油氣管道腐蝕檢測技術(shù)研究

程福松 邱宗君

摘 要： 腐蝕是油氣管道常見的失效形式，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并修復，將導致油氣泄漏，處置不當極易引發(fā)火災或爆炸事故。分析油氣管道腐蝕成因，研究目前的腐蝕檢測技術(shù)，了解不同檢測技術(shù)的原理、使用條件及優(yōu)缺點，可以為油氣管道的生產(chǎn)維護提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：油氣管道；腐蝕；成因；檢測技術(shù)

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1803-04

Abstract： The corrosion is a common failure mode for oil&gas pipes. If the corrosion is not discovered and renovated timely， oil&gas pipe may leak out and result in fire and explosion. In this paper， reasons of oil&gas pipe corrosion were analyzed， and the corrosion detection technology was studied. The theories， working conditions， merits and drawbacks of different detection technologies were analyzed.

Key words： oil&gas pipe； corrosion； reason； detection technology

管道輸送因為安全、經(jīng)濟等特點，是石油與天然氣最主要的運輸方式。但油氣管道大部分都是鋼制管道且埋設(shè)于地下，不可避免的會受到土壤、地下水、細菌、鹽、酸性氣體和雜散電流等的影響，從而產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。由于管道腐蝕穿孔導致所輸石油或天然氣泄漏，不僅污染環(huán)境，造成能源浪費，還將成為嚴重的安全隱患，一旦遇到火星，可能引燃或者發(fā)生爆炸。2013年11月22日發(fā)生的青島輸油管道爆炸事件，共造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟損失75 172萬元，事故直接原因是輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕，導致管壁變薄，管道破裂，原油泄漏，現(xiàn)場處置人員搶修時操作不慎產(chǎn)生火花，引發(fā)油氣爆炸。油氣管道腐蝕是管道安全運行的重大隱患，積極掌握管道腐蝕情況并及時維修，是管道安全運行的必要內(nèi)容。

1 管道腐蝕成因分析

1.1 差異充氣引起的腐蝕

由于氧氣分布不均而引起的金屬腐蝕稱為差異充氣腐蝕。油氣管道大多埋在地下，土壤的固體顆粒有砂、泥渣和植物腐爛后形成的腐殖土等。土壤顆粒間常用細小的微孔，水和空氣可以通過這些微孔到達土壤深層，土壤中的鹽類會溶于這些水中，成為電解質(zhì)溶液。土壤各層各處的含水率并不均勻，在干燥的砂土中，含氧量高，在潮濕的黏土中，含氧量低。氧濃度差可以產(chǎn)生電位差，低氧濃度區(qū)管道電極電位較負，充當陽極發(fā)生氧化反應使金屬腐蝕，高氧濃度區(qū)充當陰極發(fā)生還原反應。當管道通過含水率不同的土壤時，便有可能形成差異充氣腐蝕[1]。對于管徑較大的管道，其土壤上部土質(zhì)稀疏，底部較潮濕，因上下部氧濃度差使得底部作為陽極而發(fā)生腐蝕，實際的管道維護中也常發(fā)現(xiàn)管道受腐蝕之處多在管子的下部[2]。

1.2 雜散電流腐蝕

雜散電流是指一部分離開了指定導體，在原來不該有電流的導體內(nèi)流動的電流。它主要來源于電氣火車、地下鐵道、直流電焊等電源的漏電，油氣管道動輒延續(xù)幾千公里，不可避免要經(jīng)過這些區(qū)域。如電氣火車通過頂部的架空線從電站的正極輸入直流電，經(jīng)車廂從地下鐵軌回到電站負極。如果路軌間連接不好，地面潮濕，將有部分電流流入地下，通過路軌下的金屬管道回到負極。此時路軌下將出現(xiàn)兩個串聯(lián)的大電解池，一個電解池的陽極是鐵軌，陰極是地下管線；另一個陽極是地下管線，陰極是路軌，地下管線將發(fā)生腐蝕[1]。

