基于損傷模式的天然氣場站檢驗(yàn)策略應(yīng)用

辛艷超 程 欣 劉 文

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2. 國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控） 北京 100029）

天然氣場站是輸氣管道工程中各類工藝站場的總稱,按照輸氣管道功能進(jìn)行劃分,包括壓氣站、分輸站、清管站等[1]。近年來天然氣管道敷設(shè)量逐年增多,天然氣集輸過程中的站場也越來越多[2],站內(nèi)管道的定期檢驗(yàn)工作隨之逐年增加。場站內(nèi)管道一般是按照長輸油氣管道進(jìn)行的設(shè)計(jì),按照TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——長輸（油氣）管道》的要求,其定期檢驗(yàn)一般是參照工業(yè)管道進(jìn)行檢驗(yàn)。

場站內(nèi)的管道具有壓力高（如陜京四線天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為12 MPa）,材料等級高,按工業(yè)管道進(jìn)行分類應(yīng)歸為GC1管道,如果采用傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方式進(jìn)行檢驗(yàn),其相應(yīng)的測厚比例、焊接接頭表面檢測比例、埋藏缺陷的檢測比例等會(huì)非常高,從而導(dǎo)致檢驗(yàn)費(fèi)用高、輔助配合成本高、現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間長等,因此有必要對站內(nèi)管道進(jìn)行損傷機(jī)理分析,實(shí)施針對性的檢驗(yàn),以達(dá)到既降低風(fēng)險(xiǎn),又能節(jié)約資源的目的。

1 場站簡介

天然氣場站一般分為壓氣站、分輸站、清管站等,其中典型的壓氣站一般分為進(jìn)站和越站單元、清管單元、天然氣分離過濾單元、壓縮機(jī)增壓單元、分輸調(diào)壓和計(jì)量單元、出站單元。圖1為陜京四線某壓氣站設(shè)備管道布置圖。分輸站一般比壓氣站少了1個(gè)增壓單元,其余單元基本一致。站內(nèi)管道地下部分一般為匯管、單元至單元之間管道、進(jìn)出站管道,其他部分一般為地上管道。地上部分管道除進(jìn)壓縮機(jī)入口管道、壓縮機(jī)至空冷器管道可能帶保溫層外,其余管道一般無保溫層。

圖1 天然氣壓氣站設(shè)備、管道布置圖

2 場站工藝流程簡介

天然氣場站的主要設(shè)備有清管收發(fā)器、旋風(fēng)分離器、過濾器、壓縮機(jī)以及截?cái)嘣O(shè)施等。典型的壓氣站工藝流程為：壓氣站接收上游干線的天然氣,進(jìn)入清管單元,然后進(jìn)入分離器前匯管,從匯管出來后一般分成2～5路先后進(jìn)入旋風(fēng)分離器和臥式過濾器,過濾掉雜質(zhì)和水后進(jìn)入?yún)R管匯集,再輸送至壓縮機(jī)前匯管,再分成2～4路分別進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行加壓,天然氣加壓后進(jìn)入空冷器冷卻,從空冷器出來的天然氣經(jīng)過匯集,一部分輸送至分輸區(qū),在分輸區(qū)分成若干路經(jīng)計(jì)量和調(diào)壓后輸送至各用戶,另一部分進(jìn)入出站區(qū)進(jìn)入長輸總管。以陜京四線某壓氣站為例,天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)前其操作溫度為常溫,壓力約為9 MPa,經(jīng)壓縮機(jī)加壓后,介質(zhì)的最高溫度約為110 ℃,壓力提升至約11 MPa,從壓縮機(jī)出來的天然氣經(jīng)空冷器冷卻后以常溫狀態(tài)輸送至下游。

3 損傷機(jī)理分析

進(jìn)入長輸管網(wǎng)的天然氣一般都經(jīng)過分離和過濾,氣體潔凈度較高,但是仍然避免不了會(huì)存在少量的雜質(zhì)和水,這些微量有害介質(zhì)會(huì)造成管道內(nèi)部損傷；而空氣和土壤中所含的酸、堿性物質(zhì)和水、氧氣會(huì)造成管道外部損傷。其主要潛在損傷機(jī)理有：大氣腐蝕（無隔熱層）、大氣腐蝕（有隔熱層）、酸性水腐蝕、土壤腐蝕、濕硫化氫破壞、沖刷和機(jī)械疲勞。

3.1 大氣腐蝕（有/無隔熱層）

未敷設(shè)隔熱層的管道當(dāng)其防腐層破損時(shí)其金屬表面與空氣、水接觸,從而形成腐蝕。當(dāng)管道操作溫度比較低,足以形成濕氣或管道表面結(jié)冰時(shí),其防腐層容易遭到破壞,易發(fā)生腐蝕。站內(nèi)管道易發(fā)生大氣腐蝕主要在調(diào)壓部分管道,這部分管道易產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象,溫差變化,導(dǎo)致防腐層破損；其次為出地管道易產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)現(xiàn)象,在管道外表面形成大量液滴,防腐層易產(chǎn)生破損。

