集輸管線腐蝕檢測(cè)與安全性分析——以鄂爾多斯盆地靖邊氣田為例

王振嘉 羅長(zhǎng)斌 張強(qiáng) 裴廷剛 孫利明

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第一采氣廠

鄂爾多斯盆地靖邊氣田于1997年建成投產(chǎn)，天然氣中攜帶H2S、CO2等酸性氣體及高礦化度地層水等腐蝕性介質(zhì)，H2S含量平均為691mg／m3，CO2為5%[1]，形成類(lèi)似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬晶格的化學(xué)反應(yīng)，容易對(duì)集氣支、干線產(chǎn)生腐蝕。為掌握靖邊氣田集輸管線的腐蝕狀況以及服役狀態(tài)，近年來(lái)，通過(guò)利用取樣檢測(cè)、不停輸智能清管內(nèi)腐蝕檢測(cè)及外腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)部分集輸管線開(kāi)展了腐蝕檢測(cè)作業(yè)，并運(yùn)用修正的 B31G 準(zhǔn)則[2]、Shell 92方法、GB50251[3]、Newton－Raphson等安全性分析與評(píng)價(jià)方法對(duì)靖邊氣田集輸管線的安全性進(jìn)行了分析。

1 集輸管線腐蝕檢測(cè)技術(shù)

1.1 外腐蝕檢測(cè)技術(shù)

靖邊氣田主要采用外腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)集輸管線開(kāi)展腐蝕環(huán)境、腐蝕速率、陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果、防腐層質(zhì)量等方面內(nèi)容的進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)埋地鋼質(zhì)管道外覆蓋層質(zhì)量、陰極保護(hù)效果以及管體腐蝕狀況進(jìn)行有效評(píng)價(jià)[4－5]。

檢測(cè)思路如圖1所示。

圖1 管線外腐蝕檢測(cè)思路示意圖

1.2 內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)

靖邊氣田主要采用取樣分析檢測(cè)和智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)開(kāi)展管線內(nèi)腐蝕檢測(cè)工作，檢測(cè)思路如圖2所示。

2 集氣干線腐蝕檢測(cè)

為了解集氣干線的腐蝕情況及腐蝕防護(hù)措施運(yùn)行效果，靖邊氣田對(duì)9條干線進(jìn)行了外腐蝕檢測(cè)，對(duì)3條集氣干線進(jìn)行了內(nèi)腐蝕檢測(cè)。

2.1 外腐蝕檢測(cè)情況

靖邊氣田集氣干線外腐蝕檢測(cè)結(jié)果表明：

1）利用土壤腐蝕速率測(cè)試儀CR－6測(cè)得干線周?chē)寥栏g速率為0.015～0.02mm／a，根據(jù) GB／T 21447—2008[4]中土壤腐蝕性分級(jí)劃分依據(jù)，干線周?chē)寥栏g性屬于較輕等級(jí)。

2）干線防腐層優(yōu)良率在90%以上。

3）干線陰極保護(hù)OFF電位在－1 200～－850mV之間，達(dá)到行業(yè)規(guī)定要求。

4）干線管壁平均速率為0.06～0.103mm／a，根據(jù)SY／T 0087.1—2006以及 NACE標(biāo)準(zhǔn) RP－0775—2005對(duì)腐蝕程度的規(guī)定，屬輕微腐蝕。

2.2 內(nèi)腐蝕檢測(cè)

2.2.1 取樣分析檢測(cè)

圖2 管線內(nèi)腐蝕檢測(cè)思路圖

為了解集輸管線內(nèi)部腐蝕情況，根據(jù)集氣干線的運(yùn)行年限、介質(zhì)條件及運(yùn)行管理情況，對(duì)1號(hào)干線4處管樣、2號(hào)干線1處管樣進(jìn)行了取樣分析檢測(cè)。

2.2.1.1 腐蝕速率測(cè)試

5段集氣干線管樣內(nèi)腐蝕速率檢測(cè)結(jié)果表明，集氣干線內(nèi)壁腐蝕以均勻腐蝕為主，腐蝕速率為0.03～0.1mm／a，腐蝕較重部位發(fā)生在管線積液處。

