油氣管道機械損傷缺陷及其腐蝕原因分析*

王 鋒，齊嵩嶺，聞亞星，陳金忠，馬義來

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；2.中國石油青海油田分公司，青海 西寧 810006)

油氣管道機械損傷通常是由施工、建造等所致，機械損傷對管道完整性管理和缺陷壽命預測影響很大，是陸地和海上油氣管道主要的失效模式之一。機械損傷的缺陷類型一般分為凹坑、劃痕及凹坑+劃痕[1]。機械損傷可能導致管道瞬間失效，也可能隨著時間發(fā)生延遲滯后失效。機械損傷缺陷區(qū)別于其他類普通缺陷，如果管道本體發(fā)生機械損傷且管壁部分產(chǎn)生金屬損失，機械劃傷部位的管道內(nèi)外壁都可能發(fā)生腐蝕[2-3]。油氣管道敷設環(huán)境不同和輸送介質(zhì)不同，即土壤環(huán)境腐蝕性和輸送介質(zhì)腐蝕性不同，則其金屬損失缺陷的腐蝕速率不同。目前，漏磁內(nèi)檢測是一種高效、可靠的識別機械損傷信號的方法，對漏磁數(shù)據(jù)的有效分析，能準確識別機械損傷信號[4-6]。機械損傷所導致金屬損失缺陷的檢測、識別和腐蝕原因分析是加強油氣管道機械損傷完整性管理的有效途徑，是減少事故發(fā)生和降低安全管理運行風險的有效方法，亦是保障油氣管道安全平穩(wěn)運行的重要環(huán)節(jié)。

1 漏磁內(nèi)檢測信號分析與評價

1.1 管道概況及漏磁檢測情況

某油氣管道敷設在鹽堿土壤里，長度50.1 km，管道設計壓力6.0 MPa，最大允許操作壓力(MAOP)為6.0 MPa，壁厚6.0 mm，材質(zhì)X52。該管道間隔5 a進行一次漏磁內(nèi)檢測，根據(jù)SY/T 0087.5—2016《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價標準 第5部分油氣管道腐蝕數(shù)據(jù)綜合分析》，依據(jù)缺陷距前后焊縫距離、焊縫編號、鐘點方位、長寬度等特征對兩次漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行對比分析[7]，發(fā)現(xiàn)不同于普通金屬損失的外壁異常漏磁信號。對兩處異常漏磁信號點進行完整性評價，兩處缺陷無法承載當前工作壓力，經(jīng)開挖驗證，對兩處缺陷點及時進行補強處理，保證了管道安全運行。

1.2 異常漏磁信號分析

在漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析工作中，分析金屬損失信號，首先要辨析金屬增加信號。根據(jù)漏磁信號“極性一致”判讀原則，金屬損失與金屬增加信號是兩個相反的信號特征[8-9]。當檢測器通過缺陷時，漏磁信號的形狀與徑向信號強度變化依賴于被檢測到的金屬損失缺陷的形狀與尺寸，對于任何單個金屬損失缺陷，檢測信號峰的數(shù)量和極性是相同的[10-11]。

普通金屬增加漏磁信號見圖1，異常漏磁信號見圖2。徑向信號是一個窄長的信號特征，幅值很高，從軸向信號和偽彩圖可以看出，軸向信號有很尖銳的極大峰和兩個極小峰值；徑向信號有正負兩個峰值都很尖銳；向信號在一個近似矩形的范圍內(nèi)有兩正兩負四個峰。根據(jù)漏磁信號 “極性一致”判讀原則和特殊信號識別原理，異常漏磁信號疑似機械損傷[12-14]。

圖1 金屬增加信號及偽彩圖

圖2 異常漏磁信號及偽彩圖

1.3 異常漏磁信號評價

對異常金屬損失點采用ASME B31G—2012和TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則 長輸(油氣)管道》進行完整性評價[15-16]。ASME B31G—2012依靠金屬損失點的長度和深度主要評價缺陷的最大安全運行壓力，只考慮內(nèi)壓對管道的影響，不考慮其他載荷的影響。當缺陷的最大操作壓力大于管道最大允許操作壓力時，表示缺陷不可接受，需要立即維修；當小于管道最大允許操作壓力時表示缺陷可接受，考慮計劃維修或進行監(jiān)控處理。通過TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則 長輸(油氣)管道》對異常金屬損失進行壽命預測。

對異常金屬損失點采用如下方法進行均勻腐蝕速率計算：

式中：RML為金屬損失的速率，mm/a；ΔMLd為金屬損失深度在Δt時間內(nèi)的增量，%；WT為管道的壁厚，mm；Δt為該次檢測日期與投產(chǎn)日期的時間間隔，a。

