特殊油氣管道的檢測應(yīng)對措施

鄭 起，付曉慧，郭大成，姜錦濤，孫 超

（遼河油田油氣集輸公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

2020 年底，國內(nèi)油氣長輸管道總里程累計(jì)達(dá)到14.4×104km[1]，全世界排名第三。管道作為運(yùn)輸石油和天然氣的重要載體，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著極其重要的地位和作用，其安全有效地運(yùn)行意義重大。油氣管道一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)造成巨大的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。遼河油田位于遼河、雙臺(tái)子河、大凌河等九河的下梢，瀕臨渤海，所處區(qū)域還有世界最大的蘆葦沼澤濕地，水系較為發(fā)達(dá)，管道穿跨河流、水線、葦田、稻田等情況較為常見；有些油氣管道，隨著城市的建設(shè)，逐漸分布于城區(qū)范圍內(nèi)。早期油氣管道防腐技術(shù)落后，管道的安全隱患問題日益嚴(yán)重，故定期對輸油、輸氣管道進(jìn)行檢測，及時(shí)根據(jù)檢測結(jié)果開展管道維護(hù)，進(jìn)而保障管道安全運(yùn)行尤為重要。

隨著油氣管道的高速發(fā)展和管道完整性管理理念的推行，管道的檢測技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，有漏磁檢測、超聲波檢測、渦流檢測和射線檢測等管道內(nèi)檢測方法，有外腐蝕直接評價(jià)ECDA的管道外檢測方法，還有管道壓力測試等。目前，管道內(nèi)檢測是進(jìn)行油氣管道缺陷檢測中最直接有效的方法，而內(nèi)檢測中應(yīng)用較多的是管道漏磁內(nèi)檢測。

但在對管道開展檢測作業(yè)的過程中，一些特殊情形限制著常規(guī)的管道檢測操作，例如輸氣管道的壓力過低、管道穿河底、殘留的維修限制點(diǎn)等。為了能夠掌握管道的整體狀況，并依此開展管道維護(hù)，避免管道失效造成泄漏事故，是管道管理人員致力于攻克的難題。

1 低壓輸氣管道的內(nèi)檢測

內(nèi)檢測技術(shù)通常是以管道內(nèi)所輸送介質(zhì)為前進(jìn)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)集合無損檢測、信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及速度控制等功能的檢測設(shè)備在管道內(nèi)運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測和記錄管道的變形、裂紋、金屬損失等損傷情況，并準(zhǔn)確定位的檢測技術(shù)[2]。

按照完整性管理的要求，需要定期對特定油氣管道開展管道內(nèi)檢測工作。楊理踐等[5]通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對缺陷的漏磁信號與檢測裝置的運(yùn)行速度的研究，發(fā)現(xiàn)檢測漏磁信號有效所對應(yīng)的檢測裝置行進(jìn)速度范圍為0～6 m/s。輸油管道中油品為液體，可以視作不可壓縮介質(zhì)，其流動(dòng)速度較慢且速度波動(dòng)幅度小，可保證內(nèi)檢測器的平穩(wěn)運(yùn)行，容易達(dá)到檢測器運(yùn)行速度的要求，而輸氣管道則很難實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測器運(yùn)行速度的控制[3]。輸氣管道存在兩種情況，一種是新建輸氣管道，它通常口徑大、輸量大、壓力高，天然氣流速高，甚至能出現(xiàn)高于10 m/s 的情況，這嚴(yán)重超出了檢測器允許的運(yùn)行速度范圍，這種情況通常通過改變泄流面積來調(diào)節(jié)檢測器的運(yùn)行速度，也有通過改變運(yùn)行阻力達(dá)到調(diào)節(jié)檢測器運(yùn)行速度目的的研究[4]；另一種情況是一些輸氣管道實(shí)際運(yùn)行壓力低，管道內(nèi)氣體壓力無法為漏磁內(nèi)檢測器提供可行運(yùn)行速度的動(dòng)力，這一直制約著低壓輸氣管道內(nèi)檢測工作的開展。

對于運(yùn)行壓力低的輸氣管道，在管道氣體壓力不足時(shí)，內(nèi)檢測器會(huì)行進(jìn)緩慢然后停滯，之后檢測器后方的氣體逐漸堆積，待氣體壓力超過檢測器與管道內(nèi)壁的摩擦阻力時(shí)，檢測器以非常大的加速度啟動(dòng)、沖出，當(dāng)行走一段時(shí)間后，檢測器會(huì)再次因氣體介質(zhì)驅(qū)動(dòng)力不足而停止，若氣體壓力無法提升，則會(huì)不斷重復(fù)上述過程[6]。這樣的運(yùn)行過程，內(nèi)檢測器無法有效采集管道的缺陷信號，也極容易在管道彎曲處和下游壓力站附近，因行進(jìn)速度過快而沖撞管道或設(shè)備，造成安全事故。

