長(zhǎng)北天然氣集輸管線完整性評(píng)價(jià)及管理

李 陽，王 虎，張徐莉，江國(guó)旗，吳曉利

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

長(zhǎng)北區(qū)塊占地面積約有1 588 km2，共有23 座井叢，各井叢由2～3 口天然氣井組成。針對(duì)井叢分布狀況，集輸管線采用“輻射與枝狀相結(jié)合”的集氣管網(wǎng)系統(tǒng)，沿長(zhǎng)北區(qū)塊南、北兩端延伸，靠近井叢敷設(shè)，集氣支線就近接入干線，井口來的濕天然氣分別由南北集氣干線氣液混輸至天然氣處理廠低溫脫水、脫烴處理后外輸至陜京首站。集輸管線主要由南干線、北干線、北北干線、TPO 干線以及各井叢支線組成，總長(zhǎng)約有104.3 km，管徑250 mm 至610 mm 不等，壁厚7.1 mm至15.9 mm 不等，管材均為L(zhǎng)415，設(shè)計(jì)壓力除北干線為8.8 MPa 以外，其它干線均為6.6 MPa。管道防腐類型為環(huán)氧粉末涂層和三層結(jié)構(gòu)聚乙烯加強(qiáng)級(jí)（3 層PE）兩種。

近年來由于長(zhǎng)北集輸管線采用氣液兩相混輸工藝運(yùn)行數(shù)年，產(chǎn)出的天然氣中含有1.805 % 的CO2，對(duì)集輸管網(wǎng)存在“輕中度”腐蝕，管線內(nèi)部出現(xiàn)了不同程度的腐蝕狀況；另外，地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，周邊開發(fā)建設(shè)較多，環(huán)境復(fù)雜，企業(yè)和村民在區(qū)塊內(nèi)部違章取土，施工時(shí)有發(fā)生，對(duì)管道幾何形狀和防腐層完整性都有不同程度的影響。2010 年為了全面了解長(zhǎng)北集輸管線的現(xiàn)狀，對(duì)集輸管線開始進(jìn)行內(nèi)外檢測(cè)。

1 長(zhǎng)北長(zhǎng)輸管線的檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 內(nèi)檢技術(shù)

內(nèi)檢技術(shù)主要是指智能清管檢測(cè)，主要檢測(cè)管線的幾何形狀是否異常，管線是否存在金屬損失和裂紋。管道的幾何形狀多因受到外部機(jī)械力或焊接殘余應(yīng)力等原因造成，通過使用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置可以檢測(cè)各種原因造成的、影響管道有效內(nèi)徑的幾何異?，F(xiàn)象并確定其程度和位置。通常做法是發(fā)射一枚測(cè)徑清管器，正常的管線應(yīng)該有一個(gè)環(huán)線的橫斷面，測(cè)徑清管器應(yīng)可對(duì)任何段橫斷面的臨界變化進(jìn)行檢測(cè)并確定大小。

長(zhǎng)北所使用的測(cè)徑器有一定排列的機(jī)械抓手，機(jī)械抓手壓著管道內(nèi)壁并會(huì)因橫斷面的任何變化引起偏移。這些偏移可能是由于一個(gè)凹陷、偏圓、褶皺或附著在管壁上的碎屑引起的。捕捉到的偏移信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)存儲(chǔ)到機(jī)載的存儲(chǔ)上。將一次運(yùn)行后的數(shù)據(jù)取出并使用合格的軟件加以分析和顯示。從而可以確定那些可以影響到管道完整性的異常點(diǎn)。測(cè)徑清管器主體結(jié)構(gòu)緊湊，直徑大約為管道內(nèi)徑的60 %，皮碗的柔性較好，可以通過縮孔15 %的孔洞。其靈敏度為管段直徑的0.2 %～1 %，精度大約為0.1 %～2 %。

