基于內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的天然氣管道腐蝕缺陷評(píng)價(jià)

姜璐,于磊

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院,安徽 合肥 230051)

腐蝕缺陷是天然氣管道常見(jiàn)缺陷之一,是由于化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)造成的材料退化。管道所處環(huán)境、陰極保護(hù)問(wèn)題、殘余應(yīng)力等可造成管道外腐蝕,輸送介質(zhì)的污染、腐蝕性等可造成管道內(nèi)腐蝕。根據(jù)歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組織(EGIG)的報(bào)告[1],2010—2019年歐洲由于腐蝕發(fā)生的天然氣管道事故占26.63%,僅次于第三方破壞,為管道事故發(fā)生的第二大原因,且由腐蝕缺陷引起的泄漏逐漸傾向于小孔泄漏。近幾十年來(lái),腐蝕一直是天然氣管道失效的重要原因,通過(guò)陰極保護(hù)、加緩蝕劑等方式可有效控制腐蝕,但天然氣鋼質(zhì)管道的腐蝕無(wú)法消除。因此,有效的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)是預(yù)防事故的重要手段。

漏磁內(nèi)檢測(cè)通過(guò)漏磁原理,將內(nèi)檢測(cè)器置于管道中,通過(guò)管道內(nèi)流體驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)不停輸?shù)墓艿罊z測(cè)。漏磁內(nèi)檢測(cè)速度快,精度較高,對(duì)體積型缺陷較敏感,可有效檢測(cè)鋼制管道的金屬損失,包括腐蝕缺陷及管體制造缺陷[2]。漏磁內(nèi)檢測(cè)可采集到管道腐蝕處的長(zhǎng)度、寬度及深度等數(shù)據(jù),通過(guò)ID/OD探頭可以識(shí)別出內(nèi)腐蝕或外腐蝕。

基于內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的天然氣管道腐蝕評(píng)價(jià)是天然氣管道完整性評(píng)價(jià)的一部分,對(duì)保障天然氣管道的安全運(yùn)行起到重要作用。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)及腐蝕評(píng)價(jià)模型,可判定現(xiàn)有的腐蝕缺陷是否影響管道的安全運(yùn)行,同時(shí)可進(jìn)行維修策略的制定,避免盲目維修。

本文提出了腐蝕缺陷評(píng)價(jià)的流程及各環(huán)節(jié)的分析方法,并結(jié)合實(shí)際檢測(cè)案例,對(duì)腐蝕評(píng)價(jià)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了描述。

1 腐蝕缺陷評(píng)價(jià)方法

腐蝕缺陷評(píng)價(jià)包括數(shù)據(jù)采集、內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)、維修決策。

1.1 數(shù)據(jù)采集

為精準(zhǔn)地進(jìn)行腐蝕評(píng)價(jià),采集數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性是評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),也是決定性因素。腐蝕評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來(lái)源包括:

1)管道的基本信息,通過(guò)資料收集取得,包括管道的規(guī)格、材質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)、管道分段情況、高后果區(qū)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、維修情況等。

2)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù):通過(guò)管道內(nèi)檢測(cè)取得,包括幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)(環(huán)焊縫、彎頭、三通等特征位置及變形缺陷等)及漏磁內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)(包括金屬損失的位置、尺寸、深度等)。

3)IMU數(shù)據(jù):通過(guò)管道內(nèi)檢測(cè)取得,包括管道的高程及坐標(biāo)。

1.2 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

通過(guò)對(duì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類與比較,掌握缺陷的分布情況,對(duì)管道的安全狀況做初步判斷,同時(shí)結(jié)合缺陷的類型,掌握需重點(diǎn)關(guān)注的管段。其中,對(duì)金屬損失缺陷進(jìn)行分類非常重要,這對(duì)辨識(shí)缺陷成因有重要意義,若出現(xiàn)點(diǎn)蝕或針孔,可能為腐蝕缺陷,若出現(xiàn)溝紋或溝槽,可能是機(jī)械劃傷[3]。金屬損失類型的定義參考《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 27699—2011)[4]。

分析檢測(cè)里程與缺陷長(zhǎng)度、寬度、深度的關(guān)系,可得到大致掌握缺陷嚴(yán)重的管段。必要時(shí),可對(duì)缺陷的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,掌握地形及管道走向?qū)Ωg的影響。