2.2.1.2 材質(zhì)機(jī)械性能測(cè)試

為檢驗(yàn)集氣干線長(zhǎng)期服役后的材料機(jī)械性能，對(duì)管線試樣進(jìn)行了屈服強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)干線試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)結(jié)果表明，4組管材屈服強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)平均值為418.8MPa，積液處母材的軸向屈服強(qiáng)度最低值為320 MPa，小于X52鋼規(guī)定的最低值358MPa，相比下降了10.6%，說(shuō)明管道經(jīng)長(zhǎng)期服役后材料韌性下降[6]。2.2.1.3 金相組織分析

金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，根據(jù)定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來(lái)確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系[7]。

1號(hào)、2號(hào)干線的管線材質(zhì)為X52鋼。金相組織主要是細(xì)小樹(shù)枝狀鐵素體和少量珠光體。對(duì)1號(hào)干線管線樣品金相組織進(jìn)行觀察認(rèn)為屬于鐵素體類(lèi)型鋼，金屬結(jié)晶均勻。熱影響區(qū)的組織經(jīng)過(guò)了重結(jié)晶，鐵素體以塊狀為主，基體上分布著少量塊狀珠光體。

2.2.1.4 氫致裂紋測(cè)試

天然氣中的水附著于管線內(nèi)表面，H2S在水中發(fā)生電解，生成離子狀態(tài)的H＋和HS－，與Fe反應(yīng)生成H原子和FeS?？偡磻?yīng)式如下：

由于H原子體積很小，容易向鋼中擴(kuò)散，H2S的氣體分壓越大，H原子的擴(kuò)散量就越大。H原子首先聚集在金屬雜物、氣孔及偏析中，聚集的H原子變成H分子，體積成倍增大，聚集處的壓力也隨之增大。由于H原子的不斷深入，H分子壓力不斷增加，當(dāng)壓力超過(guò)金屬起裂條件時(shí)，就會(huì)引發(fā)裂紋[8]。

從1號(hào)干線的管線母材樣品上截取多個(gè)母材的矩形試樣，表面制備成金相試樣，在金相顯微鏡下對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行多視域的連續(xù)觀察，結(jié)果表明，所有試樣表面上沒(méi)有觀察到連續(xù)的氫致開(kāi)裂（HIC），集液處母材表面有兩處輕微的氫致開(kāi)裂。

2.2.1.5 疲勞腐蝕實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

1號(hào)干線試樣裂紋萌生、擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果表明，縱焊縫與母材交界處存在由于應(yīng)力腐蝕（SCC）產(chǎn)生的裂紋。裂紋具有沿縱深兩個(gè)方向擴(kuò)展、開(kāi)口處寬、腐蝕嚴(yán)重、穿晶型等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)正是管線在近中性pH值環(huán)境應(yīng)力腐蝕裂紋的一般特征。試樣上呈裂紋狀的腐蝕紋可能是應(yīng)力腐蝕裂紋。

由結(jié)果看出，X52鋼熱影響區(qū)和母材對(duì)SCC的敏感性大于焊縫。由試驗(yàn)證明了管線鋼在干濕交替、多孔的涂層下，溶液誘發(fā)近中性pH值環(huán)境的SCC。

2.2.2 智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)

2.2.2.1 檢測(cè)原理

智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)采用磁感應(yīng)原理：是根據(jù)鋼管被永久磁鐵磁化后，當(dāng)鋼管中無(wú)缺陷時(shí)，磁力線絕大部分通過(guò)鋼管；當(dāng)管壁變薄，管內(nèi)、外壁局部被磨損，有腐蝕坑、凹坑、通孔和裂紋等缺陷時(shí)，鋼管缺陷處的磁阻變大，聚集在管壁的部分磁通向外擴(kuò)張，磁力線發(fā)生彎曲并且有一部分磁力線泄漏出鋼管表面，用磁感應(yīng)元件在鋼管表面相對(duì)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電信號(hào)的特征提取來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量分析[9]。

