超設(shè)計(jì)使用年限海底管線ICDA研究

李全華 楊 萍 伏春達(dá)

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司惠州作業(yè)公司，廣東 深圳 518000；2. 安科（北京）工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

能源需求的激增與技術(shù)水平的進(jìn)步促使油氣的勘探開(kāi)采向海洋拓展，深海油氣資源的勘探是石油工業(yè)的一個(gè)重要的前沿陣地[1]。海洋環(huán)境的復(fù)雜性為服役的海底管道帶來(lái)很大的影響，而由于管道位于海中，其損傷程度、服役狀態(tài)都很難監(jiān)測(cè)或檢測(cè)，海管的安全性無(wú)法把控，因此，如何準(zhǔn)確快捷的評(píng)價(jià)海水中服役的管道狀態(tài)顯得尤為重要[2-4]。

內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)近年來(lái)已成為管道腐蝕管理的重要手段，該技術(shù)無(wú)清管限制、不停輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)該方法綜合考慮了輸送介質(zhì)組分及流體狀態(tài)等因素的影響，通過(guò)篩選和建立科學(xué)的多相流模型、腐蝕評(píng)估模型、腐蝕速率預(yù)測(cè)模型等，進(jìn)行模擬分析獲取可能存在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，可以有效預(yù)測(cè)管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的位置，以確定管道完整性狀況[5,6]。本文基于NACE SP0208-2008[7]ICDA方法，預(yù)測(cè)某超期服役管道的內(nèi)腐蝕情況，為管道的結(jié)合安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估過(guò)程包含4個(gè)步驟，即預(yù)評(píng)價(jià)（Pre-Assessment）、間接檢測(cè)（Indirect Inspection）、詳細(xì)檢查（Detailed Examination）和后評(píng)價(jià)（Post Assessment）[8]。

1 預(yù)評(píng)估

管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估預(yù)評(píng)估的主要工作是收集管道歷史和當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)，目標(biāo)管道為API 5L X42，管徑273.05mm，壁厚12.7mm，雙層保溫，最大設(shè)計(jì)壓力為9180kPa，最大操作壓力為2788kPa，最大設(shè)計(jì)流速5565m3/d，最大操作流速11774m3/d全長(zhǎng)4.951km，最大設(shè)計(jì)溫度107℃。

對(duì)目標(biāo)管道的分離水樣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，水樣的pH為6.96～7.96，屬于近中性，其中對(duì)腐蝕影響較大的Cl-含量為18000～19000mg/L，HCO-3含量為341.45mg/L。

CO2和H2S含量是識(shí)別目標(biāo)管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行內(nèi)腐蝕直接評(píng)估以及預(yù)測(cè)腐蝕發(fā)展趨勢(shì)的重要因素。對(duì)管道氣質(zhì)組分進(jìn)行腐蝕因子分析檢測(cè)，表2為目標(biāo)管道入口和出口氣質(zhì)組分分析結(jié)果。結(jié)果表明，入口CO23.5%，H2S 30ppm，出口CO25%，H2S 17ppm，腐蝕因子含量較高。

根據(jù)管道產(chǎn)量和含水率變化情況，進(jìn)行更為細(xì)致的時(shí)間分區(qū)。在本次評(píng)估中在服役時(shí)間上進(jìn)一步分為五個(gè)階段予以考慮。

2 間接檢測(cè)

間接檢測(cè)的目的是采用流體模型分析和管道高程剖面圖，評(píng)價(jià)內(nèi)腐蝕評(píng)估區(qū)間內(nèi)腐蝕發(fā)生的可能性沿管道里程的分布。投產(chǎn)初期的評(píng)估需要將臨界速率、水分或固體積聚的臨界傾角與管道高程比較分析，在最長(zhǎng)周期內(nèi)腐蝕性介質(zhì)積聚可能性最大的位置發(fā)生內(nèi)腐蝕的可能性最大，通過(guò)該項(xiàng)分析可確定詳細(xì)檢查的位置。

3 內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置預(yù)測(cè)

