高腐蝕油田管道外檢測技術的試驗與應用

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(1.中國石油大港油田公司第三采油廠，天津 061035；2.中國石油大港油田公司第六采油廠,天津 300280；3.中國石油大港油田第二礦區(qū)服務公司，天津 300280)

1 技術背景

1.1 問題的提出

隨著油氣工業(yè)的發(fā)展，油氣管道運輸業(yè)迅速興起，管道越來越長，但相伴而生的管道破裂、爆炸、起火等事故也屢屢發(fā)生，這類事故往往造成巨大的經(jīng)濟損失、人身傷亡和環(huán)境破壞。為防不測，近幾年研究開發(fā)了許多檢測、評價、預防、分析和診斷等技術，對降低事故發(fā)生頻率起了很大的作用。油田管道及場站完整性管理工作的開展，有助于降低管道失效率、提升安全水平、降低管道運營風險、變事后應急為提前預控。近幾年，中國石油大港油田公司開展了管道及場站完整性檢測評價的探索實踐，取得一些經(jīng)驗，也發(fā)現(xiàn)一些問題。

1.2 管道技術現(xiàn)狀

大港南部油田屬于高腐蝕油田，地層產(chǎn)出液礦化度為30 000 mg/L左右、Cl-質(zhì)量濃度為15 000 mg/L,CO2和H2S質(zhì)量濃度分別為47 mg/L和18 mg/L，造成地面鋼質(zhì)管道腐蝕結垢極其嚴重。同時，該油田又屬于典型的高凝和高黏油田，原油物性差，凝固點最高達40.8 ℃,黏度(50 ℃)平均785.7 mPa·s。為了解決高凝高黏原油生產(chǎn)集輸問題，大部分油井采用雙管摻水伴熱生產(chǎn)，管網(wǎng)輸送介質(zhì)溫度高，普遍為45～73 ℃，高溫加劇腐蝕。根據(jù)采油廠管道漏失月報統(tǒng)計，大港南部油田共有集輸、摻水、供水和注水管道約1 800 km，每年因腐蝕導致管線泄漏最高達到6 700次，用于更換管道的費用每年在5 000×104RMB￥以上,用于腐蝕結垢治理的藥劑費用約1 200×104RMB￥,用于污染賠償費用最高約600×104RMB￥。巨額的生產(chǎn)維護費用使得企業(yè)不堪重負，不僅嚴重影響了正常生產(chǎn)，而且增加了職工勞動強度，帶來大量安全環(huán)保問題。

1.3 試驗應用目的

為了探索油田不同管道檢測評價技術的適用性，推動油田管道完整性管理工作的開展，提升安全水平，降低管道運營風險,變事后應急為提前預控，開展了管道外檢測技術試驗與應用。

1.4 檢測技術篩選

根據(jù)大港油田管道現(xiàn)狀，篩選檢測技術重點考慮以下3個方面：

(1)結合各種檢測評價技術的特點及適應性，選用的檢測技術要盡可能實現(xiàn)非接觸檢測，要適應運行時間長、腐蝕泄漏嚴重、安全風險大和環(huán)境敏感區(qū)域的管道；

(2)依據(jù)的國內(nèi)外標準：API 581—2008 《基于風險的檢驗技術》，NACE RP0502—2002 《管道外腐蝕直接評估方法》，API 1160—2013 《危險液體管道的完整性管理》，SYT 0087.1—2006 《鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準——埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價》，SY/T 5918—2011 《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復技術規(guī)范》，SY/T 6621—2005 《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》，SY/T 6648—2006 《危險液體管道的完整性管理》，SY/T 6653—2006 《基于風險的檢驗(RBI)推薦做法》和SY/T 6714—2008 《基于風險檢驗的基礎方法》。