剩余壽命預測計算方法如下：

經(jīng)評價，1號和2號金屬損失點最大安全運行壓力分別為6.5 MPa和7.8 MPa，最大運行壓力大于管道的最大安全運行壓力(MAOP)。按照ASME B31G—2012應對兩處異常信號點開挖并需要立即維修。通過TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則 長輸(油氣)管道》進行剩余壽命預測，具體金屬損失異常信息見表1。由表1可知，1號金屬損失點和2號金屬損失點腐蝕速率分別為1.03 mm/a和0.56 mm/a，明顯高于普通環(huán)境下金屬損失腐蝕速率，理論計算為外界腐蝕環(huán)境不發(fā)生變化，剩余壽命分別為0.8 a和 2.5 a。按照QSY 05267—2016《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測開挖驗證規(guī)范》對異常信號點缺陷進行開挖驗證，結(jié)果顯示，該缺陷為機械損傷。對缺陷的尺寸進行測量，長寬、位置和腐蝕深度，與檢測數(shù)據(jù)相吻合。按照GB 32167—2015 《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中缺陷的修復方式，對兩處缺陷宜采用套筒修復方式進行永久修復。

表1 金屬損失異常點的詳細信息

2 腐蝕原因分析

由于管道敷設高程和地下水位的不同，不同地段土壤的水含量和通氣量不同。對1號和2號金屬損失點腐蝕產(chǎn)物取樣進行半定量X熒光分析，結(jié)果見表2。腐蝕坑區(qū)的黑色腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe的氧化物，F(xiàn)e2O3占48.26%和氯化物占30.15%，腐蝕產(chǎn)物中還含有Si,Ca,Mg和K等的少量氧化物為堿土泥沙雜質(zhì)，腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3和氯化物。原始形貌見圖3(a)，去除腐蝕產(chǎn)物見圖 3(b)。兩處土壤的含水量、通氣量的差異是造成腐蝕速率不同的主要因素。

圖3缺陷位于潮濕地區(qū)，蝕坑位于管道頂部，開挖后3PE防護層出現(xiàn)破損。由于鹽堿土會隨著含水率的變化膨脹收縮，使得缺陷處環(huán)氧粉末底漆及3PE防腐層出現(xiàn)輕微剝離現(xiàn)象，蝕坑中充滿了黑色腐蝕產(chǎn)物，去除腐蝕產(chǎn)物后，鐵基體表面發(fā)黑。缺陷呈魚鱗形。腐蝕形貌是由凹凸不平的點蝕坑連接而成，沿管道周向呈水平和垂直發(fā)展迅速。蝕孔內(nèi)陰極發(fā)生了耗氧反應，導致蝕孔內(nèi)貧氧，孔外富氧，蝕孔內(nèi)外形成氧濃差電池，發(fā)生了電化學腐蝕。蝕孔內(nèi)鐵基體的不斷溶解，使得金屬陽離子不斷增加，為保持蝕孔內(nèi)外的電中性，蝕孔外的氯離子向蝕孔內(nèi)遷移，因此加速了金屬基體的腐蝕。

圖4缺陷位于半潮濕地區(qū)，蝕坑也位于管道頂部，開挖后3PE防腐層出現(xiàn)破損，環(huán)氧粉末底漆、3PE防腐層和基體附著力較好。腐蝕形貌呈現(xiàn)均勻的長條形，凹凸不平的小坑蝕連接，去除腐蝕產(chǎn)物后，金屬基體表面發(fā)亮。

表2 腐蝕產(chǎn)物X熒光測試 w,%

圖3 潮濕環(huán)境腐蝕形貌

圖4 半潮濕環(huán)境腐蝕形貌

3 結(jié)論與建議

(1)漏磁內(nèi)檢測是識別管道機械損傷導致金屬損失缺陷的有效方法之一，機械損傷導致金屬損失缺陷應及時檢測并消除。

(2)在土壤水含量和通氣量不同的情況下，潮濕環(huán)境促進了蝕坑外氯離子的遷移，其腐蝕比半潮濕環(huán)境腐蝕嚴重。應該及時檢測并消除蝕坑，保證管道安全運行。

(3)應對具備內(nèi)檢測條件的管道進行漏磁內(nèi)檢測，通過對管道漏磁數(shù)據(jù)的深度分析，掌握管道活性腐蝕點和非活性腐蝕點的腐蝕規(guī)律；做好管道巡護和施工管理工作，防止管道受到損傷；做好外防腐層的檢測，避免內(nèi)外腐蝕共同作用，導致管道發(fā)生失效。