敷設(shè)隔熱層等覆蓋層的金屬在覆蓋層下發(fā)生的腐蝕,又稱層下腐蝕,具體表現(xiàn)為覆蓋層下局部減薄。將碳鋼和低合金鋼的隔熱材料拆除后,隔熱層下腐蝕損傷常形成覆蓋在腐蝕部件表面的片狀疏松銹皮；一些局部腐蝕的情況中,腐蝕呈現(xiàn)為癰狀點(diǎn)蝕（常見于油漆或涂層系統(tǒng)破損處）。站內(nèi)管道存在層下腐蝕的部位主要在壓縮機(jī)入口管道、壓縮機(jī)出口至空冷器部分的管道。

3.2 酸性水腐蝕

酸性水腐蝕是指含有硫化氫且pH值介于4.5～7.0之間的酸性水引起的金屬腐蝕。由于站內(nèi)工藝管道輸送介質(zhì)為氣態(tài)天然氣,不可避免會(huì)存在硫化氫和氣態(tài)水,在某些特定情況下,如冬季在某些低點(diǎn)會(huì)存在液態(tài)水,這樣可能在局部低點(diǎn)如站內(nèi)管道導(dǎo)淋、匯氣管低點(diǎn)導(dǎo)淋或低點(diǎn)堵頭部位,會(huì)存在含有硫化氫的濕潤環(huán)境,可能會(huì)發(fā)生腐蝕。

3.3 土壤腐蝕

土壤腐蝕多表現(xiàn)為以點(diǎn)蝕為主的局部腐蝕,腐蝕的嚴(yán)重程度取決于局部的土壤條件和設(shè)備金屬表面環(huán)境條件的變化。土壤腐蝕與土壤電阻率、水分含量、溶解鹽濃度、酸度、溫度、位置、保護(hù)涂層、陰極保護(hù)、雜散電流等有關(guān),地下埋地管道可能存在土壤腐蝕。

3.4 環(huán)境開裂

站內(nèi)管道的環(huán)境開裂主要是濕硫化氫破壞,是指在含水和硫化氫環(huán)境中碳鋼和低合金鋼所發(fā)生的損傷,站內(nèi)管道可能發(fā)現(xiàn)開裂的部位主要是可能產(chǎn)生濕潤環(huán)境的低點(diǎn)附近的焊接接頭,如站內(nèi)管道導(dǎo)淋、匯氣管低點(diǎn)導(dǎo)淋或低點(diǎn)堵頭部位。

3.5 機(jī)械疲勞

在循環(huán)機(jī)械載荷作用下,材料、零件或構(gòu)件在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷而產(chǎn)生裂紋的過程。經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后,裂紋不斷擴(kuò)展,可能導(dǎo)致突然完全斷裂。

站內(nèi)工藝管道發(fā)生機(jī)械疲勞的部分主要集中于壓縮機(jī)進(jìn)出口管道。其中壓縮機(jī)出口管發(fā)生機(jī)械疲勞可能性高于入口管線；另外站內(nèi)部分出地、入地管線,則可能因?yàn)楣芫€的布置等原因存在明顯震動(dòng),為避免開裂的發(fā)生,應(yīng)及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)；站內(nèi)的壓縮機(jī)進(jìn)口匯氣管主要起到緩沖的作用,存在一定循環(huán)載荷,也有可能發(fā)生疲勞開裂。

3.6 沖刷

固體、液體、氣體或其任意之間組合發(fā)生沖擊或相對運(yùn)動(dòng),造成材料表面層機(jī)械剝落加速的過程。發(fā)生沖刷損傷的部位一般為各類彎頭、三通、異徑管等處。站內(nèi)管道介質(zhì)為氣態(tài)天然氣,無相態(tài)變化,且介質(zhì)較為純凈,其沖刷的作用一般不會(huì)太明顯,但是在壓縮機(jī)出口、調(diào)壓閥后由于存在壓力差,會(huì)存在較大沖刷剪切力,這部分沖刷會(huì)比較明顯,如壓縮機(jī)出口和調(diào)壓閥后第一個(gè)異徑管和第一個(gè)彎頭。