1.3 細菌腐蝕

土壤中可參與金屬管道腐蝕的細菌有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、中性硫化菌等。當管道因施工不當或植物根系穿透導致防腐層破損時，這些細菌將到達管道表面，使管道發(fā)生腐蝕。金屬管道在缺氧條件下，難以發(fā)生吸氧腐蝕，但可發(fā)生析氫腐蝕。土壤中大都含有硫酸鹽，當硫酸鹽還原菌存在時，將產(chǎn)生生物催化作用，使硫酸鹽氧化被吸附的氫，使析氫腐蝕順利進行，整個反應過程如下：

陽極：4Fe-8e=4Fe2+

陰極：8H++8e=8H（吸附于鐵表面上）

SO42-+8H=S2-+4H2O

Fe2++S2-=FeS（二次腐蝕產(chǎn)物）（↓）

3Fe2++6OH-=3Fe（OH）2（二次腐蝕產(chǎn)物）（↓）

總反應：4Fe+SO42-+4H2O=FeS（↓）+3Fe（OH）2（↓）+2OH-

該過程造成金屬管道的局部損壞，硫酸鹽還原菌即是依靠上述過程釋放的能量進行繁殖。

還有些細菌新陳代謝可以產(chǎn)生具有腐蝕性的物質(zhì)（如硫酸，有機酸等），從而造成管道損傷，有些細菌可以分泌粘液，與土壤形成黏泥粘在管道表面，使其局部缺氧充當差異充電電池的陽極，使管道腐蝕[3]。

1.4 應力腐蝕與疲勞腐蝕

應力腐蝕是指金屬在持續(xù)性應力和腐蝕性介質(zhì)的協(xié)同作用下發(fā)生的腐蝕，其特征是呈現(xiàn)機械裂紋。微裂紋一旦形成，因受力將會很快擴散，在沒有明顯預兆的作用下造成破壞。應力腐蝕過程一般有孕育期、腐蝕裂紋發(fā)展期、裂紋急劇生長期三個階段，第三階段裂紋急劇生長將導致管道的破壞。

在周期性應力的作用下，金屬材料在遠低于極限抗拉強度的條件下形成裂紋的過程稱為疲勞。金屬疲勞腐蝕還伴隨著腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用，兩者相互作用產(chǎn)生的影響遠大于單獨作用的數(shù)學加和。疲勞腐蝕主要受頻率和管材的影響。有些管道本身因地理遷移而額外受力，若頻繁切換流程，導致部分管段應力集中，將形成疲勞腐蝕[4]。

1.5 金屬材料不均勻所致的腐蝕

管道在生產(chǎn)與建設(shè)過程中，基本不可能做到熱處理與表面狀況完全相同、成分均勻、不含雜質(zhì)，因此有電位差存在[2]；而且管道在使用過程中，還會與其他金屬構(gòu)件接觸，有些區(qū)段會有不同材質(zhì)新老管材管道相連接[1]，電位低的將會加劇腐蝕。

2 腐蝕檢測技術(shù)

2.1 超聲波法

超聲波是頻率高于20 kHz的機械波，超聲探傷中使用的超聲波頻率常為0.5～10 mHz，這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的缺陷界面時，就會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。超聲波法即是利用超聲波的這種脈沖反射原理來測量管道壁厚，其原理如下圖1所示[5]，將由多探頭組成的探頭陣列置于管道內(nèi)，由管道內(nèi)向管壁垂直發(fā)射超聲波，超聲波到達管壁內(nèi)外表面時會發(fā)生反射，探頭將先后收到管壁內(nèi)外表面反射回來的脈沖F和B，F(xiàn)和B之間的距離即是管壁厚度，當管壁有腐蝕缺陷時，壁厚減薄，d2的距離將減小。因此超聲波法可以直接檢測管道的剩余壁厚和腐蝕缺陷位置。同時，根據(jù)P基波與內(nèi)壁反射波F的距離d1的變化，可以判斷管道變形情況。超聲波法不受被測管道壁厚限制，數(shù)據(jù)比較簡單，檢測結(jié)果較為準確，可直接分辨出內(nèi)外腐蝕[6]，不受環(huán)境因素的影響，但超聲波在空氣中衰減較快，檢測時需要耦合介質(zhì)，因此在輸氣管道上的應用受到一定限制，檢測時要求管壁表面較平整，輸油管道蠟層對檢測結(jié)果也有影響[7，8]。