金屬損失檢測(cè)技術(shù)采用漏磁檢測(cè)技術(shù)，因其可檢測(cè)出腐蝕或擦傷造成的管道金屬損失缺陷，甚至能夠測(cè)量到那些不足以威脅管道結(jié)構(gòu)完整性的小缺陷（硬斑點(diǎn)、毛刺、結(jié)疤、夾雜物和各種其它異常和缺陷）。漏磁技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較為簡(jiǎn)單，對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求不高，具有很高的可信度?；驹硎窃诠艿澜孛娉錆M磁場(chǎng)，利用置于磁極之間的傳感器感應(yīng)磁場(chǎng)泄漏和偏移，從而確定金屬損失的面積。采用的內(nèi)檢測(cè)清管器主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、磁化系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄和處理系統(tǒng)、里程系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)檢測(cè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成。

1.2 外檢技術(shù)

長(zhǎng)北項(xiàng)目所采用的外檢技術(shù)為多頻管中電流法防腐層檢測(cè)法（PCM）和交流地電位梯度法（ACVG），在檢測(cè)過程中兩種方法聯(lián)合使用。

1.2.1 PCM 多頻管中電流法 發(fā)射機(jī)從管道檢查頭（或陰極保護(hù)電流供入點(diǎn)）向管道施加某一特定頻率或多個(gè)頻率的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)自發(fā)射點(diǎn)開始沿著兩側(cè)傳輸，管中電流信號(hào)強(qiáng)度將隨著管道距離增加而減弱，管道電流流經(jīng)管道時(shí)，在管道周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，利用接收機(jī)在管道上方按一定間隔檢測(cè)管中激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)管道防護(hù)層信號(hào)均勻時(shí)，管道中的電流衰減率與距離成線形關(guān)系，管道防護(hù)層絕緣性越好，涂層的絕緣電阻值越高，電流衰減越小。若存在電流的異常衰減段，證明存在電流泄漏點(diǎn)或管道分枝點(diǎn)，通過分析可判斷出防護(hù)層的絕緣性能下降以及破損的位置。再利用埋地管道防腐層檢測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（ESTEC xp）計(jì)算管道外防腐層電阻率，根據(jù)防腐層電阻率對(duì)管道防腐層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)級(jí)。

1.2.2 ACVG 檢測(cè)法 交流地電位梯度法（ACVG）原理是向管道施加一個(gè)特定的檢測(cè)信號(hào)，信號(hào)沿管道傳播，當(dāng)管道的防腐層出現(xiàn)破損點(diǎn)或補(bǔ)口缺陷導(dǎo)致管體金屬與管周圍土壤介質(zhì)直接連通時(shí)，無論檢測(cè)信號(hào)頻率高低，信號(hào)電流都會(huì)從破損或補(bǔ)口破損點(diǎn)流入或流出管道（見圖1）。以流入或流出點(diǎn)為中心，在管道周圍形成疊加的“點(diǎn)源”電場(chǎng)和“點(diǎn)源”磁場(chǎng)。利用A 字架和接收器能夠測(cè)量出破損點(diǎn)流出或流入電流時(shí)形成地電位梯度，顯示的地電位梯度表示為微伏的dB 值。觀察接收器指示的dB 值，如果dB 值較低（一般小于30）并且變化不穩(wěn)，并且接收器破損點(diǎn)指示箭頭前后變化，則說明該處附近沒有破損點(diǎn)；如果接收機(jī)dB 值較大（一般大于30），并且箭頭穩(wěn)定，則說明箭頭指示方向位置可能存在破損點(diǎn)（見圖2）。

圖2 ACVG 法確定防腐層破損點(diǎn)示意圖

2 集輸管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及缺陷管理

2.1 內(nèi)檢檢測(cè)結(jié)果評(píng)估及缺陷管理

2010 年至2012 年分別完成了對(duì)三條主要干線（南干線、北干線和北北干線）的智能清管檢測(cè)，通過檢測(cè)結(jié)果表明，管道幾何形狀未出現(xiàn)異常；金屬損失點(diǎn)654 處，其中外部金屬損失點(diǎn)為269 個(gè)，內(nèi)部金屬損失點(diǎn)為385 個(gè)。北干線有502 個(gè)點(diǎn)，南干線有115 個(gè)點(diǎn)，北北干線有37 個(gè)點(diǎn)。最嚴(yán)重的金屬損失點(diǎn)深度為管道正常壁厚的28 %，屬于北干線，其余點(diǎn)的深度分布范圍（見表1）。為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果，分別在每條管線上選取了10 個(gè)金屬損失點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證，最終結(jié)果表明都與檢測(cè)結(jié)果一致。

