jù)采集與整合、高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)消減與維修維護(hù)、效能評(píng)價(jià)等六個(gè)環(huán)節(jié)，核心工作是借助智能內(nèi)檢測(cè)、直接評(píng)估和水壓試驗(yàn)三種工具及時(shí)掌握管道當(dāng)前的狀態(tài)以及缺陷發(fā)展的趨勢(shì)。
下面將論述直接評(píng)估法在管道完整性管理中的應(yīng)用，包括管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估與外腐蝕直接評(píng)估聯(lián)合使用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)施流程，通過我國北方某條跨省長輸管道內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估及開挖結(jié)果驗(yàn)證這兩種評(píng)估技術(shù)聯(lián)合使用的效果，以期為類似需要開展完整性評(píng)價(jià)的管道提供借鑒。
直接評(píng)估技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
目前常用的管道完整性評(píng)價(jià)方法主要包括：內(nèi)檢測(cè)、水壓試驗(yàn)和直接評(píng)估，基于上述評(píng)估方法獲取的管道系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可開展管道剩余強(qiáng)度評(píng)估或剩余壽命預(yù)測(cè)。由于這些方法的原理存在差異，其在使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。
內(nèi)檢測(cè)基于漏磁（MFL）、超聲（UT）技術(shù)，能最直觀地發(fā)現(xiàn)管道缺陷，是完整性評(píng)價(jià)的最佳手段，另一方面，內(nèi)檢測(cè)對(duì)管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求最高，被檢測(cè)管道需有完整的收發(fā)球裝置，管道全段要滿足清管通球要求，檢測(cè)費(fèi)用高昂，且存在卡球風(fēng)險(xiǎn)。
水壓試驗(yàn)作為管道竣工驗(yàn)收的工序，用于在役管道的完整性檢測(cè)，試驗(yàn)前管道需停輸，且該技術(shù)僅可發(fā)現(xiàn)臨界缺陷，試驗(yàn)壓力、增壓程序、保護(hù)程序、應(yīng)急程序等要求較高，漏點(diǎn)查找也相對(duì)困難。
直接評(píng)估法主要基于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)、模擬計(jì)算和開挖驗(yàn)證，無需變更管道工藝狀態(tài)，在保證缺陷發(fā)現(xiàn)率的前提下，工作量少、風(fēng)險(xiǎn)小、費(fèi)用低，適用于氣管線、低含水率油管線或油水混輸管線。該方法對(duì)管道歷史工藝參數(shù)、介質(zhì)流動(dòng)和腐蝕數(shù)據(jù)的完備性和準(zhǔn)確性要求高，適用于存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)但因內(nèi)穿插、變徑等因素?zé)o法清管或需要進(jìn)行腐蝕缺陷根源分析的管道。
直接評(píng)估數(shù)據(jù)挖掘與對(duì)齊
管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估是基于管道工藝臺(tái)賬和歷史腐蝕狀態(tài)的，因此挖掘預(yù)評(píng)價(jià)和間接評(píng)估階段的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有較大影響，評(píng)估時(shí)需要盡可能多獲取管道的歷史工藝參數(shù)，詳見表1。
表1 預(yù)評(píng)估階段的數(shù)據(jù)采集要求
管道內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估聯(lián)合使用時(shí)，除了需要上述管道的基本運(yùn)行參數(shù)，還需獲得與里程對(duì)應(yīng)的管道高程、埋深以及防腐蝕層狀態(tài)數(shù)據(jù)，基于管道高程和埋深計(jì)算管道基線的高程，并計(jì)算管道全線傾斜角度。最終通過管道里程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)齊，與管道里程對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)整理路線見圖1。
圖1 與管道里程對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)、外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)齊路線
實(shí)施流程
