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
隨著我國油氣管道鋪設里程的逐年激增，管道泄漏事故發生的頻率呈現遞增趨勢。為確保管道服役安全，國家頒布了《石油天然氣管道保護法》、《安全生產法》和《環境保護法》修訂版以及《特種設備安全法》等，以對管道管理提出要求，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、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不斷變化的管道服役影響因素，對管道面臨的風險因素進行識別和評價，不斷改善不利于管道服役的影響因素，采取各種風險減緩措施，將風險控制在合理、可接受的范圍，最終達到持續改進、減少管道事故、經濟合理地保證管道安全運行而進行的一系列管理活動。
根據GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規范》要求，完整性管理包括：數據采集與整合、高后果區識別、風險評價、完整性評價、風險消減與維修維護、效能評價等六個環節，核心工作是借助智能內檢測、直接評估和水壓試驗三種工具及時掌握管道當前的狀態以及缺陷發展的趨勢。
下面將論述直接評估法在管道完整性管理中的應用，包括管道內腐蝕直接評估與外腐蝕直接評估聯合使用的技術優勢和實施流程，通過我國北方某條跨省長輸管道內、外腐蝕直接評估及開挖結果驗證這兩種評估技術聯合使用的效果，以期為類似需要開展完整性評價的管道提供借鑒。
直接評估技術的優勢
目前常用的管道完整性評價方法主要包括：內檢測、水壓試驗和直接評估，基于上述評估方法獲取的管道系統數據，可開展管道剩余強度評估或剩余壽命預測。由于這些方法的原理存在差異，其在使用中各有優缺點。
內檢測基于漏磁（MFL）、超聲（UT）技術，能最直觀地發現管道缺陷，是完整性評價的最佳手段，另一方面，內檢測對管道系統的結構要求最高，被檢測管道需有完整的收發球裝置，管道全段要滿足清管通球要求，檢測費用高昂，且存在卡球風險。
水壓試驗作為管道竣工驗收的工序，用于在役管道的完整性檢測，試驗前管道需停輸，且該技術僅可發現臨界缺陷，試驗壓力、增壓程序、保護程序、應急程序等要求較高，漏點查找也相對困難。
直接評估法主要基于現場檢驗、模擬計算和開挖驗證，無需變更管道工藝狀態，在保證缺陷發現率的前提下，工作量少、風險小、費用低，適用于氣管線、低含水率油管線或油水混輸管線。該方法對管道歷史工藝參數、介質流動和腐蝕數據的完備性和準確性要求高，適用于存在腐蝕風險但因內穿插、變徑等因素無法清管或需要進行腐蝕缺陷根源分析的管道。
直接評估數據挖掘與對齊
管道內腐蝕直接評估是基于管道工藝臺賬和歷史腐蝕狀態的，因此挖掘預評價和間接評估階段的相關數據對評價結果有較大影響，評估時需要盡可能多獲取管道的歷史工藝參數，詳見表1。
表1 預評估階段的數據采集要求
管道內、外腐蝕直接評估聯合使用時，除了需要上述管道的基本運行參數，還需獲得與里程對應的管道高程、埋深以及防腐蝕層狀態數據，基于管道高程和埋深計算管道基線的高程，并計算管道全線傾斜角度。最終通過管道里程數據實現內、外腐蝕風險點的數據對齊，與管道里程對應的相關參數整理路線見圖1。
圖1 與管道里程對應的管道內、外腐蝕風險點數據對齊路線
實施流程
當前的管道內腐蝕直接評估主要參考NACE SP0206（適用正常條件下輸送干氣但可能會遭受到非經常性的短期液體侵擾管道），NACE SP0110（未脫水或有游離水浸入，具有較大氣液比介質管道）的理論依據是腐蝕性水在管道中的積聚是引起管道內腐蝕的先決條件，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積液；在傾斜上升管中，重力阻滯液體向下游流動，會發生積液，從而引起內腐蝕。基于上述原理，內腐蝕直接評估就是沿著管道詳細檢查最有可能積水（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
腐蝕部位預測的目標是在一定的管段區間內，基于現場間接檢測或模擬計算結果預測最可能發生腐蝕的位置，主要流程涉及預評估、直接評估、詳細檢查和后評價。
1 預評估
在預評價階段，需要收集管線歷史、當前數據，以確定評估區，并對直接評估（DA）方法的可靠性進行評估，數據來源包括施工記錄、操作和維護歷史、校正表、具有覆層厚度的高程圖、檢測記錄以及以前的完整性評估或維護操作的檢測報告等。
2 直接評估
1）根據管道中心線相對高度計算目標管線傾角
利用高程圖計算目標管道傾角，以直接評估（DA）數據中單元點最小里程單位，分析確定置信區間，根據管道里程、高程、路由數據計算管道傾角θ，θ正弦值表示管道高程Δh相對管道長度Δl的變化，其表示方法如下：