表1 金屬損失點(diǎn)深度統(tǒng)計(jì)表

依據(jù)Kiefner 提出的一種評(píng)估管道缺陷失效壓力的模型計(jì)算出金屬損失點(diǎn)的最小失效壓力（Q），由于金屬損失點(diǎn)的最大安全壓力無限接近于最小失效壓力，所以：

式中：A-腐蝕區(qū)域在管段縱向投影的面積；A0-腐蝕區(qū)初始面積；M-考慮管道失效前發(fā)生鼓包的傅里葉系數(shù)；σf環(huán)向應(yīng)力；ω-管道壁厚；D0-管道直徑。

腐蝕區(qū)面積A 可以近視的表示為A=h×l，其中h和l 分別表示缺陷的深度和軸向長(zhǎng)度。初始面積A0=ω×l。將檢測(cè)結(jié)果放入模型計(jì)算得出最小失效壓力，近似得到最大安全壓力。利用ERF 曲線圖模擬出金屬損失處的最大安全壓力與MAOP 的關(guān)系。采用公式可表示為：

式中：ERF= Estimated Repair Factor，預(yù)估維修比為1；Psafe=評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的缺陷處最大安全壓力；MAOP=管道最大允許操作壓力。

通過對(duì)654 個(gè)金屬損失點(diǎn)進(jìn)行失效壓力計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果放入應(yīng)用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在管道設(shè)計(jì)壓力6.6 MPa 壓力下，模擬顯示所有金屬損失點(diǎn)都在可控范圍之內(nèi)，ERF 曲線上方的點(diǎn)表示缺陷是不可接受的（見圖3），需要立即維修。ERF 曲線下方的點(diǎn)表示缺陷是可接受的。同時(shí)利用壓力圖模擬計(jì)算清晰地顯示了設(shè)計(jì)壓力（6.6 MPa）、MAOP（6.6 MPa）以及缺陷處最大安全壓力之間的關(guān)系，缺陷處最大安全壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道做大允許操作壓力（見圖4）。

根據(jù)以上評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)合美國(guó)維護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)PRCI管道維修手冊(cè)。當(dāng)金屬損失深度超過正常壁厚的80 %時(shí)，就可能導(dǎo)致泄露，需要立即維修。本次檢測(cè)結(jié)果均小于30 %，而且通過模擬計(jì)算得出缺陷處最大安全壓力遠(yuǎn)大于管道最大允許壓力，因此對(duì)于金屬損失點(diǎn)不予立即進(jìn)行維修應(yīng)采取監(jiān)控管理，對(duì)于壁厚損失較大的點(diǎn)，建立檢測(cè)點(diǎn)定期進(jìn)行壁厚檢測(cè)。目前長(zhǎng)北項(xiàng)目在北干線已經(jīng)設(shè)立了4 個(gè)壁厚檢測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)控管線薄弱點(diǎn)的壁厚變化。

2.2 外檢檢測(cè)結(jié)果評(píng)估及缺陷管理

在使用外檢檢測(cè)技術(shù)時(shí)，為了使檢測(cè)效果發(fā)揮最佳效果，采用PCM 和ACVG 聯(lián)合檢測(cè)。通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)防腐層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)級(jí)（見表2）。

外防腐層質(zhì)量評(píng)價(jià)為“優(yōu)”的有79.121 km，占總檢測(cè)管道的75.1 %；評(píng)價(jià)為“良”的有11.432 km，占總檢測(cè)管道的11.29 %；評(píng)價(jià)為“可”的有5.919 km，占總檢測(cè)管道的5.85 %；評(píng)價(jià)為“差”的有7.291 km，占總檢測(cè)管道的7.2 %；評(píng)價(jià)為“劣”的有0.562 km，占總檢測(cè)管道的0.56 %。

TPO 北干線 和榆2 支線部分管道PCM 電流衰減明顯，防腐層有多處破損點(diǎn)，防腐層整體質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)為差（見圖5，圖6）。