1.3 腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是根據(jù)已采集的腐蝕缺陷數(shù)據(jù),通過(guò)評(píng)價(jià)模型,計(jì)算目前的管道強(qiáng)度是否能滿足需求,是否需要立即維修或計(jì)劃維修,為管道的完整性管理提供重要依據(jù)。

腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法較多,可參考《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(GB 32167—2015)附錄J[5]。主流方法有ASME B31G、改進(jìn)的ASME B31G、RSTRENG、API579、BS7910,上述方法都是根據(jù)NG-18未穿透缺陷的評(píng)價(jià)公式轉(zhuǎn)化而來(lái),只是鼓脹因子、流變應(yīng)力、缺陷形貌的近似表達(dá)有所不同。其中,ASME B31G方法是最早運(yùn)用的評(píng)價(jià)方法,此方法認(rèn)為不含缺陷管道的環(huán)向應(yīng)力是最大主應(yīng)力,控制了管道的失效。此方法應(yīng)用方便,但較為保守。改進(jìn)的ASME B31G方法對(duì)缺陷尺寸的表達(dá),認(rèn)為缺陷形狀不規(guī)則,面積為0.85dL,保守程度較B31G方法低。而RSTERNG方法用有效面積法估計(jì)腐蝕區(qū)域面積的大小,比改進(jìn)的B31G方法更為準(zhǔn)確[6]。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6151—2009采用RSTRENG的屈服強(qiáng)度計(jì)算公式,在國(guó)內(nèi)管道的完整性管理中普遍應(yīng)用。式(1)～式(3)為SY/T 6151—2009中最大安全工作壓力的計(jì)算公式[7]。

(1)

(2)

(3)

式中,ps為管道最大安全工作壓力,MPa;F為設(shè)計(jì)系數(shù);M為鼓脹系數(shù);σs為最小屈服強(qiáng)度,MPa;D為管道公稱外徑,mm;d為實(shí)測(cè)腐蝕區(qū)域最大腐蝕坑深度,mm;t為管道公稱壁厚,mm;Lm為腐蝕區(qū)域縱向投影長(zhǎng)度,大于D時(shí)取D,mm。

腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)后,通過(guò)預(yù)估維修比(ERF)來(lái)評(píng)判管道是否安全。ERF是管道最大允許操作壓力與缺陷處最大安全工作壓力的比值。計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。

(4)

式中,MAOP為管道最大允許工作壓力,MPa。

當(dāng)ERF大于1時(shí),最大安全工作壓力小于管道最大允許操作壓力,即此時(shí)管道在安全狀況下不能滿足最大操作壓力的需求,需要立即維修;當(dāng)ERF小于1時(shí),最大安全工作壓力大于管道最大允許操作壓力,此缺陷不影響管道的安全運(yùn)行,為可接受的缺陷,不需要進(jìn)行維修。

ERF曲線展示了缺陷尺寸與壓力的關(guān)系。ERF曲線的橫軸為缺陷長(zhǎng)度,縱軸為缺陷深度,ERF等于1的曲線表示在管道可以安全運(yùn)行的臨界狀態(tài),缺陷長(zhǎng)度和深度的范圍。將腐蝕點(diǎn)的長(zhǎng)度和深度表示在ERF曲線圖中,若腐蝕點(diǎn)位于ERF等于1的曲線上方,則缺陷不可接受,需要立即維修,若位于ERF等于1的曲線下方,則缺陷可接受,不需立即維修。

1.4 維修決策

根據(jù)1.3節(jié)所述方法,可根據(jù)ERF值是否大于1,來(lái)判斷腐蝕缺陷是否需要立即維修。腐蝕缺陷為與時(shí)間有關(guān)的缺陷,會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷增長(zhǎng)。對(duì)于不需要立即維修的缺陷,可結(jié)合腐蝕增長(zhǎng)速率計(jì)算及剩余強(qiáng)度評(píng)估,來(lái)進(jìn)行計(jì)劃維修決策。

腐蝕增長(zhǎng)速率主要根據(jù)兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比計(jì)算腐蝕的增長(zhǎng)率,如果是首次進(jìn)行檢測(cè),可采用全壽命或半壽命的方法來(lái)預(yù)測(cè)腐蝕缺陷的增長(zhǎng)速率,其中半壽命方法較保守。可采用最深腐蝕缺陷的增長(zhǎng)速率作為管道整體的腐蝕增長(zhǎng)速率。全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率計(jì)算公式見(jiàn)式(5) ,半壽命腐蝕增長(zhǎng)速率計(jì)算公式見(jiàn)式(6)。