檢測(cè)過(guò)程中，內(nèi)壁漏磁信號(hào)檢測(cè)探頭（ID）和外壁漏磁信號(hào)（OD）探頭能夠區(qū)分管道內(nèi)壁和外壁金屬損失缺陷，里程輪系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄管道里程信息。地面標(biāo)記系統(tǒng)記錄檢測(cè)器通過(guò)設(shè)標(biāo)點(diǎn)上方的準(zhǔn)確時(shí)間，結(jié)合所采集的管道里程信息精確確定管道缺陷所在管道的里程位置，同時(shí)周向傳感器能夠確定缺陷所在管道的周向位置，如圖3所示。

2.2.2.2 智能漏磁檢測(cè)情況

靖邊氣田采用高清晰智能漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)3號(hào)干線進(jìn)行了不停輸內(nèi)腐蝕檢測(cè)。具體施工流程如圖4所示。

圖3 高清晰漏磁檢測(cè)器工作原理示意圖

圖4 智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)流程圖

為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，要求檢測(cè)儀器在檢測(cè)過(guò)程中的運(yùn)行速度為0.2～4m／s之間的某一定值，本次監(jiān)測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)儀器的平均運(yùn)行速率為1.3m／s，且儀器運(yùn)行平穩(wěn)，保證了檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性，結(jié)果表明：

1）3號(hào)干線整體質(zhì)量良好，腐蝕情況較輕。

2）3號(hào)干線內(nèi)部金屬損失情況較輕微，不影響管線安全運(yùn)行。

3）3號(hào)干線全管段無(wú)明顯變形情況。

3 集氣支線腐蝕檢測(cè)

為了解集氣支線的腐蝕情況及腐蝕防護(hù)措施運(yùn)行效果，對(duì)氣田18條集氣支線進(jìn)行了21條次外腐蝕檢測(cè)，同時(shí)對(duì)兩條集氣支線進(jìn)行了取樣分析檢測(cè)。

3.1 集氣支線外腐蝕檢測(cè)

靖邊氣田集氣支線外腐蝕檢測(cè)結(jié)果顯示：

1）利用土壤腐蝕速率測(cè)試儀CR－6測(cè)得靖邊氣田集氣支線周?chē)寥栏g速率為0.01～0.05mm／a，根據(jù)GB／T 21447—2008中土壤腐蝕性分級(jí)劃分依據(jù)，判定土壤腐蝕性屬于較輕等級(jí)。

2）集氣支線防腐層優(yōu)良率在85%以上。

3）集氣支線陰極保護(hù) OFF電位為－1 200～－850mV之間，達(dá)到行業(yè)規(guī)定要求。

4）集氣支線管壁平均速率為0.08～0.127mm／a，根據(jù)SY／T 0087.1—2006以及 NACE標(biāo)準(zhǔn) RP－0775—2005對(duì)腐蝕程度的規(guī)定，屬輕微腐蝕。

3.2 集氣支線內(nèi)腐蝕檢測(cè)

根據(jù)管線的投運(yùn)年限、介質(zhì)條件及日常管理情況，對(duì)5、6號(hào)兩條支線的兩處管樣進(jìn)行了取樣分析檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括腐蝕速率、材質(zhì)拉伸試驗(yàn)、金相組織分析、氫致裂紋測(cè)試等。

3.2.1 腐蝕速率檢測(cè)

管樣內(nèi)腐蝕速率檢測(cè)結(jié)果表明，5號(hào)、6號(hào)兩條支線的取樣管段腐蝕速率為0.05～0.15mm／a，由于沖刷作用，使略有彎曲的前者平均腐蝕速率大于后者。

3.2.2 拉伸試驗(yàn)

