基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的管道完整性評價(jià)

孫霄，張亦白，李杭俞

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運(yùn)有限公司 資產(chǎn)完整性管理中心（江蘇 徐州 221008）

2.國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運(yùn)有限公司 徐州輸油處（江蘇 徐州 221008）

0 引言

完整性評價(jià)作為管道完整性管理的核心環(huán)節(jié)之一，是管道運(yùn)營企業(yè)和管道檢測單位不斷探索、研究的關(guān)鍵技術(shù)[1]。管道完整性評價(jià)主要有3種方法：內(nèi)檢測、直接評價(jià)和壓力試驗(yàn)方法[2]。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中明確指出：“宜優(yōu)先選擇基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的適用性評價(jià)方法進(jìn)行完整性評價(jià)”。目前該方法在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

從內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的管道完整性評價(jià)各個(gè)環(huán)節(jié)，即評價(jià)數(shù)據(jù)收集、內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析、缺陷評價(jià)和腐蝕剩余壽命預(yù)測等方面進(jìn)行分析和研究，并結(jié)合實(shí)際評價(jià)工作中遇到的案例進(jìn)行分析說明。

1 評價(jià)數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集作為管道完整性管理的第一環(huán)節(jié)，其收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性直接影響著后續(xù)完整性評價(jià)的結(jié)果。在檢測評價(jià)前需要明確所評價(jià)的對象和范圍，并最大限度地獲取評價(jià)相關(guān)數(shù)據(jù)（表1）。

表1 評價(jià)所需數(shù)據(jù)內(nèi)容（除內(nèi)檢測數(shù)據(jù)外）

評價(jià)所需數(shù)據(jù)的收集工作盡量在檢測評價(jià)前完成，且在現(xiàn)場檢測期間核實(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、現(xiàn)場收集未獲取的重要數(shù)據(jù)，可采取相應(yīng)的檢測手段。

2 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析

2.1 內(nèi)檢測技術(shù)選擇

國內(nèi)外應(yīng)用較普遍的管道內(nèi)檢測技術(shù)主要包括幾何變形內(nèi)檢測技術(shù)、漏磁內(nèi)檢測技術(shù)、超聲波內(nèi)檢測技術(shù)、遠(yuǎn)場渦流內(nèi)檢測技術(shù)等[3]。目前開展的管道內(nèi)檢測主要應(yīng)用幾何變形內(nèi)檢測技術(shù)和漏磁內(nèi)檢測技術(shù)。

幾何變形內(nèi)檢測技術(shù)是利用可伸縮的機(jī)械探臂測量管道內(nèi)徑，根據(jù)探臂改變的角度來獲得管道的變形量。該技術(shù)可用于檢測在役管道凹陷、橢圓變形、褶皺等幾何變形[4]。

漏磁內(nèi)檢測技術(shù)是利用磁敏元件接收管道缺陷處泄漏出來的漏磁通原理來獲取漏磁信號[5]。該技術(shù)具有無需耦合劑、受環(huán)境影響小、檢測速度快、對體積型缺陷敏感等優(yōu)點(diǎn)，十分適合長距離輸送管道的檢測。目前可識別出的缺陷特征有腐蝕、焊縫異常、制造缺陷、機(jī)械損傷等。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為了直觀分析判讀得到內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，需要對各類缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析缺陷各特征沿里程的分布，再結(jié)合收集的數(shù)據(jù)信息，探尋缺陷形成的原因或可能性。

通過對缺陷的長度、寬度、深度、時(shí)鐘位置分別沿檢測里程的分布情況進(jìn)行綜合分析，從分布規(guī)律中可以發(fā)現(xiàn)管道存在的問題。筆者統(tǒng)計(jì)分析近5年儲運(yùn)公司20多條管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)管道存在內(nèi)腐蝕集中分布于管道底部或高程低洼段、出站內(nèi)腐蝕缺陷密集、石方段凹陷分布集中等典型問題，還有水線內(nèi)腐蝕、大面積外腐蝕、螺旋焊縫失效等特殊缺陷。下面對幾種典型問題和特殊缺陷分別進(jìn)行分析。

