某輸氣管道的腐蝕缺陷評價與維修決策

崔凱燕，閆茂成2，王曉霖，李 明

(1.中國石油化工股份有限公司 大連石油化工研究院,大連 116045;2.中國科學院 金屬研究所,沈陽 110016)

隨著在役油氣管道服役時間的延長，管道腐蝕現(xiàn)象日益嚴重，即使管道企業(yè)采取加陰極保護系統(tǒng)、涂覆防腐蝕層等多種防護措施，仍無法避免腐蝕。目前，降低或消除油氣管線因腐蝕導致的風險或事故隱患最有效的技術(shù)措施是進行油氣管道內(nèi)檢測[1]。為了預測管道整體的腐蝕情況，確定腐蝕對管道結(jié)構(gòu)完整性的危害程度，通常開展管道內(nèi)檢測，利用檢測數(shù)據(jù)評價管道剩余強度，并預測缺陷剩余壽命，保障管道在服役期間的安全可靠性[2]。目前，基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行管道缺陷評價，并據(jù)此制定缺陷維修維護計劃，已成為管道完整性管理的重點和最終價值體現(xiàn)[3]。

本工作根據(jù)實際案例，提出批量腐蝕缺陷數(shù)據(jù)特征分析步驟、方法，并根據(jù)管道實際參數(shù)對各種評價方法進行比較歸納[4]，提出管道維修決策的判定準則，以期為管道管理工作者、管道內(nèi)檢測方提供內(nèi)檢測評價與科學制定管道維修決策的參考，同時為現(xiàn)場管道維護人員直接進行缺陷快速評價提供指導。

1 管道概況

國內(nèi)某天然氣管道于2006年10月投產(chǎn)使用。管道全長83.65 km，材質(zhì)為L320鋼，管道外徑為508 mm，壁厚分別為6.4 mm、7.9 mm和9.5 mm，管道設(shè)計壓力3.9 MPa，最大允許操作壓力MAPO為2.4 MPa。管道運營方委托第三方檢測公司分別于2017年2月26日和2017年3月19日對該管道進行了幾何變形檢測和漏磁內(nèi)檢測工作。

2 腐蝕缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2.1 缺陷特征統(tǒng)計

內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷共計20 706處，其中內(nèi)腐蝕20 635處，外腐蝕71處；腐蝕深度d≥40%(壁原)的腐蝕缺陷共3處，均為內(nèi)腐蝕，最大腐蝕深度為壁厚的50%(在28 703 m處)，外腐蝕的最大腐蝕深度為壁厚的35%(在80 450 m處)，管體腐蝕缺陷的平均深度為壁厚的12%；在20 972根管節(jié)中，存在缺陷的管節(jié)共計2 225根，占管節(jié)總數(shù)的10.6%。檢測結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 在線檢測結(jié)果統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of in-line inspection results

根據(jù)GB/T 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》標準中關(guān)于金屬損失類型的定義，對腐蝕缺陷的類型進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 腐蝕類型統(tǒng)計Tab.2 Statistics of corrosion types

由表1和表2可見：內(nèi)腐蝕較為嚴重，缺陷特征主要為坑蝕和環(huán)向凹溝，且多為10%≤d<20%的坑蝕。d>20%(壁原)的內(nèi)腐蝕周向位置分布如圖1所示，由圖1可知此次內(nèi)檢測獲得的較嚴重內(nèi)腐蝕缺陷大量集中在管底(4點鐘至8點鐘)位置，推測可能為施工或試壓后清管殘留水、氣體含水或含CO2/H2S等酸性介質(zhì)導致，建議嚴格控制氣質(zhì)成分，并提高清管次數(shù)、改善清管質(zhì)量。圖2為外腐蝕缺陷長度的分布情況，由圖2可知，外腐蝕多為長L<40 mm 的短缺陷，可見管道周圍施工、挖掘等第三方活動破壞較少。

圖1 管道內(nèi)腐蝕缺陷的周向位置分布Fig.1 Orientation distribution of internal corrosion defects of pipeline

圖2 管道外腐蝕缺的陷長度分布Fig.2 Length distribution of external corrosion defects of pipeline

2.2 腐蝕缺陷與環(huán)焊縫的關(guān)系

管道環(huán)焊縫處防腐蝕層通常需要進行補口處理，若補口存在問題，則補口處的搭接區(qū)(補口處防腐蝕層與管體防腐蝕層搭接的位置)會產(chǎn)生外腐蝕缺陷。分析管道環(huán)焊縫臨近區(qū)域(兩側(cè)各200 mm范圍內(nèi))的外腐蝕情況，可判斷管道是否存在補口失效問題。

由圖3和表3可見：距離環(huán)焊縫兩側(cè)200 mm范圍內(nèi)，存在4處腐蝕缺陷，其中2、3號腐蝕缺陷位于同一環(huán)焊縫附近且周向距離較近，建議開挖檢驗該環(huán)焊縫防腐蝕層補口情況，具體見表3。

圖3 外部腐蝕缺陷與環(huán)焊縫的距離Fig.3 The distance of external corrosion defects to girth weld