(3)借鑒中石油西南油氣田分公司、中石油管道公司等同行在管道檢測、風險評價、缺陷評估及壽命預測等方面的應用經(jīng)驗。

最終篩選出多頻管中電流檢測技術、磁致超聲導波檢測技術、瞬變電磁檢測技術和金屬磁記憶檢測技術4種開展試驗應用。

2 4種管道檢測技術原理及試驗應用

2.1 多頻管中電流法

檢測原理：通過檢測埋地管道上的激勵電流信號衰減率來判斷防腐層好壞。特定頻率的電流沿埋地管道傳送過程中的衰減變化與管道防腐層的絕緣電阻率有關[1]。管道防腐層出現(xiàn)破損，一部分信號電流就會從該破損處流出，并以破損處為中心形成一個立體的球形分布電場，在地面上用接收機及“A”字架對管道沿線電位進行檢測，依據(jù)接收機上顯示的箭頭方向和dB值(防腐層缺陷點大小的度量值)來判斷破損點的確切位置和大小。

檢測內(nèi)容：對埋地管道外防腐層的破損情況評估和定位，同時對管道走向進行精確定位、測深。

檢測設備：多頻管中電流法檢測儀(包括發(fā)射機、接收機、“A”字架、數(shù)據(jù)連接線和電腦計算軟件)。

適用范圍：埋地金屬管道(套管內(nèi)管道、跨越管道不適應)。

檢測精度：(1)防腐層破損點開挖驗證的準確率不低于95%。(2)防腐層破損點定位精度不超過±0.5 m。

檢測條件：管道沿線無絕緣法蘭等非導電管件。

檢測應用：PCM技術共完成486.2 km管道檢測，檢測出破損點4 202處。

驗證：對51條檢測dB值大于35的管道防腐層破損點，采取開挖方式驗證314處，符合率99%。

2.2 磁致超聲導波檢測技術

檢測原理：磁致超聲導波技術激發(fā)的是一種機械彈性波，能沿著構建有限的邊界形狀傳播并被構建邊界形狀所約束、所導向。當傳播中的超聲波遇到結構突變(焊縫或缺陷)，一部分導波就會反射回原檢測點產(chǎn)生微小的振動，這種振動將會引起鐵磁性材料的磁疇按照一定方向運動，引起材料的磁化狀態(tài)發(fā)生變化(磁致伸縮效應的逆效應)而被傳感器所檢測到，以達到檢測構件狀況的目的[2]。

檢測內(nèi)容：對管道本體因腐蝕等因素造成的缺陷進行檢測和評估。

檢測設備：磁致導波檢測儀。

適用范圍：穿跨越管道、架空管道。不能測量該類管道局部的點蝕,不能確定缺陷的形狀和大小,不能穿越法蘭。

檢測精度：可靠檢測靈敏度為管道橫截面積損失量的3%，監(jiān)測時靈敏度可以達到管道橫截面積損失量的0.6%。定位精度與主機系統(tǒng)的信噪比和所采用的操作頻率有關:±150 mm(頻率為32 kHz時)，±75 mm(頻率為64 kHz時)，±32 mm(頻率為128 kHz時)。

檢測條件：傳感器安裝位置盲區(qū)的大小與所采用的檢測頻率有關：32 kHz時為350 mm，64 kHz時為175 mm，128 kHz時為85 mm。

試驗應用：共完成49條管道跨河段檢測，長度共計6.21 km，布置檢測點148處，檢測出缺陷點228處。

驗證：對131處金屬蝕失率大于3%的缺陷點進行了保溫層剝開、除銹，用超聲波測厚儀進行壁厚檢測驗證，符合率56%(見表1)。

2.3 瞬變電磁檢測技術

檢測原理：用發(fā)射線圈向金屬管道發(fā)送一次脈沖磁場,地下管道內(nèi)部受感應產(chǎn)生渦旋電流，用接收線圈測量二次渦流磁場，管壁厚度不同的管體脈沖瞬變響應不同，依據(jù)檢測信號在不同管道上的瞬變衰減特征的區(qū)別，評估管體平均缺損量[3]。