4 檢驗(yàn)策略的制定

從以上站內(nèi)管道損傷機(jī)理的分析可知,其潛在損傷機(jī)理有：大氣腐蝕（無隔熱層）、大氣腐蝕（有隔熱層）、酸性水腐蝕、土壤腐蝕、濕硫化氫破壞、沖刷、機(jī)械疲勞。其中大氣腐蝕、酸性水腐蝕、土壤腐蝕、沖刷等造成的失效模式主要是壁厚減薄,而濕硫化氫破壞和機(jī)械疲勞對應(yīng)的失效模式為開裂。在定期檢驗(yàn)中針對以上2種失效模式進(jìn)行針對性的檢驗(yàn)策略制定,即可降低站內(nèi)管道的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 宏觀檢查

站內(nèi)管道的宏觀檢查主要包括管道表面防腐層檢查、支吊架檢查、安全附件、地下管道的土壤是否存在塌陷、管子變形、表面的磕碰、陰極保護(hù)等,建議對每條管道從起點(diǎn)至終點(diǎn)逐一檢查。

4.2 壁厚減薄檢測

管道的壁厚減薄分為內(nèi)壁減薄和外壁減薄,其中引起內(nèi)壁減薄主要的損傷機(jī)理為酸性水腐蝕、沖刷；引起外壁減薄的損傷機(jī)理對于埋地管道主要是外防腐層破損后的土壤腐蝕,對于架空管道主要為防腐層破損的大氣腐蝕。

1）內(nèi)壁減薄。站內(nèi)管道防腐層一般要求較高,漆層較厚,現(xiàn)場打磨測厚點(diǎn)工作量大,風(fēng)險(xiǎn)大,為此建議地上部分管道采用電磁超聲測厚或脈沖渦流測厚[3],對于小管徑部位建議采用隔涂層超聲波測厚儀測厚,測厚重點(diǎn)部位為彎頭背弧面、變徑、三通以外,測厚比例抽查不低于20%管件,同時(shí)應(yīng)對管道的導(dǎo)淋、低點(diǎn)堵頭、放空管進(jìn)行重點(diǎn)抽查。

2）外壁減薄。對于地上部分管道,在宏觀檢查存在防腐層破損的位置進(jìn)行壁厚測定抽查；對于埋地管道,采用不開挖檢測方法和開挖檢測相結(jié)合的方法進(jìn)行檢測,首先采用電流衰減法進(jìn)行整體質(zhì)量檢測和交流電位梯度法查找外防腐層破損點(diǎn),該方法不需要進(jìn)行管道開挖即可進(jìn)行檢測；然后進(jìn)行敷設(shè)環(huán)境腐蝕調(diào)查,包括土壤腐蝕性測試和雜散電流測試,判斷雜散電流干擾源特性；最后進(jìn)行開挖點(diǎn)導(dǎo)波檢測[4],開挖位置的確定主要選擇防腐層破損處、陰極保護(hù)失效處、低位排水點(diǎn)處、彎頭及三通等管件處、應(yīng)力集中點(diǎn)等。開挖直接檢驗(yàn)內(nèi)容包括外防腐層性能檢測、管段結(jié)構(gòu)與焊縫外觀檢查、管體壁厚測量、管體外壁腐蝕狀況檢測、管地電位近參比測試[5]。重點(diǎn)檢測部位為埋地管線入地后第一個(gè)和出地前最后一個(gè)彎頭位置,曾經(jīng)發(fā)生過外部減薄的管線。

4.3 開裂檢測

站內(nèi)管道損傷機(jī)理主要有濕硫化氫破壞和疲勞開裂,其中濕硫化氫破壞主要發(fā)生在各種低點(diǎn)、容易產(chǎn)生積水的部分,如導(dǎo)淋、低點(diǎn)堵頭等,而疲勞開裂僅在壓縮機(jī)進(jìn)口和出口或部分存在震動(dòng)的出地、入地管道存在,因此站內(nèi)大部分管道不需要進(jìn)行開裂檢測或只需要必要的抽查即可,對上述部位進(jìn)行重點(diǎn)抽查即可有效控制開裂風(fēng)險(xiǎn),上述管道的抽查檢測建議不少于2道焊縫。

考慮站內(nèi)管道壓力高、直徑大、壁厚較厚、工作量大等特點(diǎn),現(xiàn)場采用數(shù)字射線進(jìn)行焊接接頭的開裂檢測較為方便。同時(shí)對于存在疲勞開裂的焊接接頭,建議進(jìn)行表面檢測,采用磁粉檢測或渦流陣列[6]檢測等。

4.4 其他檢測

損傷分析中沒有考慮由于材料本身質(zhì)量和焊接質(zhì)量導(dǎo)致的管道失效問題,因此有必要對原始的焊接質(zhì)量進(jìn)行必要的抽查,為此應(yīng)對部分管道進(jìn)行焊接接頭的表面檢測,表面檢測在條件允許時(shí)可以采用除漆除銹后的磁粉檢測,或者采用渦流陣列技術(shù)進(jìn)行檢測[6]。這部分管道建議以抽查進(jìn)站越站區(qū)、過濾分離區(qū)、調(diào)壓分輸區(qū)管道為主,抽查比例由檢驗(yàn)人員根據(jù)場站管道施工質(zhì)量自行確定。