表3 距環(huán)焊縫兩側(cè)200 mm內(nèi)的腐蝕缺陷Tab.3 Corrosion defects within 200 mm from both sides of girth weld

3 腐蝕缺陷評價及維修決策

3.1 缺陷維修判定準則

按照SY/T 6151—2009《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價方法》，腐蝕類缺陷通常以缺陷可接受尺寸和剩余強度作為維修響應(yīng)判定依據(jù)，此外還包括是否含有其他缺陷、缺陷特征、組合缺陷等的影響。按照SY/T 6597—2014《油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》和GB 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》，剩余強度主要以預估維修比(Estimated Repair Factor，ERF)度量，ERF定義式見式(1)：

ERF=MAOP/ps

(1)

式中：MAOP為最大允許運行壓力，該管道的為2.4 MPa，ps為安全工作壓力，MPa。

考慮組合缺陷、特殊形態(tài)缺陷及沿焊縫的腐蝕缺陷對管道安全運行的影響[5-7]，為避免評價過程中忽略該類缺陷，根據(jù)國內(nèi)外完整性評價相關(guān)標準[8-11]，同時綜合考慮此類因素，制定該管道腐蝕缺陷維修判定準則。應(yīng)立即修復的缺陷包括：①d>80%或ERF≥1的腐蝕；②含有焊縫缺陷的腐蝕[10-11]；③含有凹陷或應(yīng)力集中的腐蝕[12]。一年內(nèi)應(yīng)修復的缺陷包括：①沿焊縫的腐蝕[9]；②d>12.5% 的凹溝[10]；③與其他管道交叉且d>50%的腐蝕；④d>50%的腐蝕為均勻腐蝕或位于影響環(huán)焊縫的區(qū)域[10]。其他計劃修復的缺陷包括剩余壽命在下一次檢測日期之前的缺陷。

3.2 剩余強度評價

比較ASME B31G—2012[9]、BS 7910—2015[13]、DNV RP—F101—2015[14]等標準中關(guān)于ERF=1時的缺陷長度與深度關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知：對于長度L=100 mm的缺陷，可允許的缺陷深度為dASME B 31G

圖4 不同標準中關(guān)于ERF=1時的缺陷長度與深度曲線Fig.4 Defect length and depth curves for ERF=1 in different standards

ASME B 31G標準中的失效壓力pf和安全工作壓力ps計算公式見式(2)和(3)。

(2)

ps=pf/Fs

(3)

式中：D為外徑，mm；t為公稱壁厚，mm；d0為缺陷絕對深度，mm；Sflow為流變應(yīng)力，MPa；M為鼓脹因子，z≤50時M=(1+0.627 5z-0.003 375z2)1/2，z>50時M=0.032z+3.3，其中z=L2/Dt；L為缺陷長度，mm；Fs為管道安全系數(shù)，取設(shè)計系數(shù)的倒數(shù)。不同壁厚管段設(shè)計系數(shù)根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》標準確定，對于該管道，壁厚為6.4 mm、7.9 mm和9.5 mm的設(shè)計系數(shù)分別為0.4和0.5和0.5。

經(jīng)計算，所有腐蝕缺陷的ERF均小于1，最大值為0.578，因此該管道腐蝕缺陷均滿足剩余強度要求，圖5為所有腐蝕深度大于20%的腐蝕缺陷的ERF值。

圖5 深度大于20%的腐蝕缺陷的ERF值Fig.5 ERF of corrosion defects with d>20%

3.3 剩余壽命預測

含腐蝕缺陷管道的剩余壽命TR的增長與失效壓力pf呈線性關(guān)系[15]：

(4)

式中：Rc為腐蝕速率，mm/a；py為屈服壓力，MPa。管道屈服壓力py與管道外徑、壁厚及屈服應(yīng)力σy有關(guān)：

(5)

為避免目前管道維修時安全隱患較大的問題，基于內(nèi)檢測評價結(jié)果，以ps為邊界值，確定一個更安全的維修時限，即管道的安全維修時限Ts。安全維修時限隨管道運營時間的增長而減小，當ps=MAOP時，Ts=0。對于安全工作壓力ps≤MAOP的腐蝕缺陷(即Ts≤0)應(yīng)立即維修，ps>MAOP的腐蝕缺陷可以制定維修計劃或監(jiān)測使用，即根據(jù)其安全維修時限Ts來確定具體的維修時間。因缺陷承壓能力與時間的變化趨勢相同，由式(4)及式(5)可得含缺陷管道安全維修時限Ts的計算公式：

(6)

由式(6)看出，腐蝕速率是預測缺陷變化的基礎(chǔ)。目前確定腐蝕速率普遍采用的方法為依據(jù)2次(或多次)檢測數(shù)據(jù)對比獲得，并假設(shè)腐蝕呈線性生長即勻速生長。對于只進行過一次內(nèi)檢測的管道，經(jīng)驗做法是假設(shè)管道投產(chǎn)的起始時間為腐蝕開始生長的初始時間，并使用全壽命或半壽命的方法來計算腐蝕缺陷的生長速率[16]。為降低地區(qū)等級對腐蝕速率計算的影響，可將管道按照壁厚不同分為n段，分別計算每段的腐蝕速率。則第i段管道的腐蝕速率可表示為：