在進(jìn)行內(nèi)腐蝕評(píng)估時(shí)，應(yīng)計(jì)算固定長(zhǎng)度的管道傾角或高程的變化。傾角計(jì)算的精度對(duì)內(nèi)腐蝕評(píng)估的有效性非常重要。

高程測(cè)量必須包含所有傾角變量相關(guān)信息，最小測(cè)量間隔取決于具體待評(píng)價(jià)的管道、地形和其他特征，高程圖的不確定性必須依據(jù)高程數(shù)據(jù)的精度做出估計(jì)。高程剖面圖受多個(gè)點(diǎn)的影響，通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

表1 目標(biāo)管道的水樣分析結(jié)果 單位（mg/L）

表2 目標(biāo)管道入口和出口氣質(zhì)組分分析結(jié)果

其中，θ為管道傾角。

針對(duì)本次評(píng)估的目標(biāo)管道，以50m為評(píng)估數(shù)據(jù)單元里程單位，置信區(qū)間±50m，根據(jù)里程、高程數(shù)據(jù)，計(jì)算管道坡度隨里程的變化。計(jì)算求得的目標(biāo)管道實(shí)際坡度隨里程的變化如圖1所示。

圖1 目標(biāo)管道里程-高程/計(jì)算傾角圖

目標(biāo)管線經(jīng)歷了投產(chǎn)初期含水率較低，隨著投產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，含水率不斷升高。可獲得管道運(yùn)行期間不同時(shí)間分區(qū)的積水部位如圖2～圖6所示，其中著色部位表示積水位置，高度對(duì)應(yīng)著積水可能性的大小?？梢钥闯霎?dāng)處于第五時(shí)間分區(qū)時(shí)，管道內(nèi)大部分位置都已經(jīng)是積水，出現(xiàn)了水包油的狀況，且積水風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。這些積水部位會(huì)引起初期腐蝕，使該處一直成為薄弱區(qū)被腐蝕逐漸形成蝕坑。

投產(chǎn)后期目標(biāo)管道含水率較高，借助多相流模型預(yù)測(cè)不同含水率階段的管道積液和沉積物積累風(fēng)險(xiǎn)，確定腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置[9,10]。同時(shí)，由于管道首先經(jīng)歷含水率逐漸升高的過(guò)程，在最早期含水率較低時(shí)，發(fā)生積水和沉積的高風(fēng)險(xiǎn)位置，是腐蝕最早容易發(fā)生的部位，以水相浸潤(rùn)管道底部為主，也成為后期腐蝕發(fā)展的基礎(chǔ)，如圖2所示。而其他位置則主要為油相浸潤(rùn)管道底部，油相對(duì)管壁有保護(hù)作用，使管壁不易發(fā)生腐蝕。隨著含水率提高，容易出現(xiàn)積水的部位增多，如圖3至圖6所示。但腐蝕是個(gè)累積過(guò)程，越早出現(xiàn)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)所累積的腐蝕發(fā)展深度越嚴(yán)重。因此，根據(jù)這一原則，判斷含水率升高后的腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置。

圖2 時(shí)間分區(qū)一管道投產(chǎn)初期的積水部位（1%）

圖3 時(shí)間分區(qū)二含水率上升后的積水部位（5%）

圖4 時(shí)間分區(qū)三含水率上升后的積水部位（10%）

圖5 時(shí)間分區(qū)四含水率上升后的積水部位（20%）

圖6 時(shí)間分區(qū)五含水率上升后的積水部位（30%）

基于上述分析，隨著服役時(shí)間的增加，目標(biāo)管線全里程大多數(shù)位置都存在積水風(fēng)險(xiǎn)，但高風(fēng)險(xiǎn)位置主要集中于里程點(diǎn)：A（0.0 0 +0.05km）、B（0.55±0.05km）、C（3.70±0.05km）、D（4.70±0.05 k m）、E（1.6 0±0.05 k m）、F（0.2 0±0.0 5 k m）、G（2.2 5±0.0 5 k m）、H（3.40±0.05km）。圖7為預(yù)測(cè)的目標(biāo)管線積水高風(fēng)險(xiǎn)位置。

