FPSO工藝管線常見損傷模式及其檢測方法

魏雷，紀(jì)玉磊，張伯瑩，馮立衛(wèi)，徐真軍

（1.中海石油技術(shù)檢測有限公司；2.中海石油（中國）有限公司，天津 300452）

浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)是深海油氣田開采流程中重要的油氣處理設(shè)施，作為FPSO上的重要組成部分，工藝管線的穩(wěn)定運(yùn)行對深海油氣田的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，研究FPSO上工藝管線的損傷模式、掌握有效的檢測方法，對FPSO工藝管線的隱患防治工作意義重大。

1 FPSO工藝流程簡介

FPSO工藝流程由主要工藝流程和輔助工藝流程組成。其中主要工藝流程由原油處理、生產(chǎn)水處理和天然氣處理流程組成，承擔(dān)油氣水分離的任務(wù)；輔助工藝流程包括海水系統(tǒng)、鍋爐熱媒系統(tǒng)、排放系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)流程等，承擔(dān)為主要工藝流程換熱、泄放、控制等輔助任務(wù)。原油處理流程是將原油從油氣水混合物中分離，通過分離、換熱、脫水處理，使其滿足儲存、輸送和外輸?shù)囊?。?jīng)原油處理流程分離出的生產(chǎn)水，通過生產(chǎn)水處理系統(tǒng)使其含油量達(dá)標(biāo)后回注，除油方式有用重力分離、聚結(jié)除油、浮選、離心分離、吸附等。經(jīng)原油處理流程分離出的天然氣，通過天然氣處理系統(tǒng)壓縮和脫水處理后供用戶使用。壓縮處理是使用壓縮機(jī)加壓至供應(yīng)條件，脫水處理是通過降溫分離和吸水劑吸收，減少水分在集輸和使用中產(chǎn)生的不利影響。

2 FPSO工藝管線常見損傷模式識別

2.1 沖蝕

沖蝕在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于原油處理流程、生產(chǎn)水處理流程、海水系統(tǒng)流程。常見于介質(zhì)流向發(fā)生變化的管件、減壓閥或截止閥的下游處、泵出入口附近等。損傷形態(tài)是位于管線內(nèi)壁的局部腐蝕，形成蝕坑、凹槽、犁溝和凹谷狀形貌，且具有一定方向性。俄斐等認(rèn)為，管線沖蝕是沖蝕磨損與化學(xué)腐蝕的共同結(jié)果，損傷位置在管道的迎流側(cè)。

2.2 二氧化碳腐蝕

二氧化碳腐蝕在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于鍋爐熱媒系統(tǒng)流程、空氣系統(tǒng)流程、原油處理流程。常見于加熱器蒸汽出口管線、鍋爐給水管線、鍋爐冷凝水回水管線、未干燥處理的空氣管線低點(diǎn)、混輸管線等。損傷形態(tài)是局部腐蝕，形成蝕坑或蝕孔，紊流區(qū)可能形成較深的點(diǎn)蝕坑和溝槽。單丙娟等認(rèn)為，介質(zhì)中溶解的二氧化碳與鈣離子、二價(jià)鐵離子反應(yīng)形成垢物,介質(zhì)中的碳酸在垢下與管壁金屬反應(yīng)，導(dǎo)致壁厚減薄。

2.3 有機(jī)酸腐蝕

有機(jī)酸腐蝕在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于以乙二醇為載冷劑的海水冷媒系統(tǒng)流程、以乙二醇為脫水劑的天然氣系統(tǒng)流程。常見于冷卻水管線，天然氣制冷器液相出口的富乙二醇管線等。損傷形態(tài)為均勻腐蝕，當(dāng)介質(zhì)存在局部濃縮時(shí)表現(xiàn)為局部腐蝕或沉積物下腐蝕。林建鋒認(rèn)為，在乙二醇溶液中溶解氧時(shí)，乙二醇被氧化成有機(jī)酸腐蝕管壁。曹秀清等認(rèn)為，富乙二醇溶液中一價(jià)鹽的析出會增加溶液粘度，管線中易形成結(jié)垢和腐蝕。