2.3 典型問題與特殊缺陷分析

2.3.1 典型問題分析

1）內(nèi)腐蝕集中分布于管道底部或高程低洼段。某檢測段腐蝕缺陷數(shù)目沿時(shí)鐘方位和檢測里程的分布如圖1所示。

圖1 內(nèi)腐蝕集中分布于管道底部典型圖

從圖1 中可以明顯發(fā)現(xiàn)內(nèi)腐蝕大多集中在5:00~7:00 方向管道底部，分析其可能產(chǎn)生的原因，出站管段有水從油中分離出來，集中在管道底部形成內(nèi)腐蝕；在管道高程的低洼段也會出現(xiàn)有水的腐蝕環(huán)境形成內(nèi)腐蝕聚集。

2）出站內(nèi)腐蝕缺陷密集。某檢測段腐蝕缺陷數(shù)目沿檢測里程分布如圖2所示。

圖2 出站10 km內(nèi)腐蝕密集典型圖

從圖2可以看出該管段在整個(gè)檢測里程范圍內(nèi)都存在腐蝕缺陷，但內(nèi)腐蝕缺陷較多，且在首站和中間站出站10 km 范圍內(nèi)較為集中。分析其原因，可能是出站壓力高、溫度高，導(dǎo)致內(nèi)腐蝕加劇。

3）石方段凹陷分布集中。某檢測段凹陷數(shù)目沿時(shí)鐘方位和檢測里程分布如圖3所示。

圖3 凹陷分布集中典型圖

從圖3可以看出，該段凹陷數(shù)目較少，但集中分布在130～140 km，周向上集中在3:00～7:00的管道下半部。通過與該段GIS圖像數(shù)據(jù)對比和現(xiàn)場核查發(fā)現(xiàn)，130～140 km剛好位于山區(qū)石方段，分析該段管道凹陷為山區(qū)石方段巖石頂擠所致。

2.3.2 特殊缺陷分析

1）水線內(nèi)腐蝕。某檢測段腐蝕缺陷數(shù)目沿時(shí)鐘方位和檢測里程的分布出現(xiàn)了內(nèi)腐蝕，整體上呈垂直對稱分布的情況。根據(jù)收集到的信息，該管道建成后注水封存7年多，封存用水為普通淡水，未添加緩蝕劑。查看內(nèi)腐蝕集中區(qū)域的內(nèi)檢測信號（圖4），可以明顯看出水和空氣的分界線。

圖4 水氣分界線內(nèi)腐蝕內(nèi)檢測信號圖像

在檢測評價(jià)中還發(fā)現(xiàn)類似的水線內(nèi)腐蝕現(xiàn)象，分析其原因主要有注水封存期間管道內(nèi)存在空氣—水的分界線、水壓試驗(yàn)后水未清干凈、建設(shè)期管道長期存放于有水環(huán)境等。

2）大面積外腐蝕。某檢測段腐蝕缺陷寬度沿檢測里程有寬度較大的外腐蝕集中分布，查看內(nèi)檢測信號，最寬的一處外腐蝕的內(nèi)檢測信號圖像如圖5所示。

圖5 典型大面積外腐蝕內(nèi)檢測信號圖像

從圖5 可以看出，該管段存在整管的大面積外腐蝕。針對該問題，應(yīng)綜合其他相關(guān)信息對缺陷成因進(jìn)行分析，同時(shí)，應(yīng)對防腐層質(zhì)量和陰極保護(hù)有效性進(jìn)行檢測，確保管道陰極保護(hù)系統(tǒng)有效，有效控制管道外腐蝕。

3）螺旋焊縫失效。老舊管道螺旋焊縫失效頻發(fā)，如魯寧管道，在其中一根鋼管上就有9處螺旋焊縫異常，其內(nèi)檢測信號圖像如圖6 所示。其原因主要是當(dāng)時(shí)制管水平不高，造成螺旋焊縫焊接質(zhì)量差。

圖6 螺旋焊縫異常內(nèi)檢測信號圖像

3 管道完整性評價(jià)

管道完整性評價(jià)是在了解管道缺陷分布情況后，根據(jù)不同缺陷特征和管材屬性，選擇合適的缺陷評價(jià)方法，計(jì)算缺陷處管道的剩余強(qiáng)度，找出超標(biāo)缺陷，提出維修建議，確定下次檢測時(shí)間[6]。

3.1 評價(jià)參數(shù)確定

在進(jìn)行缺陷評價(jià)前，首先要確定管道材質(zhì)的力學(xué)性能參數(shù)，也是評價(jià)所必須的參數(shù)，包括管體、環(huán)焊縫和螺旋焊縫的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊功。若出現(xiàn)采用分段設(shè)計(jì)的管線，各段設(shè)計(jì)壓力不同、材質(zhì)不同等，應(yīng)根據(jù)收集得到的實(shí)際管材分布情況，采用相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，分段進(jìn)行評價(jià)。

