在役輸氣管道分層缺陷無損檢測及安全評價

王 珂，羅金恒， 楊鋒平， 馬衛(wèi)鋒， 張 瑤

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，西安710077）

在役輸氣管道分層缺陷無損檢測及安全評價

王 珂1,2，羅金恒1,2， 楊鋒平1,2， 馬衛(wèi)鋒1,2， 張 瑤1

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，西安710077）

針對在役輸氣管道內(nèi)檢測過程中發(fā)現(xiàn)的管體異常金屬損失現(xiàn)象，采用超聲斜探頭探傷、C掃描等方法對管道異常處進行了檢測與分析，給出了管道缺陷適用性評價方法，并對檢測到的缺陷進行了安全評價。結(jié)果表明，該處缺陷為內(nèi)部分層缺陷，不能滿足API 579—2007對管道分層缺陷1級評價的要求，建議更換管道或采用復(fù)合材料對管體進行補強修復(fù)，并加強管道原材料、制管過程和服役過程中的檢測和評價，確保管道的安全運行。

焊管；天然氣管道；分層缺陷；無損檢測；安全評價

1 概 述

近年來，特別是 “11.22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故以后，政府部門和管道運營企業(yè)進一步加強了對管道安全運行的管理力度，大規(guī)模開展管道風險和隱患排查。某規(guī)格為Φ1 219 mm×18.4 mm在役輸氣管道在漏磁內(nèi)檢測時，發(fā)現(xiàn)3處疑似管體外部金屬損失缺陷，管體缺陷信息見表1。由表1可知，3處缺陷相鄰且絕對距離相差不到1.5 m，時鐘方位均不相同。對3處缺陷進行整體開挖驗證，打開外防腐層均未發(fā)現(xiàn)金屬外表面金屬損失痕跡，超聲測厚檢測發(fā)現(xiàn)距離螺旋焊縫約200 mm且平行于螺旋焊縫的位置壁厚有明顯異常變化，壁厚約為7.9 mm。壁厚測量結(jié)果顯示，3處缺陷相連，并沿螺旋焊縫向上、下游延伸。

表1 某在役輸氣管道管體缺陷信息

2 檢測方法及結(jié)果

為了全面檢測分析該缺陷，制定了超聲探傷和C掃描的檢測方案。首先，選用MS-380M超聲波探傷儀配橫波45°斜探頭對超聲測量壁厚異常區(qū)域進行檢測，未發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷邊緣端角反射回波，沿螺旋方向掃查證實應(yīng)為非開口性缺陷，排除內(nèi)腐蝕缺陷的可能性。然后采用設(shè)備為ISONIC2006聲定位超聲檢測系統(tǒng)進行C掃描檢測成像。由于超聲測厚初步檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺陷與螺旋焊縫平行，因此C掃描檢測平行螺旋焊縫進行，以距螺旋焊縫275 mm為中心，軸向每240 mm、環(huán)向每200 mm為一掃描區(qū)域，并分別進行標記記錄，如圖1所示。

圖1 C掃描區(qū)域及編號記錄

為了便于反應(yīng)超聲波C掃描無損檢測結(jié)果，示意圖沿管道6點鐘進行展開，如圖2所示。由圖2可知，以鋼管12點鐘為基準匯總C掃描檢測結(jié)果，例如圖中2#-1和2#-2，1#-1中6點鐘與2#-2中6點鐘相接。

圖2 管道C掃描展開示意圖

C掃描檢測結(jié)果顯示缺陷向下游延伸至7:30附近，并到環(huán)焊縫結(jié)束，上游延伸至2#螺旋焊縫3:20點鐘附近結(jié)束，缺陷基本呈現(xiàn)同一連續(xù)狀態(tài)（螺旋長度約8 118 mm），環(huán)向長度為360°圓周。C掃描數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，缺陷最寬處為138.81 mm，距表面最小深度為5.38 mm（見圖3），最大深度為12.31 mm。