2.4 冷卻水腐蝕

冷卻水腐蝕在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于海水冷媒系統(tǒng)流程。常見的金屬材質(zhì)冷卻水系統(tǒng)管線都存在冷卻水腐蝕現(xiàn)象。從碳鋼被冷卻水腐蝕的情況分析，在受到冷卻水腐蝕下，腐蝕處多呈現(xiàn)出均勻的特征，如碳鋼以縫隙腐蝕、微生物腐蝕的情況下，則多成纖維局部腐蝕的特征，具有一定的分辨性；在易形成沖蝕的管線部位，其形態(tài)呈波紋狀腐蝕或光滑腐蝕坑。王剛認(rèn)為，石化裝置中的冷卻水腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。趙亞紅等認(rèn)為，碳鋼管道的冷卻水腐蝕以微生物腐蝕為主。

2.5 微生物腐蝕

微生物腐蝕在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于生產(chǎn)水處理系統(tǒng)流程、排放系統(tǒng)流程，原油處理系統(tǒng)管線。常見于介質(zhì)流速較低的管線底部或者管線內(nèi)介質(zhì)流動死角處。損傷形態(tài)為局部腐蝕，發(fā)生于管道沉積物下或微生物簇團(tuán)處，碳鋼管線表現(xiàn)為杯狀點(diǎn)蝕，不銹鋼管線表現(xiàn)為表面蝕坑。田豐等認(rèn)為，陰極去極化理論和微生物電化學(xué)腐蝕理論是目前主要的用于微生物腐蝕機(jī)理解釋的理論。

2.6 大氣腐蝕

大氣腐蝕在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于所有碳鋼材質(zhì)管線，常見于保冷管線、管線保溫破損處、管支架處、與豎直管線底部相連的水平管線處等。大氣對工藝管線的腐蝕不可忽視，尤其是針對無保溫層的工藝管線來說，在受到大氣腐蝕下會直接影響到管線的正常使用，大氣腐蝕無保溫層工藝管線多呈現(xiàn)出均勻性的特征；而對于有保溫層的管線來說，在受到大氣腐蝕下，其腐蝕的位置多層先出局部腐蝕的特征，對于奧氏體不銹鋼材質(zhì)管線，還可能發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

2.7 氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

氯化物應(yīng)力腐蝕開裂在FPSO工藝管線中主要發(fā)生于原油處理流程和天然氣處理流程，常見于奧氏體不銹鋼材質(zhì)管線的焊縫熱影響區(qū)。損傷形態(tài)多呈有分叉的樹枝狀裂紋，裂紋起源于表面，無明顯腐蝕減薄。楊宏泉等認(rèn)為，奧氏體不銹鋼材料在氯化物溶液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在應(yīng)力作用下形成開裂，新開裂處作為陽極活性溶解質(zhì)點(diǎn)，在應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展。

2.8 濕硫化氫破壞

FPSO工藝管線的濕硫化氫破壞主要發(fā)生于原油處理流程、生產(chǎn)水處理流程和排放系統(tǒng)流程。應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂的損傷形態(tài)是延厚度方向的裂紋，由不同深度的平行表面裂紋延厚度方向相連形成；硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的損傷形態(tài)是在管線內(nèi)表面起裂，延厚度方向擴(kuò)展。濕硫化氫破壞均是由氫原子擴(kuò)散進(jìn)鋼材內(nèi)部造成的，應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂裂紋是由于拉應(yīng)力和氫壓的共同作用產(chǎn)生。硫化物應(yīng)力腐蝕是由硫化氫溶液對金屬的腐蝕、拉應(yīng)力和氫壓的共同作用產(chǎn)生。

3 FPSO工藝管線的檢測方法

在損傷模式識別的基礎(chǔ)上，可通過無損檢測的方式排查工藝管線的損傷。由于每一種檢測方法對不同損傷形態(tài)的檢測靈敏度不同，檢測人員可根據(jù)特點(diǎn)有針對性地選用檢測方法。