當(dāng)管道材質(zhì)的力學(xué)性能沒有下降時(shí)，一般參考標(biāo)準(zhǔn)值，也可參考檔案資料中管材證明書中管材的機(jī)械性能數(shù)據(jù)綜合考慮。但當(dāng)老舊管道材質(zhì)的力學(xué)性能不足時(shí)，就達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)利用維修換下的管子開展管材的力學(xué)性能試驗(yàn)，采用試驗(yàn)值進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果更接近管道的真實(shí)情況。

3.2 金屬損失評價(jià)

管道金屬損失為體積型缺陷，包括內(nèi)外腐蝕、制造缺陷或機(jī)械損傷。腐蝕是由于管道外部或內(nèi)部存在腐蝕環(huán)境而產(chǎn)生的缺陷，這類缺陷會隨時(shí)間變化而不斷增長變化，在評價(jià)時(shí)需要考慮腐蝕增長速率；而制造缺陷或機(jī)械損傷是在鋼管制造或施工過程中產(chǎn)生的缺陷，這類缺陷一般不會隨時(shí)間增長，但可能會在缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中或組織改變。因此這兩類不同的缺陷應(yīng)采用不同的評價(jià)方法：腐蝕適合采用RSTRENG 0.85dL方法，而制造缺陷適合采用SHANNON方法。

3.2.1 腐蝕缺陷評價(jià)

3.2.1.1 RSTRENG 0.85 dL方法

RSTRENG 0.85 dL（ASME B31G 修正版）方法是ASME B31G 方法的改進(jìn)[7]，選取缺陷深度和長度兩個(gè)參數(shù)，將增加的流動應(yīng)力定義為最小屈服強(qiáng)度（SMYS）+68.95 MPa。由于腐蝕的不規(guī)則性，該腐蝕面積取值為實(shí)際腐蝕面積的近似值，雖然較有效面積法的準(zhǔn)確性差，但是該方法計(jì)算簡便易實(shí)現(xiàn)。

該算法評價(jià)計(jì)算用到的公式：

式中：P'為最大安全壓力，小于等于設(shè)計(jì)壓力，MPa；P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；SMYS為最小屈服強(qiáng)度，MPa；t為管材壁厚，mm；d為腐蝕缺陷深度，mm；M為鼓脹系數(shù)。

M取值按公式（2）計(jì)算：

式中：D為管道外徑，mm，Ltotal為腐蝕的軸向長度，mm；。預(yù)測的爆管失效壓力Pburst為：

3.2.1.2 腐蝕增長速率計(jì)算

在進(jìn)行腐蝕缺陷評價(jià)時(shí)可利用腐蝕增長速率來預(yù)測腐蝕缺陷的擴(kuò)展情況，從而得出計(jì)劃修復(fù)時(shí)間和再檢測時(shí)間。腐蝕增長速率可通過兩次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對比計(jì)算得到。

腐蝕增長速率的計(jì)算公式：

式中：GRc為腐蝕增長率，mm/a；d2為最近一次檢測的腐蝕深度，mm；d1為上一次檢測的腐蝕深度（若沒有，視為無腐蝕），mm；T2為最近一次檢測的時(shí)間，a；T1為上一次檢測的時(shí)間（若沒有，采用管道投產(chǎn)的時(shí)間），a。

3.2.1.3 腐蝕缺陷評價(jià)案例

以某檢測段為例，最大允許運(yùn)行壓力選用設(shè)計(jì)壓力5.5 MPa進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)取1.39，評價(jià)結(jié)果如圖7所示。

從圖7 的評價(jià)結(jié)果得到，在安全運(yùn)行壓力線上的缺陷需要立即維修。按照全壽命腐蝕增長速率預(yù)測5年內(nèi)該段需要修復(fù)的腐蝕缺陷統(tǒng)計(jì)情況見表2，可以給管道運(yùn)營企業(yè)提供維修建議，也可為再檢周期的確定提供參考。

圖7 RSTRENG 0.85dL方法的腐蝕缺陷評價(jià)結(jié)果

3.2.2 制造缺陷評價(jià)

