海底管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)方法的研究*

劉永和

（中海石油（中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東深圳518000）

1 海底管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)的必要性

海底管道是近海油、氣開發(fā)工程中的一個(gè)重要組成部分，海底管道廣泛應(yīng)用于海洋石油工業(yè)，已經(jīng)成為連續(xù)輸送大量油（氣）最經(jīng)濟(jì)、最可靠、最安全、最快捷的運(yùn)輸方式,是海上油（氣）田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)覆蓋了東海部分水域和南海、渤海東西部大部分水域。與陸上管道相比，在充滿各種危險(xiǎn)的海洋這一特殊環(huán)境中鋪放安裝管道，自然會(huì)遇到很大問(wèn)題，而海底管道具有管理困難、地域跨度廣、要素多、使用年限長(zhǎng)等諸多特點(diǎn)，一直以來(lái)都是中海油集團(tuán)公司完整性管理的薄弱環(huán)節(jié)[1]。而根據(jù)大量的理論分析和事故案例表明，海底管道往往發(fā)生事故的重要原因就在于腐蝕。對(duì)于海底管道而言，雖然腐蝕破壞的速度較慢，但是腐蝕現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管道壁厚減薄，這樣也就會(huì)導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)的完整性出現(xiàn)降低，從而使得海底管道事故的發(fā)生概率大幅度增加。由于海底環(huán)境復(fù)雜、多種腐蝕機(jī)理并存，一般在評(píng)價(jià)海底管道風(fēng)險(xiǎn)程度時(shí)都要考慮到腐蝕因素。所以，加強(qiáng)海底管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)，能夠有效地保障海底管道平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)和管網(wǎng)安全。

2 海底管道腐蝕類型

2.1 電偶腐蝕

海水的電阻率比較小，是一種良好的電解質(zhì)，在海水中會(huì)同時(shí)存在宏觀腐蝕電池和微觀腐蝕電池的作用，其中不同金屬在海水中相互接觸、相互摩擦，將會(huì)使得那些電位較負(fù)的金屬腐蝕速度加快。金屬在腐蝕介質(zhì)中與非金屬導(dǎo)體或者電位更高的另一種金屬進(jìn)行電連接而引起的腐蝕就是電偶腐蝕。

2.2 空泡腐蝕

在海水溫度下，當(dāng)海水的蒸汽壓高于周圍環(huán)境的壓力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蒸汽泡，海水就會(huì)沸騰。海底管道金屬表面被蒸汽泡的破裂而反復(fù)沖擊，最后會(huì)出現(xiàn)海底管道的局部破壞，當(dāng)管道外部的金屬被破壞掉之后，新的活化金屬就會(huì)直接暴露在帶有強(qiáng)烈腐蝕性的海水中，造成海水腐蝕和機(jī)械損失[2]。

2.3 磨損腐蝕

由于海底管道金屬表面和腐蝕流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致管道金屬出現(xiàn)腐蝕或者加速破壞，同時(shí)還伴隨著機(jī)械磨損和機(jī)械磨耗的作用，腐蝕速度較快。磨損腐蝕的外表特征往往會(huì)帶有顯示有方向性，且呈現(xiàn)出山谷形、圓孔、波紋、構(gòu)、槽等多種形狀。

2.4 縫隙腐蝕

在電解質(zhì)溶液中,金屬與非金屬之間或者金屬與金屬之間由于存在著縫隙，且縫隙寬度能夠讓腐蝕流體加入到縫隙中但又不能流動(dòng)，只能處于停滯狀態(tài)，這樣就導(dǎo)致縫隙內(nèi)部腐蝕現(xiàn)象加劇，從而形成腐蝕，這種腐蝕就被稱為縫隙腐蝕?？p隙腐蝕通常在飛濺區(qū)或者全浸區(qū)的部位最為嚴(yán)重，縫隙下面會(huì)出現(xiàn)快速腐蝕，在海水中都有對(duì)縫隙腐蝕敏感的傾向。一旦形成縫隙腐蝕，那么就很難再加以抑制。

2.5 點(diǎn)蝕

在海洋環(huán)境介質(zhì)中，海底管道在運(yùn)行一定的時(shí)間之后，就會(huì)在管道表面出現(xiàn)一些麻點(diǎn)或者蝕孔，這些麻點(diǎn)或者蝕孔隨著時(shí)間的推移而不斷地向著縱深方向發(fā)展，最終會(huì)出現(xiàn)小孔狀腐蝕坑，通常都是由于海洋大氣污染物或者分散的鹽粒引起的，這種現(xiàn)象稱為點(diǎn)腐蝕。當(dāng)然，海底管道金屬表面的金相性能，如表面缺陷、保護(hù)膜的偏析、破裂、夾雜物也很有可能會(huì)引起海底管道點(diǎn)蝕。

2.6 沖擊腐蝕

在渦流情況，常有空氣泡卷入海水中，夾雜氣泡的快速流動(dòng)的海水沖擊金屬表面時(shí)，保護(hù)膜可能被破壞，金屬便可能產(chǎn)生局部腐蝕。

3 海底管道的完整性生命周期評(píng)價(jià)

海底管道的生命周期可以繪制成圖表形式,見圖1。圖上呈現(xiàn)兩種對(duì)立的力:（1）外部維護(hù)力（模型試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析、維修、技術(shù)診斷、設(shè)計(jì)、腐蝕防護(hù)、保養(yǎng)）。（2）破壞力（由于輸送油氣之類的侵蝕性介質(zhì)而導(dǎo)致海底管道性能退化，以及海洋環(huán)境對(duì)于管道的影響）。