5 檢驗(yàn)策略的驗(yàn)證分析

在2021年,依照上述的檢驗(yàn)策略,對北京某公司24個(gè)場站（4個(gè)壓氣站、20個(gè)分輸站）站內(nèi)管道進(jìn)行定期檢驗(yàn),在檢驗(yàn)中累計(jì)發(fā)現(xiàn)89處缺陷,缺陷情況見表1。其中腐蝕減薄的有11處,缺陷情況見表2,為了驗(yàn)證該處是否存在液態(tài)水,在減薄部位進(jìn)行了射線檢測,從底片上發(fā)現(xiàn)焊縫處存在內(nèi)凹或積水情況,這與損傷機(jī)理分析的結(jié)果一致,從而可以驗(yàn)證該處腐蝕為酸性水腐蝕；采用數(shù)字射線檢測技術(shù)對管道內(nèi)表面進(jìn)行了檢測,發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面開裂缺陷僅有1處,開裂部位為管道的環(huán)焊縫上部熔合線附近,且位于閥后第一道環(huán)焊縫上,裂紋情況見圖2,推測該處缺陷可能是濕硫化氫破壞引起的環(huán)境開裂；管道外表面檢測發(fā)現(xiàn)缺陷73處,均為外表面裂紋,這些裂紋從形貌上來看,大多數(shù)是由表面或近表面缺陷引起的（如夾渣、表面劃傷等,見圖3和圖4）,其他裂紋可能是焊接的局部應(yīng)力在長期使用過程中釋放造成的（見圖5）。

表1 缺陷檢測情況匯總

表2 腐蝕減薄部位分布情況

圖2 數(shù)字射線檢測的裂紋缺陷

圖3 管道外表面缺陷形貌

圖4 管道外表面缺陷形貌

圖5 管道外表面缺陷形貌

在2021年的檢驗(yàn)中,共計(jì)檢驗(yàn)了4個(gè)壓氣站,對壓氣站的壓縮機(jī)出口管道和入口管道焊接接頭進(jìn)行了數(shù)字射線檢測和表面渦流陣列檢測,在檢測中未發(fā)現(xiàn)存在開裂問題,這說明其發(fā)生疲勞開裂的可能性雖然存在,但是不明顯。埋地管道進(jìn)行了開挖后導(dǎo)波檢測,共計(jì)檢測15個(gè)點(diǎn),檢測過程中均未發(fā)現(xiàn)明顯的壁厚減薄問題,說明站內(nèi)管道埋地部分土壤腐蝕不敏感。

通過以上對比驗(yàn)證分析,發(fā)現(xiàn)大氣腐蝕、酸性水腐蝕和濕硫化氫破壞發(fā)生的位置與上文損傷機(jī)理分析的結(jié)果基本一致,這說明損傷機(jī)理分析是正確的。而與土壤腐蝕、機(jī)械疲勞、沖刷等損傷機(jī)理相關(guān)的缺陷在檢驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn),這是因?yàn)楦@些損傷機(jī)理相關(guān)的缺陷與管道投用的時(shí)間有很強(qiáng)的相關(guān)性,隨著管道投用時(shí)間的增加,相關(guān)損傷也有可能發(fā)生。同時(shí)外表面原始缺陷或局部應(yīng)力集中引起的表面開裂也比較常見,在定期檢驗(yàn)中進(jìn)行檢驗(yàn)也是必要的。通過以上對比驗(yàn)證分析,在天然氣場站管道定期檢驗(yàn)中采用上述檢驗(yàn)策略開展檢驗(yàn)是合適的,可以提高檢驗(yàn)的針對性,又可以提高檢驗(yàn)效率。

6 結(jié)束語

隨著我國能源管網(wǎng)的建設(shè)及安全監(jiān)管要求的提升,站內(nèi)管道定期檢驗(yàn)的需求越來越大,對站內(nèi)管道開展損傷機(jī)理識(shí)別,開展基于損傷模式的有針對性檢驗(yàn),既可以降低風(fēng)險(xiǎn),又節(jié)約企業(yè)成本。本文通過損傷機(jī)理的應(yīng)用,識(shí)別了站內(nèi)管道潛在的損傷機(jī)理,相應(yīng)的損傷機(jī)理在檢驗(yàn)中得到驗(yàn)證。據(jù)此開展相應(yīng)的檢驗(yàn)工作能夠提高檢驗(yàn)的針對性和檢驗(yàn)效率,降低企業(yè)檢驗(yàn)費(fèi)用,為今后天然氣場站站內(nèi)管道的標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn),積累了一定的技術(shù)支撐。