3.1 目視檢測（VT）

VT是檢測人員通過直接或間接目視觀察發(fā)現(xiàn)損傷的檢測方法。對于管線外表面的損傷，可通過肉眼或放大鏡輔助直接進(jìn)行，用于發(fā)現(xiàn)工藝管線外表面的腐蝕減薄和明顯表面開裂；對于管線內(nèi)表面的損傷，可通過工業(yè)內(nèi)窺鏡間接進(jìn)行，用于發(fā)現(xiàn)工藝管線內(nèi)表面的腐蝕減薄。VT原理簡單、易于掌握，檢測結(jié)果直觀、真實(shí)。但對于需要進(jìn)行內(nèi)表面損傷檢測的工藝管線，檢測前應(yīng)關(guān)停工藝系統(tǒng)并清洗內(nèi)表面；檢測系統(tǒng)靈敏度受照度、顏色、像素的影響大，容易發(fā)生漏檢；對于有保溫層的工藝管線，進(jìn)行外表面損傷檢測之前需要拆除保溫層。間接目視檢測技術(shù)近年來發(fā)展迅速，集內(nèi)窺鏡、管道爬行器、缺陷測量系統(tǒng)于一體的檢測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于FPSO工藝管線的檢測工作中。

3.2 超聲檢測（UT）

UT是利用超聲波對管壁內(nèi)部或內(nèi)表面損傷進(jìn)行檢查的檢測方法。利用超聲波探傷儀可發(fā)現(xiàn)工藝管線的內(nèi)部開裂和內(nèi)表面開裂，也可發(fā)現(xiàn)工藝管線內(nèi)壁局部腐蝕，利用超聲波測厚儀可進(jìn)行管線壁厚測量，通過與設(shè)計(jì)壁厚對比，可發(fā)現(xiàn)工藝管線的均勻腐蝕。UT靈敏度高、速度快、成本低、測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。但損傷顯示不直觀，對待測部位表面狀態(tài)要求高，對于操作人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求較高。除常規(guī)的脈沖反射式超聲波檢測/測厚技術(shù)外，相控陣超聲波檢測技術(shù)（PAUT）通過增加掃查探頭數(shù)量明顯提升檢測效率，電磁超聲測厚技術(shù)（EMAT）可對外表面輕度腐蝕的工藝管線進(jìn)行壁厚測量，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)（GWT）可在不破壞保溫層的條件下對整條直管段的局部腐蝕情況進(jìn)行粗篩查。目前超聲檢測是FPSO工藝管線檢測領(lǐng)域最主要的檢測方法。

3.3 電磁檢測

電磁檢測是利用導(dǎo)磁性管壁材料在電磁場中出現(xiàn)的電磁特性變化來判斷管壁損傷的檢測方法。電磁檢測方法種類較多，磁粉檢測（MT）、交流電磁場檢測（ACFM）可發(fā)現(xiàn)工藝管線的外表面開裂；脈沖渦流檢測（PECT）可發(fā)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)管壁的局部腐蝕。MT是表面開裂的首選檢測方法，靈敏度高、操作簡單，但對管線外表面狀態(tài)要求高，檢測效率較低。ACFM、PECT速度快、對工況要求低，PECT無需拆除管線保溫，但兩種檢測方法操作復(fù)雜，檢測干擾因素多，靈敏度低。MT技術(shù)已較成熟，ACFM和PECT仍有很大的進(jìn)步空間，尚未實(shí)現(xiàn)自動化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化是其市場化應(yīng)用的最大阻礙。

3.4 小結(jié)

根據(jù)各檢測方法的適用性，結(jié)合FPSO工藝管線在不同損傷模式下的損傷形態(tài)，我們對FPSO工藝管線基于損傷模式的檢測方法總結(jié)如表1。

表1 FPSO工藝管線基于損傷模式的檢測方法

4 結(jié)語

基于損傷模式的檢驗(yàn)方式針對性強(qiáng)、可靠易行，已在FPSO工藝管線的維保工作中得到廣泛應(yīng)用。近年來，一些檢測機(jī)構(gòu)在基于損傷模式的檢驗(yàn)方式基礎(chǔ)上引入風(fēng)險(xiǎn)管理理念，提出了基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)方式，將成為FPSO工藝管線檢驗(yàn)的發(fā)展方向。