埋地集輸管道檢測數(shù)據(jù)分析

王孟，李自力，楊超，陳健飛

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.山東省油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 青島 266580；3.青島市環(huán)海油氣儲運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 青島 266580；4.勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營 257000）

勝利油田技術(shù)檢測中心自2008年起針對勝利油田埋地集輸管道進(jìn)行檢測，共檢測管道約7500 km，其中原油管道約占總管道長度的60%，天然氣管道約占30%，油氣水混輸及水管道占10%。集輸管道受內(nèi)腐蝕、外腐蝕以及第三方破壞等因素影響，管道泄漏事故頻頻發(fā)生。由于集輸管道分支較多，且受其環(huán)境和輸送介質(zhì)的影響，很難進(jìn)行管道內(nèi)檢測，因此外檢測對管道的安全運(yùn)行十分重要[1]。經(jīng)過 8年時間，勝利油田技術(shù)檢測中心積累了大量的檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，其結(jié)果將對油田生產(chǎn)與管理具有很大的指導(dǎo)作用。

1 檢測技術(shù)及評價手段

針對埋地集輸管道，從資料審查、宏觀檢查、防腐層檢測、超聲波測厚這四個方面對管道的相關(guān)參數(shù)及檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析。管道外防腐層檢測能有效地檢測出埋地管道外防腐蝕層破損情況，確定管道防腐蝕層破損點(diǎn)位置；管道壁厚的檢測能夠推測壁厚的減薄程度，對管道的維修、改造方案的制定以及輸油輸氣等管道的安全生產(chǎn)具有重要的意義[2]。

1.1 PCM+埋地管道外防腐層狀況檢測儀

其工作原理是：利用發(fā)射機(jī)從埋地管道的某一點(diǎn)向管道供入電流信號，信號電流在埋地管道中傳輸時，周圍便產(chǎn)生了電磁場，利用接收機(jī)從地表的磁場分量中測定出管道中信號電流的大小，配上A字架便可準(zhǔn)確確定破損點(diǎn)位置，接收機(jī)也可直接讀取埋深值。一般采取4 Hz和128 Hz定位電流，讀取電流值，根據(jù)電流值計算絕緣電阻率，并根據(jù)《埋地鋼制管道腐蝕與防護(hù)檢測技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定（如表1）判斷防腐層等級。

表1 防腐層參量分級表Table1 Classification of anticorrosive coating parameters

1.2 超聲波測厚儀

超聲波測厚儀輕便、小巧，讀數(shù)直觀，能夠迅速測量出管道壁厚，其工作原理是根據(jù)超聲波脈沖反射來進(jìn)行厚度測量。當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。對于管道，通常測量橫截面上的8個點(diǎn)，通過得到的數(shù)據(jù)能夠推測管道腐蝕的原因，如圖2所示。

2 防腐層破損原因分析

由于管道外防腐層破損將會加快管道腐蝕，容易造成管道穿孔、泄漏，因此防腐層的質(zhì)量對于管道的安全運(yùn)行至關(guān)重要。經(jīng)過對近幾年檢測數(shù)據(jù)的分析整理，找出了防腐層破損的主要原因[6—8]。

2.1 運(yùn)行年限及埋深

通過使用 PCM+檢測儀與 A字架對油田埋地管道進(jìn)行檢測，根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)給各管段評級。針對不同投產(chǎn)時間，對近幾年所檢測的管道進(jìn)行防腐層性能評價分析，性能評價等級為四級及以上的管道（需維修更換防腐層）所占比例統(tǒng)計見表2。

表2 防腐層性能評價統(tǒng)計Table2 Evaluation of the anticorrosive coating performance

可以看出，投產(chǎn)10年以內(nèi)的管道四級及以上防腐層所占比例為 5.48%，而投產(chǎn) 10年以上的管道四級及以上防腐層所占比例達(dá)到了12.38%，老化程度明顯提高。因此對于運(yùn)行超過10年的管道應(yīng)定期檢測并及時維修、更換防腐層。

通過多年的檢驗數(shù)據(jù)以及開挖驗證，總結(jié)出DB值大于40時，認(rèn)定為防腐層破損點(diǎn)。通過檢測得到大量埋深值與DB值，其對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