檢測內(nèi)容：對管體金屬平均缺失量或一段管道的平均腐蝕狀況進行檢測評估。

表1 磁致導波檢測技術驗證情況匯總

檢測設備：管道腐蝕智能檢測儀(控制單元、數(shù)據(jù)采集器、傳感器)。

適用范圍：管徑大于100 mm金屬埋地管道(局限性:只能反映被測管段金屬蝕失量平均值，不能反映管體的局部點蝕程度)。

檢測精度：一般干擾條件下，誤差可控制在5%以內(nèi)。

檢測條件：相鄰管道距離不低于埋深2～2.5倍。

試驗應用：共完成1條管道1 700 m檢測，現(xiàn)場共布置測點208處，其中金屬蝕失率大于10%的重點腐蝕管段6處。

驗證：因地方關系難以協(xié)調(diào)，僅對其中3處開挖，采用超聲波測厚儀進行管壁厚度驗證(見表2)。

表2 瞬變電磁檢測技術部分風險點驗證

2.4 金屬磁記憶檢測技術

檢測原理：鐵磁性金屬零件在加工和運行時，由于受載荷和地磁場共同作用，在應力和變形集中區(qū)域會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留，還與最大作用應力有關，金屬構件表面的這種磁狀態(tài)記憶著微觀缺陷或應力集中的位置，即所謂的磁記憶效應，利用金屬這種磁記憶效應的基本原理制作的檢測儀器，通過記錄垂直于金屬構件表面的磁場強度分量沿某一方向的分布情況，可以對構件的應力集中程度以及是否存在微觀缺陷進行評價[4]。

檢測內(nèi)容：可以對管道冶金缺陷(壓痕、褶皺和刻痕)、機械缺陷(未焊透、錯邊)、腐蝕損壞(腐蝕坑、線性腐蝕和應力腐蝕開裂)、施工或運行形成應力集中點(山地滑坡、溫度和其他變形負載,彎曲應力等)進行檢測。

檢測設備：鋼質(zhì)管道遠場應力檢測儀(包括磁掃描探頭、主機、數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)連接線和電腦)。

適用范圍：埋地金屬管道或水下金屬管道(局限性：對于管道在過去1年內(nèi)做過漏磁檢測，并行或交叉的管道，該技術的準確性不高)。

檢測精度：(1)可測缺陷深度不小于5%管壁厚度、任意周向位置缺陷和任何寬度的裂紋開口；(2)異常位置的精度：±1.5 m。

檢測條件：(1)距管道垂直距離不超過25倍管徑，水平距離不超過4倍管徑；(2)管道直徑超過56 mm；(3)管道壁厚超過1.0 mm。

試驗應用：共檢測10條管道，長度合計29.6 km，共檢測出應力集中風險等級三級點52處，四級點3處，合計55處，按照應力集中程度對管道風險進行分級,見表3。

驗證：由于沒有驗證冶金缺陷、機械缺陷及施工或運行形成應力集中的手段，僅采用超聲波測厚儀對2條管道9處應力集中點進行了開挖測壁厚驗證，并與金屬蝕失量劃分的風險等級(見表4)進行對比，發(fā)現(xiàn)其中7處風險等級劃分相符，符合率78%(見表5)。

表3 金屬磁記憶檢測技術檢測結果分級

表4 金屬蝕失量經(jīng)驗等級

表5 金屬磁記憶檢測技術驗證情況匯總

3 結果與討論

3.1 多頻管中電流技術

通過對51條管道314處風險點的開挖檢測驗證，對管道防腐層破損點的檢測與定位準確率較高(99%)，使用該技術即可實現(xiàn)對埋地金屬管道走向、埋深的確定、防腐層評價和破損點定位,特別適合對新建管道防腐層完好情況進行驗收。

但是，該項技術不能確定管道本體的腐蝕狀況，對于管體腐蝕嚴重的情況，特別是內(nèi)腐蝕嚴重的管道，適應性較差。一方面，防腐層沒有破損的位置，管體可能已經(jīng)腐蝕非常嚴重;另一方面，防腐層破損非常嚴重的位置，管體本身可能沒有腐蝕。對于因防腐層破損而導致的管體外腐蝕，也需要對防腐層破損點進行定位、開挖之后，通過測厚儀等其他手段了解管道腐蝕狀況及確定下一步的維修工作量。另外，該技術對架空管道、套管內(nèi)管道無法檢測。