2.2 漏磁通法

漏磁通法是利用鐵磁材料的高磁導性來進行的，鋼管腐蝕缺陷處的磁導率小于正常壁厚處的磁導率，通過外加磁場，將鋼管磁化，當鋼管無缺陷時，磁力線絕大部分通過鋼管，分布均勻；當管壁有缺陷時，磁力線會發(fā)生彎曲，部分磁力線泄漏出鋼管表面。當線圈在缺陷處切割磁力線時，會有感應電動勢產(chǎn)生，探得由其產(chǎn)生的電信號時，即可知管壁存在缺陷[9]。漏磁通法檢測器一般由三部分組成，分別為電池模塊、傳感器模塊、儀器模塊。漏磁通法結(jié)構(gòu)簡單，可覆蓋整個管道周邊，可以檢測到較深的蝕坑甚至是穿孔，受介質(zhì)中雜質(zhì)的影響小，檢測速度快，費用低，對環(huán)境無污染，較適宜中小型管道的檢測；但對于管道軸向裂紋的檢測有困難，檢測信號與缺陷形狀有關(guān)，有時腐蝕不嚴重但邊緣曲折的缺陷產(chǎn)生的信號比腐蝕嚴重邊緣齊整的缺陷產(chǎn)生的信號強，因此會產(chǎn)生虛假信號，由漏磁通法獲得的數(shù)據(jù)一般需要經(jīng)過校驗才可以采用[10]；檢測靈敏度不是很高，管道壁厚越小，檢測器探頭周向排列越緊密，靈敏度越高[11]。

2.3 渦流檢測技術(shù)

渦流檢測技術(shù)是利用電磁感應原理，通過測定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來無損的評定導電材料及其工件的某些性能或發(fā)現(xiàn)缺陷的無損檢測方法。渦流檢測技術(shù)可分為單頻渦流檢測技術(shù)、多頻渦流檢測技術(shù)、遠場渦流檢測技術(shù)、脈沖渦流檢測技術(shù)等，其中，遠場渦流檢測技術(shù)主要用來檢測管道缺陷[12]。它采用內(nèi)通過式探頭，探頭置于管道內(nèi)，探頭由激勵線圈和檢測線圈組成，兩者相差約2倍管道內(nèi)徑。當激勵線圈通以低頻交流電時，由其發(fā)出的磁力線穿過管壁并沿管壁傳播，隨后再次穿過管壁返回管內(nèi)，被檢測線圈接收。由于檢測線圈接收的信號的幅度和相位均與壁厚有關(guān)，因此可以測得管壁的厚度，可以用來測量管道的腐蝕缺陷。采用遠場渦流檢測時，探頭與管道內(nèi)壁不接觸，探頭外徑與鋼管內(nèi)徑之間的間隙變化對檢測結(jié)果的影響很小，檢測設(shè)備體積小，重量輕，檢測速度快，最大檢測壁厚可達25 mm，靈敏度高，既可用于輸油管道，也可用于輸氣管道，還可以將檢測的數(shù)據(jù)存入探頭，從而實現(xiàn)長距離檢測。但遠場渦流檢測無法判斷缺陷是發(fā)生在管內(nèi)壁還是外壁，當管道擱置于支撐板上時磁力線會受到阻擋，使得缺陷信號缺失，同時對于形狀復雜的管段檢測較難[10，13]。