圖3 南干線ERF 曲線圖

圖4 南干線壓力圖（壓力與檢測(cè)里程）

表2 管道外防腐層質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 防腐層等級(jí)較差統(tǒng)計(jì)表

表4 對(duì)應(yīng)防腐層等級(jí)應(yīng)采取的措施

檢測(cè)結(jié)果中防腐層破損點(diǎn)共發(fā)現(xiàn)310 處，平均每公里3.06 處，其中干線199 處，支線111 處。具體分布情況（見圖7）。

通過防腐層質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果和防腐層破損點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)C6 支線、C1 支線、TPO 干線和榆二支線等四條支干線的防腐層完整性較差。選取C6 支線、C1 支線、TPO 干線和榆二支線共10 個(gè)破損點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證，結(jié)果表明其中有7 處外防腐層破損是由物理損傷造成，占開挖點(diǎn)總數(shù)的70 %；有3 處是防腐層施工質(zhì)量問題造成，占開挖點(diǎn)總數(shù)的30 %。根據(jù)防腐層質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)制定以下維修策略（見表4）。

圖5 TPO 北干線TPO05+2 601 m 至TPO06+834 m PCM 電流衰減圖

圖6 榆2 支線04+861 m（榆總）至03+126 m PCM 電流衰減圖

圖7 長(zhǎng)北長(zhǎng)輸管線防腐層破損點(diǎn)分布圖

3 結(jié)論及建議

（1）此次通過天然氣集輸管線內(nèi)檢技術(shù)和外檢技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果基本掌握了長(zhǎng)北集輸管線的現(xiàn)場(chǎng)情況，評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)一步表明集輸管線完整性狀況良好。但是部分管線存在缺陷需要進(jìn)行整改和監(jiān)控。

（2）完整的評(píng)價(jià)結(jié)果能夠幫助作業(yè)者優(yōu)化管道缺陷管理，使得管道管理更加準(zhǔn)確的側(cè)重于薄弱點(diǎn)，降低管道事故概率。

（3）長(zhǎng)北項(xiàng)目部目前將智能清管技術(shù)（漏磁檢測(cè)技術(shù)）只應(yīng)用于南干線、北干線及北北干線，但是TPO 北干線尚未使用。由于TPO 北干線服役期較久，外檢技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其防腐層完整性遭到嚴(yán)重破壞，為了徹底了解TPO 北干線的可靠性，排查隱患，因此建議對(duì)TPO 北干線盡快實(shí)施一次智能清管。

（4）針對(duì)此次采取的評(píng)價(jià)方法有它的局限性。它對(duì)于前期收集缺陷數(shù)據(jù)所使用方法可靠性要求較高，如果所選用的方法收集的數(shù)據(jù)不完整或者不準(zhǔn)確，那么評(píng)價(jià)結(jié)果有可能會(huì)誤導(dǎo)作業(yè)者作出錯(cuò)誤的維修策略，結(jié)果導(dǎo)致事故概率上升和維修費(fèi)用增加，所以在選擇檢測(cè)方法上一定要滿足需求。

（5）通過對(duì)C6 支線、C1 支線、TPO 干線和榆二支線檢測(cè)點(diǎn)的開挖結(jié)果說明70 %的防腐層破損點(diǎn)是機(jī)械損傷造成，機(jī)械損傷是長(zhǎng)北集輸管線最大危險(xiǎn)因素，建議第一在施工期間注意施工質(zhì)量，避免對(duì)管道防腐層的傷害；第二加大巡檢密度，將PM 工單的周期由每季度一次調(diào)整為每月一次，同時(shí)將管線地面標(biāo)識(shí)加密埋設(shè)。

［1］ 嚴(yán)大凡，文永基，董紹華.油氣長(zhǎng)輸管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與完整性管理［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］ 何仁祥，秦永勇，劉長(zhǎng)征.油氣管道檢測(cè)［M］.中國(guó)石化出版社，2009.

［3］ 張?jiān)鰟?，李繼志.基于概率論的油氣管道腐蝕安全評(píng)估與維修優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（4）：91-95.

［4］ 楊雪梅，李國(guó)興，陳建民，劉志剛，劉玲莉，葛艾天.埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.