圖7 預(yù)測(cè)目標(biāo)管線積水高風(fēng)險(xiǎn)位置

4 內(nèi)腐蝕發(fā)展速率預(yù)測(cè)

由于CO2腐蝕影響因素很多，如果一次性考慮所有因素，將使預(yù)測(cè)變得異常復(fù)雜，利用中海油CO2腐蝕圖譜協(xié)助評(píng)估。一般第一步通過(guò)CO2分壓和溫度判斷腐蝕嚴(yán)重程度；第二步結(jié)合流速、含水率進(jìn)行判斷；第三步結(jié)合Cl-濃度和HCO3-進(jìn)行判斷。圖8為CO2腐蝕速率風(fēng)險(xiǎn)分析圖譜。表3為腐蝕程度分區(qū)表。

圖8 碳鋼CO2腐蝕分區(qū)圖

表3 腐蝕程度分區(qū)表

利用CO2/H2S腐蝕預(yù)測(cè)軟件和CO2局部腐蝕預(yù)測(cè)模型進(jìn)行腐蝕發(fā)展預(yù)測(cè)。由石油公司或研究機(jī)構(gòu)建立的多達(dá)數(shù)十個(gè)內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型，只有少數(shù)幾個(gè)模型考慮了H2S含量對(duì)內(nèi)腐蝕的影響，而且這少數(shù)幾個(gè)涉及H2S影響的內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果往往存在較大差異，有時(shí)甚至出現(xiàn)相反規(guī)律。因此，本次評(píng)估借鑒了CO2/H2S共存條件下的內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)軟件，根據(jù)已知的腐蝕環(huán)境參數(shù)，計(jì)算溶液得到CO2/H2S共存條件下的腐蝕速率。

根據(jù)上述模型和軟件預(yù)測(cè)整條管道的腐蝕狀況，并分別利用CO2局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)模板和CO2/H2S全面腐蝕速率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和全面腐蝕速率預(yù)測(cè)。同時(shí)，結(jié)合Norsok模型和Ohio大學(xué)的Free Corr模型，估計(jì)CO2局部腐蝕的發(fā)展?fàn)顩r[11-13]。考慮兩方面引起局部腐蝕的因素，一是管道含水率較低時(shí)存在的積水位置引起的初期腐蝕；二是考慮由于流態(tài)變化，導(dǎo)致局部腐蝕產(chǎn)物膜破損而引起的局部腐蝕位置，這些位置在管道任一地段均有可能發(fā)生，重點(diǎn)考察那些在含水率較高時(shí)，相對(duì)滯留的區(qū)域（假設(shè)都是穩(wěn)態(tài)的層流）[14]。同時(shí)，根據(jù)溫度和CO2的分壓來(lái)判斷是否處于局部腐蝕的敏感區(qū)間；另外，仍需考慮由于垢下沉積物引起的局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合上述各種方法獲得的數(shù)據(jù)，利用腐蝕專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行分析比對(duì)，以ECE軟件預(yù)測(cè)為主要手段，獲得腐蝕預(yù)測(cè)結(jié)果。

根據(jù)上述對(duì)運(yùn)行周期的分區(qū)方式，分別針對(duì)不同時(shí)間區(qū)間，對(duì)每個(gè)里程評(píng)估點(diǎn)的全面腐蝕速率預(yù)測(cè)，然后將預(yù)測(cè)得到的腐蝕速率沿時(shí)間軸進(jìn)行累加，獲得剩余壁厚估計(jì)值，即評(píng)估結(jié)果；針對(duì)其他時(shí)間區(qū)間，利用腐蝕預(yù)測(cè)軟件，在不同的CO2、H2S分壓下分別進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得的腐蝕發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 目標(biāo)管道最高的全面腐蝕速率（單位：mpy）