圖1 海底管道生命周期圖Fig.1 Undersea pipe lifecycle diagram

3.1 診斷及維修

有關(guān)制約因素:在給定時(shí)間內(nèi)，工程設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)可以通過(guò)技術(shù)診斷來(lái)得到,所以，技術(shù)診斷越有效、越準(zhǔn)確，那么預(yù)測(cè)效果、計(jì)算效果、模擬效果也就越好。而相對(duì)于完全更換管道的費(fèi)用相比，通過(guò)技術(shù)診斷來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行清除的費(fèi)用更高。但是值得注意的是，海底管道運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，就越難去確定管道的相關(guān)缺陷，諸如管道材料是否存在H2，力學(xué)上材料的性質(zhì)等。技術(shù)診斷應(yīng)該包括對(duì)管道修理、維護(hù)、運(yùn)行的控制；對(duì)管道內(nèi)部和外部環(huán)境因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；管道運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)等。

建議解釋有關(guān)技術(shù)診斷結(jié)果:某些管段無(wú)法進(jìn)行測(cè)量或者具有較高的測(cè)量誤差;能導(dǎo)致事故的局部腐蝕最低速率評(píng)估;與管道有關(guān)的重要信息數(shù)據(jù),目前處于缺乏或者過(guò)時(shí)狀態(tài);已應(yīng)用的腐蝕防護(hù)和運(yùn)輸能力保障措施的有效性;保障管道安全運(yùn)行的維修作業(yè)及相關(guān)設(shè)備的有效性。

3.2 防腐層質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于海底管道防腐層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較多，也較為復(fù)雜，但是總的來(lái)看，都是評(píng)價(jià)防腐層絕緣電阻率。防腐層絕緣電阻率的計(jì)算結(jié)果由于多種因素的限制，使得其與實(shí)際情況存在著一定差距，現(xiàn)在評(píng)價(jià)防腐層的質(zhì)量都采用破損點(diǎn)狀況、絕緣電阻率、電流衰減率來(lái)進(jìn)行的。防腐層質(zhì)量的好壞主要采用防腐層絕緣電阻率來(lái)進(jìn)行直接評(píng)判，同時(shí)為了對(duì)防腐層的評(píng)價(jià)結(jié)果更加完善，還應(yīng)該考慮到防腐層破損點(diǎn)狀況。以石油瀝青防腐層為例，我們可以按照《埋地鋼質(zhì)管道防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》采用電流-電位法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，見表1。

表1 電流-電位法評(píng)價(jià)Tab.1 Current-potentialmethod

3.3 腐蝕管道評(píng)估方法

對(duì)檢測(cè)出的腐蝕缺陷，可以依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行評(píng)估，見圖2。

（1）基于分項(xiàng)安全因數(shù)的方法 原始數(shù)據(jù)：規(guī)定的最大缺陷深度、規(guī)定的最大缺陷長(zhǎng)度、規(guī)定的最小拉伸強(qiáng)度、管道壁厚、管道外徑。使用超聲智能清管器或者漏磁智能清管器進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)，所得結(jié)果即為缺陷尺寸。

基于分項(xiàng)安全因數(shù)，對(duì)腐蝕管道的安全工作壓力（許用壓力）進(jìn)行合理地估算，同時(shí)，將所得估算結(jié)果與管道最大許用操作壓力進(jìn)行相應(yīng)的比較。若最大許用操作壓力高于估算的許用壓力，那么在運(yùn)行之前，應(yīng)該降低壓力，使之在估算的許用壓力以下運(yùn)行。若最大許用操作壓力低于估算的許用壓力，在經(jīng)過(guò)防腐保溫和腐蝕清理之后，腐蝕管道就可以直接使用。

（2）基于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)的方法 原始數(shù)據(jù)：測(cè)量的最大缺陷深度、最大缺陷長(zhǎng)度、極限拉伸強(qiáng)度，原始壁厚，管道外徑。

對(duì)安全工作壓力和失效壓力進(jìn)行正確的計(jì)算，同時(shí)將其與海底管道最大許用操作壓力進(jìn)行相應(yīng)的比較。若最大許用操作壓力高于安全工作壓力，那么在運(yùn)行之前，應(yīng)該降低壓力，使之在安全工作壓力以下運(yùn)行；若最大許用操作壓力低于安全工作壓力，在經(jīng)過(guò)防腐保溫和腐蝕清理之后，腐蝕管道就可以直接使用。

3.4 海底管道腐蝕失效的后果評(píng)價(jià)

海底管道由于腐蝕而造成的事故，按照破壞程度可分為3種情況，分別是重大程度破壞（影響管道運(yùn)行時(shí)間平均1~3a）、中等程度破壞（影響管道運(yùn)行時(shí)間平均少于1個(gè)月）、輕微程度破壞。海底管道由于腐蝕失效而造成的海洋環(huán)境污染，很難用傳統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)估。我們大致給出一個(gè)指導(dǎo)性的海底管道腐蝕泄漏污染程度分類評(píng)估表，見表2。

表2 海底管道腐蝕泄漏污染程度分類評(píng)估表Tab.2 Evaluation sheet of contamination degree of submarine pipeline corrosion

4 結(jié)語(yǔ)

總之，加強(qiáng)海底管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的完整性評(píng)價(jià)對(duì)于海底管道平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)和管網(wǎng)安全極為重要，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值，值得深入探討。

［1］Det Norske Veritas.DNV OSF101海底管道系統(tǒng)規(guī)范［S］.Norway：DetNorske Veritas，2010.

［2］Milne I,Ainsworth R A,Dowling A R,etal.Assessmentof the integrit ofstructures containing defects［J］.International Journalof Pressure Vesselsand Piping，2008,32:3-104.

［3］Ahammed M.Prediction of remaining strength of corroded pressurized Pipelines［J］.International JournalofPressure Vesselsand Piping，2007，122:655-659.