從圖4可以看出，當(dāng)埋深在0.4～0.8 m時，防腐層破損點(diǎn)所占比例最大，隨著埋深的增加，破損點(diǎn)逐漸減少，這說明埋深對于集輸管道的防腐層影響很大。在實(shí)際檢驗中也發(fā)現(xiàn)，埋設(shè)深度不夠，容易導(dǎo)致第三方破壞（位于路下面，車輛重載容易導(dǎo)致管道變形；位于農(nóng)田中，則容易在耕作地方遭到破壞；在隱蔽處容易被人打孔盜油）。因此管道埋深應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行，檢測出埋深不足0.8 m的管道，應(yīng)及時增加覆土層厚度，無法加大埋深的則應(yīng)該加大巡檢力度，防止管道遭到破壞。

2.2 溫度

油田集輸管道主要輸送原油、天然氣、油氣水、污水等介質(zhì)，一般管道外防腐層選用黃夾克和瀝青玻璃布，還有少部分采用 3PE防腐層。管道防腐層周圍環(huán)境溫度主要受輸送介質(zhì)溫度的影響。防腐層在土壤中會自然老化，這個過程比較緩慢，但是輸送介質(zhì)的熱影響會大大加快這一過程。黃夾克和瀝青玻璃布的耐熱程度不同，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析了溫度對防腐層破損的影響程度，如圖5所示[9—10]。

改革開放的總設(shè)計師鄧小平同志曾說過:“中國的改革是從農(nóng)村開始的，農(nóng)村的改革是從安徽開始的”。1978年召開的中共十一屆三中全會和小崗村的“大包干”創(chuàng)舉，開啟了農(nóng)村改革(包產(chǎn)到戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)責(zé)任制)的新進(jìn)程，開創(chuàng)了改革發(fā)展新局面。[1]隨著1982年家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制在農(nóng)村的基本普及、1982—1986年中央5個“一號文件”的連續(xù)下發(fā)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展和農(nóng)業(yè)剩余勞動力的外出務(wù)工，吃飯的問題逐步得以解決，計劃經(jīng)濟(jì)體制也逐步向商品經(jīng)濟(jì)體制、市場經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)化，開始了建設(shè)中國特色社會主義的新探索。[1]

從圖5中能夠看出，在30～50 ℃區(qū)間內(nèi)，溫度對防腐層破損情況的影響比較小；隨著溫度的升高，無論是黃夾克，還是瀝青玻璃布，每公里防腐層破損個數(shù)大體趨勢是逐漸增加；當(dāng)溫度超過60 ℃后，防腐層每公里的破損個數(shù)明顯上升，并且瀝青玻璃布的破損個數(shù)要大于黃夾克。這是因為長期處在高溫下的瀝青玻璃布結(jié)構(gòu)內(nèi)高分子化合物在慢慢揮發(fā)，導(dǎo)致其老化速度變快，并且隨著溫度的變化，管道的外防腐層也會與管體一起發(fā)生收縮和膨脹，但由于它們的線膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致外防腐層與管體發(fā)生脫離。

2.3 其他因素

土壤電阻率、含水量、酸堿度以及含鹽量等都是防腐層破損的影響。技術(shù)檢測中心自2014年起開始采用溫納四極法采集土壤電阻率，統(tǒng)計結(jié)果見表3[11]。

表3 土壤電阻率與防腐層破損情況Table3 Soil resistivity and coating damage

從表3可以看出，破損情況隨著電阻率的增加而越來越嚴(yán)重。從近幾年的檢測中發(fā)現(xiàn)，油田多數(shù)埋地集輸管道中無陰極保護(hù)系統(tǒng)。設(shè)置了陰極保護(hù)系統(tǒng)的集輸管道，由于運(yùn)行時間長，缺乏維護(hù)，目前陰極保護(hù)系統(tǒng)也已經(jīng)失效了，無法繼續(xù)起到保護(hù)管道的作用。

3 防腐層破損對管道的影響

防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)都是保障管道安全運(yùn)行的屏障，一旦防腐層發(fā)生破損或陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，都將加快管體的腐蝕。結(jié)合外防腐的檢測數(shù)據(jù)與管道的壁厚檢測情況，統(tǒng)計了黃夾克和瀝青玻璃布運(yùn)行了不同年限的每公里防腐層破損點(diǎn)個數(shù)以及管道壁厚減薄情況，見圖6和圖7。