圖3 管道內(nèi)缺陷C掃描分析結(jié)果

3 缺陷性質(zhì)的討論分析

通常，無損檢測可以確定缺陷的位置和尺寸，但是確認缺陷的性質(zhì)相對困難，可根據(jù)管體缺陷所處的位置和形狀，是否存在開口，以及在工況介質(zhì)的情況下材料產(chǎn)生腐蝕坑或腐蝕裂紋的形態(tài)與現(xiàn)在形態(tài)作比較，再結(jié)合鋼管的生產(chǎn)工藝過程，綜合判定缺陷性質(zhì)[1]。經(jīng)分析該缺陷應(yīng)為分層缺陷，原因如下：①螺旋焊管分層缺陷一般由卷板軋制過程中含非金屬夾雜物、殘余縮孔或嚴重疏松等缺陷所致，其方向沿螺旋軋制方向，這與超聲測厚初檢結(jié)果一致。②內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)為外部金屬損失，但管體外表面無腐蝕等金屬損失痕跡；超聲斜探頭無損檢測發(fā)現(xiàn)該缺陷不是開口缺陷，應(yīng)為一個封閉的缺陷，因此，排除表面腐蝕的可能性。③C掃描成像結(jié)果表明缺陷總體與鋼管表面平行，與分層缺陷特征一致。

分層缺陷是鋼板中的一種常見缺陷，多是由于鑄坯中含有硫化物，在軋制過程中沿軋制方向隨金屬基體一起流動變形，最后變成條狀或片狀夾雜物，以及氣泡、縮孔或折疊等引起鋼板分層。分層缺陷的存在使分層區(qū)鋼管/板承受載荷的有效厚度減少，降低了與分層同方向受載的承載能力，沖擊韌性和抗疲勞能力變?nèi)鮗2-5]。因此，對鋼管原材料進行100%超聲波檢測，可提高分層缺陷檢出率，降低鋼管中分層缺陷的產(chǎn)生；在制管過程進行抽查，相關(guān)標準中要求如下：西二線《天然氣輸送管道螺旋螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷通用技術(shù)條件》[6]（Q/SY GJX107—2009）條款9.4無損檢測規(guī)定 “由于板卷生產(chǎn)時無法進行超聲波檢測，該項檢查在制管廠進行，但板卷制造商應(yīng)對板卷質(zhì)量負責”；《西氣東輸二線管道工程用螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》[7]（Q/SY GJX 0102—2007）條款9.8無損檢查規(guī)定 “制造商應(yīng)對每一根鋼管焊縫全長進行100%X射線檢查和100%超聲波檢查”， “超聲波自動化檢測系統(tǒng)可依照ASTM A435[8]要求對鋼管管體或制管用板卷多平行帶或格子掃描方式進行檢查，掃查至少能覆蓋表面的25%，鋼管焊縫兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)及管端50 mm范圍內(nèi)必須100%進行檢測”；對于在役管道中發(fā)現(xiàn)的分層缺陷應(yīng)做好評價及修復(fù)補強/換管工作，保證管道的安全運行。

4 缺陷適用性評價

管道分層缺陷的評價，目前國內(nèi)還沒有相關(guān)評價標準，主要是采用API 579—2007第13章“分層評價”[9]，共包含三級評價方法。

下面對上述缺陷按照一級評價進行評估，具體步驟如下。

（1）確定管體內(nèi)外表面是否存在鼓包。現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)外表面不存在鼓包，內(nèi)表面未知，但內(nèi)檢測未顯示存在鼓包，故認為不存在鼓包。

（2）確定圖4中分層缺陷的尺寸。可知，長度s=8 118 mm，環(huán)向?qū)挾萩=138.81 mm，鋼管實際壁厚tc=18.4 mm（檢查未發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄），距外壁最小離距離為5.38 mm，距離內(nèi)壁最小值為6.09 mm， 故 tmm=min（5.38,6.09）=5.38 mm， 分層高度Lh=6.93 mm。該分層缺陷寬度方向距離螺旋焊縫約為200 mm，但長度方向距離環(huán)焊縫為0，即分層搭接到了環(huán)焊縫，故距離焊縫距離Lw=0。

（3）計算Ls是否滿足單個分層要求。由于tmm為5.38 mm，故式（1）滿足，分層缺陷不會發(fā)生表面破損。

（4）計算分層高度是否滿足以下公式。

由于Lw為0，故式（2）不滿足。（5）采用以下任一公式確定評價所用壁厚tc。

式中：tnom—名義壁厚；

LOSS—服役過程損失的壁厚；

圖4 分層缺陷幾何參數(shù)示意圖

FCA—未來腐蝕裕量；

trd—遠離缺陷處的實際壁厚。

不論是式（3）還是式（4），由現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可得，服役過程損失的壁厚幾乎沒有，同時天然氣管線設(shè)計中沒有考慮FCA，故tc值仍為18.4 mm。