為檢驗(yàn)集氣支線材質(zhì)的機(jī)械性能，分別對(duì)5號(hào)支線和6號(hào)支線的母材及焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從試驗(yàn)結(jié)果看出，母材的屈服極限明顯的低于焊縫，特別是6號(hào)支線的母材最小屈服極限（192MPa）已低于有關(guān)規(guī)定的最小值。

表2 支線管的拉伸強(qiáng)度（平均值）試驗(yàn)結(jié)果表

3.2.3 金相組織分析

金相分析結(jié)果顯示，5號(hào)、6號(hào)支線樣品焊縫、熱影響區(qū)和母材的組織屬于鐵素體＋珠光體型組織，焊縫是粗大的樹(shù)枝狀結(jié)晶，熱影響區(qū)由粗晶區(qū)過(guò)渡到細(xì)晶區(qū)，母材是等軸狀鐵素體加少量珠光體。屬于正常20號(hào)鋼母材、熱影響區(qū)和焊縫組織。

3.2.4 氫致裂紋測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)5號(hào)支線母材和焊縫，多視域的檢查HIC，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷續(xù)分布的 HIC。但是試樣經(jīng)過(guò)NACE溶液浸泡21天以后，HIC傾向明顯[6]。說(shuō)明管線在酸性條件下，氫致裂紋（HIC）傾向明顯。

4 集輸管線安全性分析

4.1 分析方法

國(guó)內(nèi)外通用的管線安全性評(píng)價(jià)方法主要有修正的B31G準(zhǔn)則、Shell 92方法、GB 50251中極限承壓計(jì)算公式、Newton－Raphson公式、《含缺陷油氣輸送管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法 第1部分 體積型缺陷》[10]等（表3）。

表3 管線安全性評(píng)價(jià)方法表

4.2 集氣干線安全性分析

近年來(lái)，靖邊氣田主要對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)干線等集氣干線進(jìn)行了安全性分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

集氣干線安全性分析結(jié)果表明：①1號(hào)、2號(hào)干線管線樣品水力爆破實(shí)驗(yàn)壓力分別為16.84MPa、25.58 MPa，均高于工作壓力，含缺陷管段在最大工作壓力條件下可以安全運(yùn)行；②1號(hào)干線含缺陷管段失效壓力為12.85MPa，遠(yuǎn)高于目前運(yùn)行壓力5MPa，管線可安全運(yùn)行；③3號(hào)干線南段安全性分析結(jié)果表明，當(dāng)前管線內(nèi)壁腐蝕不影響管線當(dāng)前的完整性，管線服役狀態(tài)良好，管線可安全運(yùn)行。

4.3 集氣支線安全性分析

對(duì)兩條截取管樣的集氣支線和3條進(jìn)行外腐蝕檢測(cè)的集氣支線安全性分析的結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 集氣干線安全性分析統(tǒng)計(jì)表

表5 集氣支線安全性分析統(tǒng)計(jì)表

集氣支線安全性分析結(jié)果表明：①集氣支線極限承壓遠(yuǎn)大于管線的正常工作壓力，管線服役狀態(tài)良好，運(yùn)行安全；②金屬損失管段的最大局部金屬損失能夠通過(guò)SY／T 6477—2000的評(píng)價(jià)，金屬損失管段不影響管線的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

1）通過(guò)利用取樣檢測(cè)、不停輸智能清管內(nèi)腐蝕檢測(cè)及外腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)集輸管線開(kāi)展腐蝕檢測(cè)與分析，較好地掌握了靖邊氣田集輸管線的腐蝕狀況。

2）腐蝕檢測(cè)結(jié)果表明，靖邊氣田集輸管線陰極保護(hù)效果及管道外防腐層質(zhì)量較好，管道腐蝕較輕，管線內(nèi)部雖然存在金屬損失，但均能通過(guò)安全評(píng)定，不影響管線的正常運(yùn)行。

3）安全性分析結(jié)果表明，集氣干線、集氣支線最小失效壓力分別為12.5MPa和8.53MPa，均高于管線的工作壓力5.0MPa，集輸管線服役狀態(tài)良好，運(yùn)行安全。

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