制造缺陷評價(jià)方法主要采用SHANNON方法進(jìn)行評價(jià)。以某檢測段為例，最大允許運(yùn)行壓力按照4.0 MPa進(jìn)行評價(jià)，安全系數(shù)取1.39，評價(jià)結(jié)果如圖8所示。

圖8 SHANNON方法的制造缺陷評價(jià)結(jié)果

在圖8 制造缺陷評價(jià)結(jié)果中，沒有超過安全運(yùn)行壓力線的缺陷點(diǎn)，因此該檢測段沒有需要修復(fù)的制造缺陷。

3.3 焊縫異常評價(jià)

目前漏磁內(nèi)檢測技術(shù)還無法對焊縫缺陷進(jìn)行定性，通過內(nèi)檢測數(shù)據(jù)得到的焊縫異常可能是過度打磨、未焊滿等體積型缺陷，也可能是未熔合、未焊透等平面型缺陷，甚至可能是裂紋等面積型或線性缺陷，在無法確定缺陷類型的情況下，出于安全性考慮，經(jīng)常保守地將焊縫異常作為平面型缺陷使用BS 7910—2013、SY/T 6477—2014 中的評價(jià)方法進(jìn)行評價(jià)。

以某檢測段環(huán)焊縫異常評價(jià)為例，采用BS7910—2013 方法，最大允許壓力采用設(shè)計(jì)壓力5.5 MPa進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果如圖9所示。

圖9 BS 7910—2013方法的環(huán)焊縫異常評價(jià)結(jié)果

在圖9 環(huán)焊縫異常評價(jià)結(jié)果中，有部分不可接受缺陷，需要立即響應(yīng)。

在進(jìn)行螺旋焊縫異常評價(jià)時(shí)，需要綜合環(huán)向和軸向兩個(gè)方向的投影評價(jià)結(jié)果，得出最終結(jié)論。若某檢測段的螺旋焊縫異常在環(huán)向投影評價(jià)結(jié)果中沒有不可接受缺陷，而在軸向投影評價(jià)結(jié)果中存在缺陷，綜合考慮，該段存在立即響應(yīng)的螺旋焊縫異常。

3.4 凹陷評價(jià)

目前凹陷評價(jià)主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6996—2014《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價(jià)方法》，變形量達(dá)到6%及以上的凹陷，變形量達(dá)到2%及以上且變形處存在焊縫、腐蝕等的凹陷，均需要立即響應(yīng)，具體修復(fù)方案根據(jù)開挖情況確定。

需要注意的是：GB/T 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的附錄K 中指出，對凹陷、扭曲等變形缺陷的解除約束應(yīng)力后尺寸減少的缺陷，宜按照原尺寸評價(jià)結(jié)論修復(fù)。

當(dāng)能獲得更多的凹陷數(shù)據(jù)時(shí)，也可采用基于應(yīng)變的評價(jià)方法或有限元分析的方法，對凹陷做進(jìn)一步的評價(jià)分析，以獲取剩余強(qiáng)度、預(yù)測疲勞壽命[8]。

3.5 特殊管段安全分析

針對穿跨越、改線、高后果區(qū)、防腐補(bǔ)口等特殊管段和重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、收集的信息及檢測的數(shù)據(jù)來單獨(dú)評價(jià)或進(jìn)一步分析。

1）穿跨越管段。由于穿跨越管段結(jié)構(gòu)、承載及環(huán)境與一般管段不同，評價(jià)時(shí)采用的設(shè)計(jì)系數(shù)也不同。GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：輸油站外一般地段應(yīng)取0.72，城鎮(zhèn)中心區(qū)、市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、規(guī)劃區(qū)等人口稠密地區(qū)取0.6，I、II 級公路、高速公路、鐵路取0.6，水域大、中型穿越取0.5，沖溝穿越取0.6；GB 50459—2017《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定，根據(jù)跨越工程甲類和乙類，工程等級（大型、中型和小型）來確定設(shè)計(jì)系數(shù)，所以針對穿跨越管段要利用檢測結(jié)果單獨(dú)進(jìn)行安全分析評價(jià)。

2）改線段。由于改線段較一般管段運(yùn)行時(shí)間短，其腐蝕增長速率與一般管段不同，需要對改線段單獨(dú)分析和評價(jià)。改線段與新建管道類似，一般缺陷較少、程度較低，如出現(xiàn)較大缺陷應(yīng)進(jìn)行單點(diǎn)評價(jià)，并開挖驗(yàn)證，分析原因。