（6）是否滿足以下條件。

①分層沒有沿壁厚方向穿透的征兆。根據(jù)當前數(shù)據(jù)，沒有測量數(shù)據(jù)（或?qū)Ρ葦?shù)據(jù)）顯示該分層缺陷會沿壁厚方向發(fā)展成穿透型裂紋。

②tmm是否滿足式（1）tmm≥0.1tc=1.84 mm。 由于tmm為5.38 mm，故式（1）滿足，分層缺陷不會發(fā)生表面破損。

③分層缺陷距離焊縫的距離Lw是否滿足以下公式。

由于Lw為0，故式（5）不滿足。

④分層缺陷距離主要結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的距離Lmsd是否滿足以下公式

由于該分層缺陷位于鋼管直管段，故缺陷遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處（三通、彎頭），故式（6）滿足。

⑤若服役環(huán)境對氫損傷（如氫致開裂）有要求，則分層缺陷的長度和寬度必須滿足以下要求

雖然缺陷長度s為8 118 mm，c為138.81 mm，不滿足式（7）和式（8）要求，但本管道對氫損傷沒有特殊要求，天然氣組分中氫含量極低。故不必考慮式（7）及式（8）。

（7）根據(jù)當前的tc值計算管道最大服役壓力MAWP是否滿足運行要求，由C掃描壁厚測量數(shù)據(jù)可知管道無明顯壁厚減薄，滿足設(shè)計要求。

綜上可知，該缺陷不滿足API 579—2007對分層缺陷1級評價的要求。由于該分層缺陷不可接受，建議進行換管或采用復(fù)合材料對管體進行補強修復(fù)。

5 結(jié)論及建議

（1）通過超聲探傷和C掃描無損檢測，結(jié)合螺旋焊管生產(chǎn)工藝，分析判定該缺陷為內(nèi)部分層缺陷。

（2） 基于 API 579—2007《服役適用性》分層缺陷1級評價方法對該缺陷進行了評價，結(jié)果表明該分層缺陷不可接受，并建議進行換管或采用復(fù)合材料對管體進行補強修復(fù)。

（3）管道分層缺陷的存在降低了與分層同方向受載的承載能力，以及沖擊韌性和抗疲勞能力變?nèi)?。因此，?yīng)加強管道原材料、制管過程和服役過程中的檢測和評價，確保管道的安全運行。

[1]鄧勇，吳冠霖，宋立兵.在役天然氣管道分層缺陷的檢測判定[J].無損檢測,2012，34（9）:69-70.

[2]李艷梅，朱伏先，崔鳳平，等.中厚鋼板分層缺陷的形成機制分析[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007，28（7）:1002-1005.

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[5]王斌.中厚鋼板分層缺陷的力學(xué)性能影響分析[J].物理測試,2015，33（4）:46-48.

[6]Q/SY GJX107—2009,天然氣輸送管道螺旋螺旋縫埋弧焊管用熱軋板卷通用技術(shù)條件[S].

[7]Q/SY GJX 0102—2007,西氣東輸二線管道工程用螺旋埋弧焊管技術(shù)條件[S].

[8]ASTM A435/A435M–90（2012）,Standard Specification for Straight-beam Ultrasonic Examination of Steel Plates[S].

[9]API 579-1—2007,Fitness-For-Service[S].

Non-destructive Inspection and Safety Evaluation for Lamination Defect of Gas Transportation Pipeline on Service

WANG Ke1,2,LUO Jinheng1,2,YANG Fengping1,2,MA Weifeng1,2,ZHANG Yao1
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710065,China;2.State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi’an 710065,China）

For the abnormal wall thickness metal loss of gas transportation pipelines on service,which found in pipeline inspection,it adopted ultrasonic angle probe and C-Scan technologies to detect and verify,gave the applicable evaluation method for pipeline defects,and carried out evaluation for the detected defects.The result indicated that the defect is internal lamination defect,which cannot meet level 1 assessment requirements for pipeline lamination defect in API 579—2007.It suggested changing pipeline or adopting composite materials to conduct reinforcement and repair,and should strengthen detection and evaluation for pipeline raw material,manufacturing process and service process,to ensure pipeline safe operation.

welded pipe;natural gas pipeline;lamination defect;nondestructive testing;safety evaluation

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.015

王 珂（1985—），男，碩士，現(xiàn)在中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院從事油氣管道和儲運設(shè)施的安全評價工作。

2016-04-12

羅 剛