(7)

式中：T1和T0分別為管道檢測時間和投產(chǎn)時間，年；dmaxi為第i段管道內(nèi)所有缺陷深度的最大值，%。

根據(jù)此次檢測數(shù)據(jù)，為使預測結(jié)果更為保守，以內(nèi)、外部腐蝕缺陷的最大生長速率分別作為內(nèi)、外腐蝕速率，結(jié)果見表4。

表4 管道內(nèi)、外壁的腐蝕速率Tab.4 Inside and outside corrosion rates of pipeline

經(jīng)計算，自檢測結(jié)束(2016年10月)起，腐蝕缺陷剩余壽命最小的為6.6 a。

3.4 其他因素分析

根據(jù)維修判定準則，分析除剩余強度和剩余壽命外的其他因素缺陷。結(jié)果表明：存在1處腐蝕缺陷位于凹陷，深度為27%，應(yīng)立即修復并排查凹陷原因；存在2處含焊縫異常的腐蝕缺陷，其中1處為深度>12.5%的環(huán)向凹溝，須立即修復；管體深度最大的腐蝕缺陷(d=50%)為均勻腐蝕缺陷，應(yīng)在1 a內(nèi)修復；存在15處d>12.5%的環(huán)向和軸向凹溝(其中1處含焊縫異常)，應(yīng)在1 a內(nèi)修復。除上述缺陷外，還存在2處d>40%的坑蝕，考慮到檢測局限性，建議1 a內(nèi)開挖驗證并修復。

綜上所述，建議立即修復的腐蝕缺陷共計3處，1 a內(nèi)計劃修復的腐蝕缺陷共18處，建議修復的部分腐蝕缺陷見表5。

3.5 再檢測時間

GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》標準規(guī)定，管道內(nèi)檢測最長時間間隔要求不超過8 a。經(jīng)評價，該管道完整性狀況較差，尤其是內(nèi)腐蝕嚴重。考慮管道周邊自然環(huán)境及社會環(huán)境等綜合因素，結(jié)合剩余壽命預測結(jié)果，建議再次檢測的時間間隔應(yīng)不超過6 a，即在2023年3月19日前應(yīng)再次實施管道內(nèi)檢測。若現(xiàn)場開挖表明該管道完整性狀況較好，或采取防護措施并通過評價證明能夠改善管道完整性狀況，可適當延長檢測時間1～2 a。

表5 建議修復的部分腐蝕缺陷列表Tab.5 List of some corrosion defects recommended to be repaired

3.6 開挖驗證

2017年11月，針對表3中5、6號缺陷，采用超聲厚度測量儀對缺陷深度及管道壁厚進行開挖驗證，結(jié)果見表6，與內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對比可見，缺陷5、6號的深度誤差分別為+4%和-2%。圖6為缺陷現(xiàn)場檢測情況。

表6 缺陷5和缺陷6的開挖驗證情況Tab.6 Excavation verification of defects No.5 and No.6

圖6 缺陷6的現(xiàn)場深度檢測情況Fig.6 On site depth detection of defect No.6

4 結(jié)論與建議

(1)針對國內(nèi)某輸氣管道，開展基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的腐蝕缺陷評價及維修決策，統(tǒng)計管道腐蝕缺陷特征，發(fā)現(xiàn)該管道內(nèi)腐蝕嚴重且集中在管道底部，建議嚴格控制介質(zhì)含水和酸氣量，并改善現(xiàn)有清管效果，如提高清管頻次或采用效果更好的清管器等；分析腐蝕缺陷與環(huán)焊縫的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，存在一處疑似焊縫處防腐層補口失效問題，應(yīng)進一步開挖驗證。

(2)考慮組合缺陷影響、環(huán)焊縫影響、缺陷特征等因素，確定缺陷維修判定準則，結(jié)合ASME B31G、NACE剩余壽命預測等方法的綜合評價，給出缺陷維修響應(yīng)等級、維修時間等建議，經(jīng)評價分析，建議立即修復的腐蝕缺陷3處，1 a內(nèi)修復的缺陷18處；考慮管道完整性狀態(tài)，結(jié)合剩余壽命預測結(jié)果，給出下一次檢測時間間隔為6 a的建議；對特定缺陷進行開挖驗證數(shù)據(jù)對比，經(jīng)對比檢測深度誤差分別為+4%和-2%。

(3)內(nèi)檢測評價和維修決策是根據(jù)現(xiàn)行標準和評價技術(shù)，在管道僅承受內(nèi)壓和檢測數(shù)據(jù)準確的理想狀態(tài)下提出的?？紤]到管道服役工況環(huán)境的復雜、檢測精度的限制及未來可能受到的外部干擾，應(yīng)根據(jù)管道實際運行情況和開挖驗證結(jié)果進一步調(diào)整維修計劃。