通過比較可以看出，防腐層破損個數(shù)與壁厚減薄程度隨運(yùn)行時間的變化情況基本吻合。對于防腐層破損情況來說，運(yùn)行10年內(nèi)黃夾克管道的破損率更高一些，而運(yùn)行10年后，瀝青玻璃布的破損率更高一些。主要原因分析如下：

1）黃夾克管道可分為3層，最里面是鋼管，中間是保溫層，最外面是保護(hù)層（通常叫做夾克層）[12]。在管道施工時，夾克層與保溫層容易發(fā)生脫離，層與層之間產(chǎn)生空隙，容易發(fā)生腐蝕，因此黃夾克保溫管道在施工時就可能已經(jīng)遭到破壞。而瀝青玻璃布防腐層能夠與管道緊密貼合，不容易產(chǎn)生空隙[13—14]。

2）瀝青保護(hù)層本身具有機(jī)械強(qiáng)度低、低溫下脆裂、高溫下流淌、不耐微生物和植物根莖穿透等缺點(diǎn)[15—17]，使得外壁的保護(hù)層易脫落，導(dǎo)致裸露的金屬外壁直接與土壤接觸。隨著運(yùn)行時間的延長，其質(zhì)量越來越差，所以在運(yùn)行10年后，瀝青的破損率要大于黃夾克防腐層。

從圖7可以看出，當(dāng)運(yùn)行年限超過10年時，其減薄程度明顯加強(qiáng)，并且瀝青玻璃布防腐層管道減薄量明顯高于黃夾克保溫管道。因此隨著使用年限的增長，應(yīng)及時更換防腐層，加大巡檢力度。

瀝青玻璃布防腐層涂敷工藝復(fù)雜，環(huán)境污染嚴(yán)重，在歐洲和北美都已經(jīng)被漸漸淘汰。為了克服黃夾克和瀝青玻璃布的缺點(diǎn)，油田企業(yè)在新敷設(shè)的管道中逐漸采用 3PE防腐材料。三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯(3PE)防腐涂層具有良好的抗腐蝕性、抗水氣滲透性以及力學(xué)性能，到目前為止是全球公認(rèn)的使用效果最好、性能最佳的管道防腐涂層。

4 結(jié)論

通過近幾年的檢測工作，對油田埋地集輸管道外防腐層和壁厚的檢測結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，得到如下結(jié)論：

1）油田防腐層破損情況嚴(yán)重，主要與管道的運(yùn)行年限、埋設(shè)深度、輸送介質(zhì)的溫度以及土壤理化性質(zhì)有關(guān)。埋深不足是因為施工時沒有嚴(yán)格按照覆土深度進(jìn)行敷設(shè)，以及投產(chǎn)后的水土流失和人為取土破壞。針對埋深不足，應(yīng)加大巡檢力度，對于檢測出埋深不足的位置要及時填土，否則取土的地方容易形成水坑，會加快管道腐蝕和防腐層破損。外防腐層類型與服役環(huán)境存在矛盾，對于植物根系發(fā)達(dá)、土壤濕度較大的地方，應(yīng)合理更換防腐層，尤其是運(yùn)行年限超過15年的管道，應(yīng)縮短檢測周期，及時對防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行合理維修。

2）在檢測過程中發(fā)現(xiàn)，管道缺少陰極保護(hù)系統(tǒng)，有的即使設(shè)置了陰極保護(hù)系統(tǒng)，但由于運(yùn)行時間長及缺乏維護(hù)，也都失效了。防腐層和陰極保護(hù)技術(shù)能夠延緩管道腐蝕，所以應(yīng)針對防腐層破損嚴(yán)重的管道，增設(shè)陰極保護(hù)系統(tǒng)并定期維護(hù)。

3）通過檢測評價，及時發(fā)現(xiàn)管道防腐層破損老化、管體腐蝕與盜漏隱患，對提高埋地管道安全運(yùn)行的可靠性，避免能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，延長管道的服役壽命以及被檢管線的日常管理、維護(hù)、維修與更換，提供了科學(xué)依據(jù)。