當(dāng)前的管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估主要參考NACE SP0206（適用正常條件下輸送干氣但可能會(huì)遭受到非經(jīng)常性的短期液體侵?jǐn)_管道），NACE SP0110（未脫水或有游離水浸入，具有較大氣液比介質(zhì)管道）的理論依據(jù)是腐蝕性水在管道中的積聚是引起管道內(nèi)腐蝕的先決條件，管道積水與腐蝕位置如圖2所示，水平管與傾斜下降管通常不會(huì)積液；在傾斜上升管中，重力阻滯液體向下游流動(dòng)，會(huì)發(fā)生積液，從而引起內(nèi)腐蝕?；谏鲜鲈?，內(nèi)腐蝕直接評(píng)估就是沿著管道詳細(xì)檢查最有可能積水（或其他電解液）的部位，由此推斷下游剩余管段的完整性。
圖2 管道積水與腐蝕示意圖
腐蝕部位預(yù)測(cè)的目標(biāo)是在一定的管段區(qū)間內(nèi)，基于現(xiàn)場(chǎng)間接檢測(cè)或模擬計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)最可能發(fā)生腐蝕的位置，主要流程涉及預(yù)評(píng)估、直接評(píng)估、詳細(xì)檢查和后評(píng)價(jià)。
1 預(yù)評(píng)估
在預(yù)評(píng)價(jià)階段，需要收集管線歷史、當(dāng)前數(shù)據(jù)，以確定評(píng)估區(qū)，并對(duì)直接評(píng)估（DA）方法的可靠性進(jìn)行評(píng)估，數(shù)據(jù)來源包括施工記錄、操作和維護(hù)歷史、校正表、具有覆層厚度的高程圖、檢測(cè)記錄以及以前的完整性評(píng)估或維護(hù)操作的檢測(cè)報(bào)告等。
2 直接評(píng)估
1）根據(jù)管道中心線相對(duì)高度計(jì)算目標(biāo)管線傾角
利用高程圖計(jì)算目標(biāo)管道傾角，以直接評(píng)估（DA）數(shù)據(jù)中單元點(diǎn)最小里程單位，分析確定置信區(qū)間，根據(jù)管道里程、高程、路由數(shù)據(jù)計(jì)算管道傾角θ，θ正弦值表示管道高程Δh相對(duì)管道長度Δl的變化，其表示方法如下：
θ=arcsin（Δh/Δl）
2）預(yù)測(cè)液體聚集臨界角
內(nèi)腐蝕直接評(píng)估結(jié)果的可靠性取決于利用流動(dòng)模擬識(shí)別最有可能發(fā)生電解液聚集位置的能力。管道內(nèi)液相受到剪切應(yīng)力和重力的共同作用最可能在傾斜管道處聚集，將管道傾角和流態(tài)模擬所預(yù)測(cè)的水聚集臨界角進(jìn)行比較，大于聚集臨界角的第一個(gè)傾角即為水首先聚集的位置，該位置最有可能先遭受腐蝕，如圖3所示。
圖3 水在管道傾斜段的聚集示意圖
根據(jù)流體單位面積上的重力與慣性應(yīng)力平衡方程，計(jì)算輸氣管道電解質(zhì)聚集臨界角，見下式：
式中：ρl和ρg分別表示液體和氣體密度；g為重力；did為管道內(nèi)徑；Vg為表觀氣體速度；α為水聚集臨界角。
根據(jù)理想氣體方程PV=nRT，推導(dǎo)出管道內(nèi)氣體的密度：
ρg=（MVP/RT）×10-6
式中：MV為氣體分子量；P為管道內(nèi)壓力；R為理想氣體常數(shù)，為8.314J·K·mol；T為管道內(nèi)介質(zhì)溫度。
實(shí)際氣體密度的計(jì)算需引入一個(gè)修正系數(shù)，即壓縮因數(shù)z（表示實(shí)際氣體與理想氣體的偏離程度），該值可通過查詢獲得。評(píng)估采用最極端條件（最低運(yùn)行壓力、最大輸氣量），計(jì)算獲得管道的最大理論臨界傾角。
3）腐蝕程度及速率預(yù)測(cè)
以國際上通用的管道直接評(píng)估方法為指導(dǎo)原則，以管道腐蝕預(yù)測(cè)Intetech Electronic Corrosion Engineer（ECE）或Predict Pipe腐蝕評(píng)估軟件為載體，考慮流體狀態(tài)和流速、溫度、CO2和/或H2S分壓、溶液pH、介質(zhì)成分等力學(xué)-化學(xué)因素，進(jìn)行腐蝕程度及腐蝕速率評(píng)價(jià)，技術(shù)路線見圖4。
圖4 內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估聯(lián)合使用技術(shù)路線圖
實(shí)例分析
對(duì)我國北方某條跨省輸氣管道開展內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估，分析內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估聯(lián)合使用的執(zhí)行流程和開挖驗(yàn)證效果。
1 管道概況
某輸氣管道始建于1976年，全長87.4km，管線設(shè)計(jì)輸量為100萬m3/d，設(shè)計(jì)起點(diǎn)壓力為1.0MPa，末端壓力為0.52MPa。中途跨越大小溝渠20余條，連續(xù)跨越青靜黃河、子牙新河、北排河、滄浪渠四條大型河流。2009年至今，對(duì)目標(biāo)管線進(jìn)行了數(shù)十次泄漏搶修，分析原因主要是管線的腐蝕穿孔造成的。
2 管道內(nèi)、外腐蝕評(píng)價(jià)
1）預(yù)評(píng)價(jià)