θ=arcsin（Δh/Δl）
2）預測液體聚集臨界角
內腐蝕直接評估結果的可靠性取決于利用流動模擬識別最有可能發生電解液聚集位置的能力。管道內液相受到剪切應力和重力的共同作用最可能在傾斜管道處聚集，將管道傾角和流態模擬所預測的水聚集臨界角進行比較，大于聚集臨界角的第一個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
根據流體單位面積上的重力與慣性應力平衡方程，計算輸氣管道電解質聚集臨界角，見下式：
式中：ρl和ρg分別表示液體和氣體密度；g為重力；did為管道內徑；Vg為表觀氣體速度；α為水聚集臨界角。
根據理想氣體方程PV=nRT，推導出管道內氣體的密度：
ρg=（MVP/RT）×10-6
式中：MV為氣體分子量；P為管道內壓力；R為理想氣體常數，為8.314J·K·mol；T為管道內介質溫度。
實際氣體密度的計算需引入一個修正系數，即壓縮因數z（表示實際氣體與理想氣體的偏離程度），該值可通過查詢獲得。評估采用最極端條件（最低運行壓力、最大輸氣量），計算獲得管道的最大理論臨界傾角。
3）腐蝕程度及速率預測
以國際上通用的管道直接評估方法為指導原則，以管道腐蝕預測Intetech Electronic Corrosion Engineer（ECE）或Predict Pipe腐蝕評估軟件為載體，考慮流體狀態和流速、溫度、CO2和/或H2S分壓、溶液pH、介質成分等力學-化學因素，進行腐蝕程度及腐蝕速率評價，技術路線見圖4。
圖4 內、外腐蝕直接評估聯合使用技術路線圖
實例分析
對我國北方某條跨省輸氣管道開展內、外腐蝕直接評估，分析內、外腐蝕直接評估聯合使用的執行流程和開挖驗證效果。
1 管道概況
某輸氣管道始建于1976年，全長87.4km，管線設計輸量為100萬m3/d，設計起點壓力為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，對目標管線進行了數十次泄漏搶修，分析原因主要是管線的腐蝕穿孔造成的。
2 管道內、外腐蝕評價
1）預評價
對目標管道進行了參數調研與信息梳理，明確目標管道滿足開展內、外腐蝕直接評估的條件。管道外腐蝕直接評估采用PCM+ACVG配合陰極保護電位檢測；內腐蝕直接評價是將管道分為三段，內腐蝕風險主要為CO2均勻腐蝕。
2）外腐蝕直接評估
參考GB/T 19285-2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》，采用管中電流法對防腐蝕層破損點評級并篩選出開挖驗證點，其中長度2.1km管段的防腐蝕層電流衰減趨勢見圖5。
圖5 管道防腐蝕層的電流衰減趨勢
3）內腐蝕直接評估
結合管道輸送介質的特性及管道工藝參數，通過多相流模型計算得到目標管道電解質聚集的最大臨界角α：
大港分輸站-馬落坡計量站
最大臨界角0.485°
馬落坡計量站-滄州末站
最大臨界角0.366°
比較計算得到α與目標管道中心線傾斜角θ，確定最可能發生電解質聚集的點，并在此基礎上，根據輸送介質的成分以管道腐蝕預測ECE軟件為載體預測目標管道沿線的腐蝕速率，如圖6和圖7所示，并確定內腐蝕高風險點。
圖6 管道持液量、傾斜角沿里程的變化趨勢
圖7 管道沿里程方向的內腐蝕速率變化趨勢
4）詳細檢測
詳細檢查主要是針對內、外腐蝕直接評估確定的一類風險點進行開挖確認，根據開挖結果驗證上評價結果的有效性。對開挖點進行目視檢查后，采用高頻導波進行宏觀檢測，對缺陷進行定位。在此基礎上，使用相控陣B掃描對缺陷進行性質、面積、深度等的精確測量。
針對開挖點的缺陷，使用高精度測厚儀測量管道壁厚，當風險點附近有焊縫時使用相控陣對管道焊縫進行缺陷檢測，一處風險點的開挖檢測結果如下：
1
周向坐標：出氣側66°
軸向坐標：出氣側30cm
缺陷長度：15mm；寬度：15mm
最大減薄：1.5mm
缺陷類型：內部面積缺陷
2
周向坐標：出氣側83°
軸向坐標：出氣側53cm
缺陷長度：20mm；寬度：20mm
最大減薄：0.8mm
缺陷類型：2處外部面積缺陷
根據缺陷點險評級結果，確定10處一類風險點，開挖后缺陷特征如下表所示，表中風險點呈現1~3mm不等的管壁減薄，且部分區域呈現均勻減薄，說明內、外腐蝕直接評估綜合確定風險點及風險等級是有效的。
表2 根據直接評估確定的一類風險點開挖詳細檢查結果
結束語
基于管道內、外腐蝕直接評估標準和應用成果，分析了管道內腐蝕直接評估法的技術優勢、適用條件和一般性流程，并介紹內、外腐蝕直接評估聯合用于管道完整性評價的具體實施過程，通過案例分析說明兩種評估技術在預判管道內、外壁因腐蝕誘發的體積型缺陷時能夠互補，可以極大提高管道腐蝕風險被檢出的可能性，提高管道完整性評價的有效性。