3.2 磁致超聲導波檢測技術

通過大量實際檢測以及其他方式驗證，超聲導波檢測技術可以對一定程度的架空管道腐蝕等缺陷進行評價、定位。但是該項檢測技術也存在明顯的局限性：

(1)超聲導波技術采用低頻超聲技術，波長很長，只能檢測出占管道橫截面積3%以上的腐蝕或裂紋等缺陷，不能測量管道真實剩余壁厚或最小壁厚，尤其是整體腐蝕減薄的壁厚，與軸向平行的裂紋與腐蝕也很難發(fā)現(xiàn)。

(2)管道采用的防腐、保溫類型不同，輸送介質(zhì)的不同，服役時間的不同，都會對該技術有效檢測距離有明顯影響。一般來說，新管道每點檢測距離大于舊管道,無防腐層的管道每點檢測距離大于有防腐層的管道;高密度聚乙烯內(nèi)穿插防腐的管道，檢測距離就大幅降低。

(3)該技術不能確定缺陷的形狀和大小、不能穿越法蘭。

(4)個別管道采用32,64和128 kHz導波工作頻率，聲波均不能傳播，導致無法檢測。

(5)檢測結果的準確性與檢測點布置密度有關,誤差較大。

(6)定位精度誤差較大。

(7)傳感器安裝位置盲區(qū)也導致很多彎頭、法蘭等特殊位置無法檢測。

(8)對于埋地管道，有效檢測距離大幅降低，應用該技術成本較高。

3.3 瞬變電磁技術

該技術理論上能反映某一段管線壁厚的平均值，不能反映管體的具體一點的點蝕程度，只能作為參考由檢測人員依靠經(jīng)驗來初步判斷管線的腐蝕程度。

該技術準確率低，而且腐蝕信號、并行管道信號及其他干擾信號難以區(qū)分，需要檢測人員經(jīng)驗判斷或采取其他技術驗證；管體缺陷嚴重程度與檢測結果信號強弱規(guī)律性不強，給出的管體缺陷范圍太大，不能具體定位，誤差遠大于5%。另外，該技術要求平行鋪設管道間距是管道埋深的2～2.5倍,對于油田交錯鋪設的集油、摻水、供注水等管道，瞬變電磁技術檢測的結果相互干擾嚴重，難于正常應用。

3.4 金屬磁記憶技術

理論上能夠給出管道具體應力集中點位置及應力集中等級，再依據(jù)應力集中等級與管道本體腐蝕情況來判斷管道本體缺陷。

但是該技術除了腐蝕導致的應力集中以外，冶金缺陷、機械外力、施工和運行過程造成的應力集中難以驗證，需要檢測人員經(jīng)驗判斷或采取其他技術驗證，受現(xiàn)場條件限制，有時根本無法驗證；檢測信號易受外界信號干擾，缺陷嚴重程度與檢測結果信號關聯(lián)性不強,特征不明顯，需要其他技術協(xié)助驗證。另外，該技術成本較高。

4 結 語

通過以上大量檢測實踐，發(fā)現(xiàn)了一些管道風險點，通過補強修復等措施，提升了管道安全水平，降低了管道運行風險，延長了管道壽命。但是，也發(fā)現(xiàn)目前現(xiàn)有的檢測技術存在明顯的缺陷，尤其是管道本體腐蝕嚴重的情況，現(xiàn)有的技術均不能發(fā)現(xiàn)全部缺陷，或者不能滿足現(xiàn)場實際應用的要求，急需有關部門盡快引進、推薦或研發(fā)針對上游生產(chǎn)系統(tǒng)的簡單、實用、準確和有效的檢測技術。

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[4] 張衛(wèi)民，董邵平，張之敬.金屬磁記憶檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國機械工程，2003，14(10)：892-896.

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(編輯 張向陽)