對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行了參數(shù)調(diào)研與信息梳理，明確目標(biāo)管道滿足開展內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估的條件。管道外腐蝕直接評(píng)估采用PCM+ACVG配合陰極保護(hù)電位檢測(cè)；內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)是將管道分為三段，內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)主要為CO2均勻腐蝕。
2）外腐蝕直接評(píng)估
參考GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》，采用管中電流法對(duì)防腐蝕層破損點(diǎn)評(píng)級(jí)并篩選出開挖驗(yàn)證點(diǎn)，其中長度2.1km管段的防腐蝕層電流衰減趨勢(shì)見圖5。
圖5 管道防腐蝕層的電流衰減趨勢(shì)
3）內(nèi)腐蝕直接評(píng)估
結(jié)合管道輸送介質(zhì)的特性及管道工藝參數(shù)，通過多相流模型計(jì)算得到目標(biāo)管道電解質(zhì)聚集的最大臨界角α：
大港分輸站-馬落坡計(jì)量站
最大臨界角0.485°
馬落坡計(jì)量站-滄州末站
最大臨界角0.366°
比較計(jì)算得到α與目標(biāo)管道中心線傾斜角θ，確定最可能發(fā)生電解質(zhì)聚集的點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)輸送介質(zhì)的成分以管道腐蝕預(yù)測(cè)ECE軟件為載體預(yù)測(cè)目標(biāo)管道沿線的腐蝕速率，如圖6和圖7所示，并確定內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。
圖6 管道持液量、傾斜角沿里程的變化趨勢(shì)
圖7 管道沿里程方向的內(nèi)腐蝕速率變化趨勢(shì)
4）詳細(xì)檢測(cè)
詳細(xì)檢查主要是針對(duì)內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估確定的一類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行開挖確認(rèn)，根據(jù)開挖結(jié)果驗(yàn)證上評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性。對(duì)開挖點(diǎn)進(jìn)行目視檢查后，采用高頻導(dǎo)波進(jìn)行宏觀檢測(cè)，對(duì)缺陷進(jìn)行定位。在此基礎(chǔ)上，使用相控陣B掃描對(duì)缺陷進(jìn)行性質(zhì)、面積、深度等的精確測(cè)量。
針對(duì)開挖點(diǎn)的缺陷，使用高精度測(cè)厚儀測(cè)量管道壁厚，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近有焊縫時(shí)使用相控陣對(duì)管道焊縫進(jìn)行缺陷檢測(cè)，一處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的開挖檢測(cè)結(jié)果如下：
1
周向坐標(biāo)：出氣側(cè)66°
軸向坐標(biāo)：出氣側(cè)30cm
缺陷長度：15mm；寬度：15mm
最大減薄：1.5mm
缺陷類型：內(nèi)部面積缺陷
2
周向坐標(biāo)：出氣側(cè)83°
軸向坐標(biāo)：出氣側(cè)53cm
缺陷長度：20mm；寬度：20mm
最大減?。?.8mm
缺陷類型：2處外部面積缺陷
根據(jù)缺陷點(diǎn)險(xiǎn)評(píng)級(jí)結(jié)果，確定10處一類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，開挖后缺陷特征如下表所示，表中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)呈現(xiàn)1~3mm不等的管壁減薄，且部分區(qū)域呈現(xiàn)均勻減薄，說明內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估綜合確定風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是有效的。
表2 根據(jù)直接評(píng)估確定的一類風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)開挖詳細(xì)檢查結(jié)果
結(jié)束語
基于管道內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用成果，分析了管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、適用條件和一般性流程，并介紹內(nèi)、外腐蝕直接評(píng)估聯(lián)合用于管道完整性評(píng)價(jià)的具體實(shí)施過程，通過案例分析說明兩種評(píng)估技術(shù)在預(yù)判管道內(nèi)、外壁因腐蝕誘發(fā)的體積型缺陷時(shí)能夠互補(bǔ)，可以極大提高管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)被檢出的可能性，提高管道完整性評(píng)價(jià)的有效性。