2.4 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射是指材料或構(gòu)件在受力作用產(chǎn)生形變或裂紋時，以彈性波形式釋放應變能的現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)是通過接收這種彈性波，檢測材料或構(gòu)件是否發(fā)生變形和損傷。油氣管道在運行過程中，在與其所處環(huán)境中的礦物質(zhì)成分、水、氣等接觸和反應后，會發(fā)生腐蝕。管道本身所輸送的介質(zhì)有一定的壓力，周邊環(huán)境對它也有壓力，因此管道是處于一個受力平衡狀態(tài)。腐蝕發(fā)生時，管壁會產(chǎn)生體積性損傷，同時因受力而發(fā)生變形，這些因素會釋放應變能，產(chǎn)生彈性波，檢測設(shè)備接收到這種彈性波后，可以輸出聲發(fā)射信號。腐蝕過程中的氣體的產(chǎn)生與逸出，腐蝕層的剝離脫落也會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。油氣管道在腐蝕過程中，因腐蝕形式和強度的不同，會不斷產(chǎn)生不同幅值、頻率的聲發(fā)射信號，通過對這些信號的提取和分析，可以判斷油氣管道的腐蝕受損狀況。聲發(fā)射技術(shù)可用于動態(tài)監(jiān)測，靈敏度高，不受檢測環(huán)境的約束，檢測效率高，應用前景廣闊[14]。

目前對聲發(fā)射信號的采集與處理方式有兩大類，分別為聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法和波形分析方法。參數(shù)分析方法中聲發(fā)射信號參數(shù)有波擊、振鈴計數(shù)、幅度、能量、上升時間和到達時間等參數(shù)。這些參數(shù)都有其特定的含義與用途，如幅度表示信號波形的最大振幅值，可用于波源的類型鑒別、強度測量；到達時間表示一個聲發(fā)射波到達傳感器的時間，可用于波源的位置計算。參數(shù)分析法簡單直觀，對聲發(fā)射儀的要求低，分析速度快，操作簡單，是目前主要使用的方法。但在處理過程中，因試驗條件、結(jié)構(gòu)材料、選用參數(shù)不同，得到聲發(fā)射源的評價也不同，在表征整個發(fā)射源的特征時有一定的偏差。波形分析法通過分析所記錄信號的時域波形獲得聲發(fā)射源信息，可通過譜分析方法獲得信號的譜特征，從而實現(xiàn)對缺陷的分析。聲發(fā)射波形分析技術(shù)的核心是依據(jù)聲發(fā)射信號的波形來了解聲發(fā)射源的物理本質(zhì)，但由于聲源一般都比較微弱，信號本身具有突發(fā)性，波形分析面臨較大難度，如聲波性質(zhì)與不同聲發(fā)射源的對應，聲波在介質(zhì)中的傳播和波形轉(zhuǎn)換問題等[6，15]。

3 總 結(jié)

油氣管道腐蝕是自管道建成即開始面臨的問題。管道所處環(huán)境復雜，易受周邊氧、水、細菌、雜散電流等的影響，還面臨管體本身含有雜質(zhì)、熱處理不均、表面狀況不同等問題，管道的腐蝕在理論上可以避免，但現(xiàn)實中無法做到，理論上可以控制，但往往很難控制。因此，在充分利用現(xiàn)有技術(shù)盡量消除上述因素的基礎(chǔ)上，開展腐蝕檢測并及時維修是避免發(fā)生因腐蝕導致事故的有效手段。超聲波法、漏磁法、渦流檢測技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)在檢測管道腐蝕上各有優(yōu)缺點，在實際使用過程中，應綜合考慮管道環(huán)境、檢測成本、可行性、可靠性等問題，選取合適的方法進行檢測；也可以根據(jù)各自特點，揚長避短，綜合運用，實現(xiàn)管道腐蝕的準確檢測，保障油氣管道安全運行。

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