圖10 目標(biāo)管道最低的全面腐蝕速率（單位：mpy）

將上述腐蝕預(yù)測(cè)結(jié)果沿時(shí)間軸上進(jìn)行累加，可獲得目標(biāo)管道的壁厚損失結(jié)果。投產(chǎn)至今20年間，考慮緩蝕劑添加后的管道腐蝕最小減薄約為2.4mm，最大腐蝕減薄約為5.4mm。由于內(nèi)管壁厚12.7mm，預(yù)計(jì)嚴(yán)重部位的剩余壁厚約為7.3mm。

輸油管道直管段的鋼管管壁厚度與壓力的關(guān)系如公式（2）[15]：

代入相應(yīng)的系數(shù)值，

結(jié)合目標(biāo)管道歷史最大運(yùn)行壓力283psi，約2MPa，當(dāng)前管道可安全服役。

5 詳細(xì)檢查

根據(jù)NACE SP0116 第5.1.5章節(jié)，水下機(jī)器人ROV可做為海底管道的詳細(xì)檢查工具，ROV是無(wú)人有纜水下機(jī)器人，能夠在深海領(lǐng)域作業(yè)，對(duì)海底管線監(jiān)測(cè)具有重要作用[16]。同時(shí)參照標(biāo)準(zhǔn)中表2的要求，結(jié)合目標(biāo)管道管長(zhǎng)，詳細(xì)檢查數(shù)量不能低于4處。

目標(biāo)管道于次年開(kāi)展了高風(fēng)險(xiǎn)位置ROV檢測(cè)工作，共計(jì)25處，具體位置如表4所示。檢測(cè)結(jié)果為環(huán)空帶無(wú)水，管道不存在泄漏的情況，與預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合，當(dāng)前可安全服役。

表4 ROV檢測(cè)位置

6 水壓試驗(yàn)驗(yàn)證

同時(shí)，目標(biāo)管道于次年開(kāi)展了水壓試驗(yàn)。目標(biāo)海管水壓試驗(yàn)主要包括增壓、保壓以及降壓三個(gè)階段（如圖11所示），在增壓階段，對(duì)目標(biāo)海管先增壓至30%試壓值，穩(wěn)壓30min，記錄現(xiàn)場(chǎng)壓力表有無(wú)變化。然后繼續(xù)增壓至60%試壓值，穩(wěn)壓30min后記錄壓力值變化，繼續(xù)增壓至80%試壓值，穩(wěn)30min后記錄壓力值變化；繼續(xù)增壓至100%試壓值，并在這一階段的加壓過(guò)程中，以每加壓15psi為間隔，記錄壓力值，泵入的海水體積。達(dá)到試壓值后開(kāi)始進(jìn)行保壓，并詳細(xì)監(jiān)測(cè)壓力變化。保壓結(jié)束后緩慢將壓至60%后穩(wěn)壓，隨后降壓至0psi，整個(gè)試壓結(jié)束。

圖11 水壓流程

目標(biāo)海管的歷史最大運(yùn)行壓力為283psi，本次水壓試壓最大壓力為其1.38倍，達(dá)到400psi，水壓試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)各穩(wěn)壓階段的壓力變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：在各穩(wěn)壓、保壓階段，壓力值保持穩(wěn)定，表明試壓管道強(qiáng)度足夠，這與預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合，目前可以安全服役。

7 結(jié)論與建議

（1）目標(biāo)管道內(nèi)腐蝕最小減薄2.3mm，最大腐蝕減薄5.4mm，由于內(nèi)管壁厚12.7mm，預(yù)計(jì)最大減薄處的剩余壁厚7.3mm，管道存在一定的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和后果，在當(dāng)前運(yùn)行壓力西，可安全服役；

（2）水壓試驗(yàn)表明目標(biāo)管道的剩余強(qiáng)度良好，管道強(qiáng)度目前處于安全可控范圍內(nèi)；

（3）建議盡快制定智能內(nèi)檢測(cè)計(jì)劃，并根據(jù)此信息進(jìn)行管道剩余壽命預(yù)測(cè)并確定下一步管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和管控措施，避免管道事故發(fā)生。