天然氣管道腐蝕穿孔失效分析與壽命預(yù)測(cè)

張書(shū)成,呂玉海,裴廷剛,鄧 鵬,陳 斌,付英奎,賴(lài)無(wú)忌,姚小琪,林修洲

(1. 中石油長(zhǎng)慶油田第一采氣廠，靖邊 718500; 2. 四川輕化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，自貢 643000)

根據(jù)《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，2020 年天然氣在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比將達(dá)到10%[1-3]，天然氣產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。埋地碳鋼管道以方便快捷、無(wú)污染、成本低等特點(diǎn)承擔(dān)著我國(guó)99%的天然氣運(yùn)輸[4]。埋地碳鋼管道不可避免地會(huì)受到腐蝕[5]。腐蝕將造成管道壁厚減薄、強(qiáng)度降低或應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道泄漏或爆炸，不僅影響天然氣的正常輸送，甚至?xí){人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境[6-7]。隨著老齡管道不斷增多，天然氣管道的安全評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)愈加重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在油氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面已開(kāi)展了較多研究[8-10]，對(duì)油氣管道剩余壽命預(yù)測(cè)也進(jìn)行了大量研究[11-15]，這些研究方法得到的結(jié)果與實(shí)際值較接近，但是仍存在不足。四川某天然氣管道發(fā)生腐蝕事故，本工作對(duì)其腐蝕失效原因進(jìn)行分析，并采用Matlab軟件對(duì)管道的腐蝕過(guò)程進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)含腐蝕坑埋地管道的使用壽命。

1 失效管道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

1.1 失效管道的基本情況

該管道位于四川某地，因發(fā)生腐蝕穿孔而失效，但并未造成人員傷亡及重大事故。失效管道的規(guī)格為φ426 mm×7 mm，材料為X65鋼，建成時(shí)間為1981年，管道外包覆的涂層為石油瀝青防腐蝕層，管道陰極保護(hù)電位為0.87 V，管道設(shè)計(jì)壓力為6 MPa，工作壓力為1.5～3.1 MPa。管道內(nèi)輸送的天然氣主要成分為甲烷(約為90%)，并含有1.15%～1.25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CO2，85～180 mg/L H2O，1.5%～2.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2S。

腐蝕穿孔管段已進(jìn)行了更換，將更換下來(lái)的管段進(jìn)行理化性能檢測(cè)。圖1為該管段的宏觀腐蝕形貌。由圖1可見(jiàn)，管道外壁發(fā)生涂層剝離，但仍留有石油瀝青防腐蝕層，且涂層剝離部分腐蝕較為嚴(yán)重；管道內(nèi)壁銹層呈片狀,疏松、多孔,輕輕敲打即可脫離基體，并發(fā)現(xiàn)6個(gè)腐蝕坑。

(a) 外壁

(b) 內(nèi)壁

1.2 失效管道周?chē)h(huán)境

該失效管道所處環(huán)境為海拔800 m左右的低山，該地氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，春季多寒潮低溫天氣，夏季多伏旱和洪澇、大風(fēng)、冰雹，秋季多連綿陰雨，全年平均氣溫在14.7～17.6 ℃，無(wú)霜期長(zhǎng)(300 d左右)，雨熱同期，雨量充沛，年平均降雨量在1 076～1 270 mm。

失效管道埋深1.8 m，焊口3道，管體底部有地下水，褐色砂土并夾少量黏土。失效管道周?chē)寥罎駶?rùn)，土壤電阻率為49 Ω·m、土壤中SO42-含量為84.5 mg/kg，Cl-含量為26.1 mg/kg，土壤pH為7.41。

2 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

2.1 化學(xué)成分與組織分析

按GB/T 4336-2002《碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》標(biāo)準(zhǔn)采用原子發(fā)射光譜分析法對(duì)失效管道的化學(xué)成分進(jìn)行分析,結(jié)果列于表2中。結(jié)果表明：失效管道中C、S含量偏高。失效管道組織中存在碳化物、硫化物等夾雜物，如圖2所示，是導(dǎo)致管道腐蝕的原因之一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，推測(cè)失效管道內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3，并含有少量FeS、Fe2O3和Fe3O4；外壁的腐蝕產(chǎn)物主要Fe2O3，其余為FeCO3、FeS、Fe3O4。

表1 失效管道化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖2 失效管道的顯微組織

2.2 腐蝕坑尺寸測(cè)量

采用AR880超聲波測(cè)厚儀測(cè)失效管道上6個(gè)腐蝕坑的尺寸，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明：腐蝕坑的最大長(zhǎng)度為19.4～40.1 mm，最大深度為1.58～3.42 mm。

2.3 腐蝕原因分析

失效管道內(nèi)環(huán)境中的H2S較為活波，在有水的情況下，與管道中的Fe生成較為致密的FeS，對(duì)腐蝕有一定的減緩作用。但由于環(huán)境中CO2含量較高，CO2與Fe反應(yīng)生成的FeCO3較為疏松,不能對(duì)基體起到保護(hù)作用。在H2S和FeCO3共同作用下，鋼材會(huì)進(jìn)一步發(fā)生腐蝕[16-17]。管道母材主要為鐵素體+珠光體，分布較為均勻，耐蝕性較強(qiáng)，腐蝕程度輕微。焊縫區(qū)為鐵素體+珠光體+貝氏體組織，存在較為粗大的枝晶，組織不均勻。由于管道的組織結(jié)構(gòu)不均勻，易于發(fā)生電偶腐蝕，焊縫區(qū)優(yōu)先腐蝕且腐蝕情況較為嚴(yán)重。