(5)

(6)

式中,Crate為全壽命腐蝕增長(zhǎng)速率,mm/a;Crate′為半壽命腐蝕增長(zhǎng)速率,mm/a;d2為最近一次檢測(cè)的腐蝕深度,mm;d1為上一次檢測(cè)的腐蝕深度,mm;T2為最近一次檢測(cè)的時(shí)間,a;T1為上一次檢測(cè)的時(shí)間(若首次檢測(cè),則為投產(chǎn)時(shí)間),a。

用計(jì)算出的腐蝕速率對(duì)腐蝕深度進(jìn)行累加,若要對(duì)n年后的腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià),則預(yù)測(cè)腐蝕深度為現(xiàn)有腐蝕深度加腐蝕速率的n倍,將此預(yù)測(cè)腐蝕深度帶入剩余強(qiáng)度評(píng)估模型,可計(jì)算出n年后的ERF值,若ERF值大于1,則在n年后需進(jìn)行維修,由此實(shí)現(xiàn)計(jì)劃維修策略的制定。

2 實(shí)例分析

2.1 管道基本情況

某天然氣管道約48 km,材質(zhì)為L(zhǎng)415NB,管徑為711 mm,壁厚為11.9 mm/12.5 mm,防腐類型為3PE加強(qiáng)型,于2014年投產(chǎn),2021年進(jìn)行全線幾何檢測(cè)及漏磁內(nèi)檢測(cè)。管道設(shè)計(jì)壓力為4 MPa,最大允許操作壓力為4 MPa,最小屈服強(qiáng)度為415 MPa,設(shè)計(jì)系數(shù)為0.4。

2.2 內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

根據(jù)幾何檢測(cè)及漏磁內(nèi)檢測(cè),此管道含環(huán)焊縫4 211道,檢測(cè)出腐蝕缺陷2 457處。檢測(cè)出的腐蝕缺陷中,內(nèi)壁缺陷有1 362處,外壁缺陷有1 096處;腐蝕深度小于10%壁厚的有2 343處,腐蝕深度在10%～20%壁厚的有112處,腐蝕深度在20%～30%壁厚的有2處。 可以看出,此條管道內(nèi)、外壁腐蝕較平均,外壁腐蝕稍多。

腐蝕缺陷數(shù)目、深度、長(zhǎng)度沿里程的分布見(jiàn)圖1～3。圖1為每1 000 m檢測(cè)出的腐蝕缺陷數(shù)。

圖1 腐蝕缺陷數(shù)目沿檢測(cè)里程分布圖

從圖1可以看出,1 km內(nèi)、3～4 km內(nèi)、29～30 km內(nèi),檢測(cè)出較多腐蝕缺陷,其中1 km內(nèi)出現(xiàn)的腐蝕缺陷最多。對(duì)于腐蝕缺陷較集中的區(qū)段,一方面在選擇開(kāi)挖點(diǎn)時(shí)可有所側(cè)重;另一方面需分析腐蝕缺陷較集中的原因,可能為腐蝕防護(hù)系統(tǒng)不到位,也可能是管道所處地形問(wèn)題導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)濃度較大。

從圖2中可以看出該管段腐蝕缺陷深度最深一處位于44.5 km處,為外腐蝕,絕對(duì)深度達(dá)2.499 mm,相對(duì)深度為21%。此腐蝕點(diǎn)為點(diǎn)蝕,且深度較深,很容易引起管道失效,建議對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖直接檢測(cè)。

圖2 腐蝕缺陷深度沿檢測(cè)里程分布圖

從圖3可以看出,該管段腐蝕缺陷長(zhǎng)度最長(zhǎng)的一處為669 mm,位于1.127 km處。在23.1～23.3 km處存在5個(gè)長(zhǎng)度大于250 mm的內(nèi)腐蝕缺陷,從此段管道的高程數(shù)據(jù)可以看出,此部分為低洼處,這里較大長(zhǎng)度的內(nèi)腐蝕考慮有水線腐蝕的可能。