3）高后果區(qū)管段。高后果區(qū)是管道完整性管理的重點(diǎn)區(qū)域，除了部分穿跨越高后果區(qū)進(jìn)行單獨(dú)評價(jià)外，其余高后果區(qū)管段也應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)分析，提高該區(qū)域內(nèi)缺陷修復(fù)的優(yōu)先級別。根據(jù)區(qū)域內(nèi)缺陷情況，制定有針對性的防控措施。

4）防腐層補(bǔ)口。若管道防腐層補(bǔ)口的質(zhì)量不高，很容易造成漏點(diǎn)，破壞管道的整體陰極保護(hù)，并在漏點(diǎn)處形成外腐蝕。為了分析防腐層補(bǔ)口質(zhì)量，可對環(huán)焊縫中心線兩側(cè)各200 mm 范圍內(nèi)的外腐蝕點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算單位長度防腐層補(bǔ)口區(qū)的腐蝕點(diǎn)數(shù)量與單位長度該管段的腐蝕點(diǎn)數(shù)量的比值，若比值遠(yuǎn)大于1，就需要重點(diǎn)關(guān)注防腐層補(bǔ)口質(zhì)量，必要時(shí)進(jìn)行開挖修復(fù)。

3.6 剩余壽命預(yù)測

剩余壽命預(yù)測主要依據(jù)GB/T 30582—2014《基于風(fēng)險(xiǎn)的埋地鋼質(zhì)管道外損傷檢驗(yàn)與評價(jià)》中的壁厚法。該方法適用于直管段均勻腐蝕與局部腐蝕剩余壽命預(yù)測。結(jié)合《石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定》、以及TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則長輸（油氣）管道》的相關(guān)規(guī)定，最后再綜合考慮腐蝕缺陷狀況和腐蝕防護(hù)系統(tǒng)情況，提出下次檢測日期的建議。

4 影響評價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因素

在開展基于內(nèi)檢測的完整性評價(jià)時(shí)，下列問題的出現(xiàn)會影響評價(jià)結(jié)果：

1)數(shù)據(jù)收集不全、不準(zhǔn)確。有些老舊管線，歷史檔案資料收集較困難，經(jīng)常遇到數(shù)據(jù)收集不全等問題；還有部分管線采用分段設(shè)計(jì)，而對于具體分段位置、管道規(guī)格等信息又不夠明確；穿跨越管段、高后果區(qū)范圍出現(xiàn)偏差，特殊管段的壁厚等信息與設(shè)計(jì)不符。這些都會增加評價(jià)難度、影響評價(jià)結(jié)果。因此全面收集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)是順利開展評價(jià)工作的前提。

2）內(nèi)檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。在評價(jià)前，要對內(nèi)檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估：探頭損壞造成的數(shù)據(jù)丟失率是否在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；檢測器運(yùn)行是否平穩(wěn)；開挖驗(yàn)證結(jié)果中，缺陷位置、尺寸等的偏差是否在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；缺陷類型、尺寸是否判讀正確等。內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確識別是得出正確評價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵。

3）評價(jià)方法存在局限性。任何評價(jià)方法都有其局限性，受各種條件限制，為了確保管道安全，一般會采用較保守的評價(jià)方法。要得到更準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果，需要不斷提高內(nèi)檢測技術(shù)，研究內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對比方法，綜合多種先進(jìn)的檢測技術(shù)，以獲取更多有價(jià)值的缺陷數(shù)據(jù)，并在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，探索更有效的評價(jià)方法。

5 結(jié)束語

基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的管道完整性評價(jià)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，首先明確了在評價(jià)前全面收集內(nèi)檢測數(shù)據(jù)相關(guān)方面；然后對通過內(nèi)檢測判讀得到的管道缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并對發(fā)現(xiàn)的典型問題和特殊缺陷進(jìn)行了例證分析。在完整性評價(jià)重點(diǎn)內(nèi)容中，對評價(jià)參數(shù)的確定、腐蝕增長率的計(jì)算、評價(jià)方法的選擇進(jìn)行了分析研究，重點(diǎn)對金屬損失、焊縫缺陷、凹陷的評價(jià)方法進(jìn)行了研究；并對特殊管段進(jìn)行了深度安全分析；研究了管道剩余壽命和再檢周期的確定方法；最后提出了影響評價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因素，形成了一套較成熟的基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的管道完整性評價(jià)模式，從而提出可靠的維修維護(hù)建議，保障管道本質(zhì)安全。