在失效管道外壁石油瀝青防腐蝕層老化脫落的區(qū)域，腐蝕較為嚴(yán)重。O2、CO2和H2O與鋼管接觸發(fā)生腐蝕，且生成物較為疏松。硫酸鹽還原菌腐蝕管道外壁，生成FeS。

3 管道失效判定擬合及壽命預(yù)測(cè)

運(yùn)用Matlab軟件對(duì)管道腐蝕失效的判定公式進(jìn)行擬合。通過(guò)比較爆破壓力的擬合計(jì)算值和試驗(yàn)值驗(yàn)證擬合公式的準(zhǔn)確性，預(yù)測(cè)含腐蝕坑管道的使用壽命，并提出基于思維進(jìn)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)管道失效進(jìn)行診斷的方法。

3.1 腐蝕坑數(shù)據(jù)檢測(cè)和爆破壓力測(cè)試

在管道檢測(cè)中，測(cè)量了一些外壁腐蝕坑的幾何尺寸。選取30個(gè)腐蝕坑,參照其幾何數(shù)據(jù)，分別在試驗(yàn)管段外壁制備30個(gè)腐蝕坑，然后采用XGYS-10型管材靜液壓(爆破)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了試驗(yàn)管段的爆破壓力，結(jié)果如表4所示。

3.2 判定公式的構(gòu)建

在本工作中失效管道的鋼級(jí)、直徑與壁厚等條件與文獻(xiàn)[18]中管道有一定的相似性，故參考其公式，結(jié)合失效管道的具體情況，構(gòu)建最大失效壓力即爆破壓力的計(jì)算公式。

對(duì)腐蝕坑最大深度系數(shù)k1和腐蝕坑最大長(zhǎng)度系數(shù)k2進(jìn)行定義，分別見(jiàn)式(1)和式(2)。腐蝕管道的爆破壓力與腐蝕坑最大深度系數(shù)k1、腐蝕坑最大長(zhǎng)度系數(shù)k2、管道的流動(dòng)應(yīng)力σ具有一定的關(guān)系[19]，當(dāng)爆破壓力低于3.1 MPa時(shí)，腐蝕坑隨時(shí)可能破裂。

(1)

(2)

式中：d為腐蝕坑最大深度；t為壁厚；L為腐蝕坑最大長(zhǎng)度；D為管徑。

根據(jù)管道的實(shí)際性質(zhì)，將擬合公式的基本形式確定為

表3 腐蝕坑尺寸及管道爆破壓力

(3)

當(dāng)d和L趨于0時(shí)，k1=k2=0，即

(4)

將表3中的數(shù)據(jù)帶入式(3)中，通過(guò)Matlab軟件編程對(duì)這些腐蝕坑數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到擬合公式為

(5)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，對(duì)擬合公式的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)表2所示的腐蝕坑幾何尺寸，在管段外壁制備了相應(yīng)的腐蝕坑，采用前述方法測(cè)試了這些管段的爆破壓力，結(jié)果列于表4中。同時(shí)，采用式(5)計(jì)算相應(yīng)管段的爆破壓力，結(jié)果也列于表4中。從表4可以看出，采用式(5)所示擬合公式計(jì)算的爆破壓力與實(shí)測(cè)得到的爆破壓力之間誤差較小，這說(shuō)明擬合公式具有較好的準(zhǔn)確性。該管道的工作壓力為1.5～3.1 MPa，可見(jiàn)2號(hào)腐蝕坑即將發(fā)生腐蝕穿孔。

表4 管道爆破壓力的試驗(yàn)值和計(jì)算值

3.3 基于思維進(jìn)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

在對(duì)管道各腐蝕坑及腐蝕速率等相關(guān)因素進(jìn)行定期檢測(cè)后，可得到腐蝕坑形狀、深度及相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間的變化，運(yùn)用該算法擬合并預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)腐蝕坑形狀、深度及相關(guān)因素的變化，結(jié)合式(5)及相關(guān)失效判定標(biāo)準(zhǔn)，從理論上可以預(yù)測(cè)出管道的使用年限[20]。當(dāng)管道運(yùn)行至預(yù)測(cè)失效年份前，對(duì)管道及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)或更換，可避免管道腐蝕穿孔帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失及環(huán)境污染。但由于本工作缺少管道運(yùn)行的歷年相關(guān)數(shù)據(jù)，無(wú)法預(yù)測(cè)管道的使用年限，因此僅提出一種可行性思路。

首先根據(jù)擬合函數(shù)的輸入/輸出參數(shù)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖3)，進(jìn)而得到思維進(jìn)化算法個(gè)體的編碼長(zhǎng)度，并構(gòu)建優(yōu)化算法模型。然后，用思維進(jìn)化算法對(duì) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，選取訓(xùn)練數(shù)據(jù)均方誤差的倒數(shù)作為各個(gè)種群和個(gè)體的得分函數(shù)，經(jīng)過(guò)不斷趨同、異化、迭代，輸出最優(yōu)個(gè)體。最后解析最優(yōu)個(gè)體，得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，再利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到思維進(jìn)化效果，利用測(cè)試數(shù)據(jù)樣本預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能，最后實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)較好的擬合。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1) 失效管道發(fā)生涂層剝離，但仍留有石油瀝青防腐蝕層，涂層剝離部分腐蝕較為嚴(yán)重，O2、CO2和H2O與鋼管接觸發(fā)生腐蝕，生成物較為疏松。

(2) 硫酸鹽還原菌腐蝕管道外壁，生成FeS；管道內(nèi)壁銹層呈片狀,疏松、多孔，輕輕敲打即可脫離基體，H2S、CO2腐蝕特征明顯。

(3) 在失效管段發(fā)現(xiàn)6個(gè)腐蝕坑，經(jīng)Matlab軟件建模、模擬分析，預(yù)測(cè)其中1個(gè)腐蝕坑即將穿孔。