圖3 腐蝕缺陷長(zhǎng)度沿檢測(cè)里程分布圖

對(duì)于腐蝕缺陷較多的區(qū)段,可結(jié)合管道高程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,從而判斷管道的腐蝕情況。本文所檢管道在1 km內(nèi)腐蝕缺陷較多,故對(duì)此段管道進(jìn)行高程分析,見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出,地勢(shì)低洼處及高程變化較大的區(qū)段易出現(xiàn)腐蝕點(diǎn),因此需重點(diǎn)關(guān)注這些區(qū)段,做好腐蝕防控措施。

圖4 1 km腐蝕缺陷沿高程分布圖

2.3 腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6151—2009中的最大安全工作壓力評(píng)定法,對(duì)此條管道的腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖5為各個(gè)腐蝕缺陷點(diǎn)沿里程分布的ERF值,從圖中可以看出,各缺陷點(diǎn)的ERF值基本在0.55～0.65,ERF值最大為0.637,在23.28 km處。目前看來(lái)所有的腐蝕缺陷點(diǎn)都相對(duì)安全,不需要立即維修,對(duì)于ERF值較大的缺陷點(diǎn)需重點(diǎn)關(guān)注。

本文采用ERF曲線圖來(lái)表示評(píng)定結(jié)果。圖6為壁厚為11.9,12.5 mm的評(píng)定曲線圖。從圖中可以看到,腐蝕數(shù)據(jù)點(diǎn)均在ERF曲線之下,故所有腐蝕缺陷都不需要立即維修。從ERF曲線圖可以看出,缺陷標(biāo)記點(diǎn)均在ERF曲線下靠下方的位置,說(shuō)明整條管道的安全狀況較好。

圖6 ERF曲線圖

2.4 計(jì)劃維修決策

由于此次內(nèi)檢測(cè)為此段管道投產(chǎn)后的首次內(nèi)檢測(cè),采用較保守的原則,選擇半壽命方法計(jì)算腐蝕增長(zhǎng)速率。對(duì)2 457處腐蝕缺陷進(jìn)行計(jì)算,得出內(nèi)腐蝕最大增長(zhǎng)速率為0.52 mm/a,內(nèi)腐蝕平均增長(zhǎng)速率為0.12 mm/a,外腐蝕最大增長(zhǎng)速率為0.64 mm/a,外腐蝕平均增長(zhǎng)速率為0.14 mm/a。

以較保守的原則進(jìn)行計(jì)劃維修決策,設(shè)定內(nèi)、外腐蝕均以最大速率增長(zhǎng),第13年開(kāi)始出現(xiàn)ERF值大于1的點(diǎn),內(nèi)腐蝕有5處,位于1.127,23.1～23.3 km處;外腐蝕有1處,位于12.628 km處。對(duì)于這6處腐蝕點(diǎn),12年內(nèi)均可安全運(yùn)行,第13年不能保證安全運(yùn)行,需立即維修。故應(yīng)對(duì)此6處腐蝕點(diǎn)12年內(nèi)進(jìn)行計(jì)劃維修。

3 結(jié)論

1)對(duì)以內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的腐蝕缺陷評(píng)價(jià)流程與方法進(jìn)行了梳理與應(yīng)用,對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)、剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)及維修決策制定的方法與關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了描述,并以一段天然氣管道作為實(shí)際案例對(duì)方法進(jìn)行了應(yīng)用。

2)在實(shí)例分析中,對(duì)腐蝕缺陷點(diǎn)的數(shù)目、深度、長(zhǎng)度沿檢測(cè)里程的分布進(jìn)行了分析,大致掌握了缺陷集中的管段、較危險(xiǎn)缺陷的位置及可能引起腐蝕的原因。對(duì)腐蝕缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià),得到ERF值均小于1,ERF曲線中腐蝕點(diǎn)均在臨界曲線以下,故不需要對(duì)管段進(jìn)行立即維修。通過(guò)計(jì)算腐蝕增長(zhǎng)速率,并帶入到剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型中,得到12年后管道無(wú)法安全運(yùn)行,故此管道需在12年內(nèi)進(jìn)行維修。

3)實(shí)際工況中,腐蝕情況多變,管道所處地上及地下環(huán)境、防腐層完整度、陰極保護(hù)效果等因素均會(huì)影響管道的腐蝕增長(zhǎng)速率,故管道在計(jì)劃維修的基礎(chǔ)上,還需加強(qiáng)關(guān)鍵管段的巡查與管理,避免發(fā)生管段失效。