遼河油田為了解決低壓輸氣管道內(nèi)檢測的難題，專門成立相關(guān)的試點(diǎn)工程進(jìn)行課題攻關(guān)。在面對管道不具備檢測流程、存在多類型限制點(diǎn)、無有效動(dòng)力源等技術(shù)難點(diǎn)，通過不斷的研究和現(xiàn)場應(yīng)用，對不同輸氣管道進(jìn)行特別的檢測應(yīng)對，從而實(shí)現(xiàn)遼河油田輸氣管道內(nèi)檢測零的突破。

1.1 小口徑低壓輸氣管道的內(nèi)檢測

某待檢小口徑天然氣管道，管道規(guī)格為D219×6 mm，最早投產(chǎn)運(yùn)行管段服役超過29 年，而檢測段管道全長14.5 km，均處在城區(qū)，沿線穿跨越達(dá)11 處之多，安全環(huán)保意義重大。

該管道具有排量小、運(yùn)行壓力低、管徑偏小的特點(diǎn)，國內(nèi)同種類型管道開展的內(nèi)檢測作業(yè)無成功的案例，缺乏可借鑒經(jīng)驗(yàn)。檢測難度大的原因在于小口徑管道會(huì)造成檢測器通過能力下降，而管道本身的氣體壓力低、輸量低則會(huì)造成檢測器動(dòng)力不足，特別是檢測器運(yùn)行到彎頭、跨越等部位時(shí)極易停滯，隨著時(shí)間的延長，檢測器后方的氣體積聚，產(chǎn)生的推力超過檢測器與管道間的摩擦阻力時(shí)，檢測器瞬間提速，容易導(dǎo)致檢測器設(shè)備因碰撞損壞，另一方面，檢測器的通過速度過快，而管道因磁化時(shí)間過短而造成檢測器的數(shù)據(jù)質(zhì)量低。

為了解決輸氣管道因運(yùn)行壓力低而無法進(jìn)行漏磁檢測的問題，提出使用水這類不可壓縮的介質(zhì)來替代天然氣作為檢測動(dòng)力源的技術(shù)方案，有效解決了檢測器運(yùn)行速度問題[7]。同時(shí)圍繞此方案，開展多項(xiàng)技術(shù)研究：設(shè)計(jì)并建立輸氣管道內(nèi)檢測注水工藝，解決檢測動(dòng)力源問題；開展計(jì)算機(jī)流程模擬、通過性實(shí)驗(yàn)等方式，測試檢測器的穩(wěn)定性；探討檢測器改造方案，先后解決檢測器防水、動(dòng)力皮碗和支撐皮碗的構(gòu)造、過盈量等問題；自研軟件、硬件接入流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，開發(fā)流量曲線顯示軟件，獲取實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)并顯示流量波動(dòng)情況，確保此次輸氣管道內(nèi)檢測成功實(shí)施。通過使用不可壓縮液體水代替管輸氣體介質(zhì)的方式，檢測人員成功地對該小口徑的低壓輸氣管線進(jìn)行幾何檢測和漏磁檢測作業(yè)，及時(shí)、有效地識(shí)別出管道的腐蝕、變形等缺陷。

1.2 大口徑、長距離低壓輸氣管道的內(nèi)檢測

某大口徑輸氣管道，全長23 km，穿越遼河（原繞陽河）及濱海路，投產(chǎn)運(yùn)行管段服役已達(dá)32 年，管道規(guī)格D820×10 mm。內(nèi)檢測工作的難點(diǎn)在于管道外徑達(dá)到820 mm，最大運(yùn)行壓力只有0.6 MPa，且存在多個(gè)1.5D 小曲率半徑彎頭，管道容量大，若仍使用水作為介質(zhì)，需要水量近1.38×104m3，且內(nèi)檢測作業(yè)后排出的水需至少經(jīng)過6 個(gè)月的處理才能正常排放。

為此，從檢測基礎(chǔ)原理、關(guān)鍵技術(shù)突破及檢測器升級等方面開展綜合研究，提出檢測器輕量化改造、降低摩阻的技術(shù)路線。檢測器的改造主要是針對以下3 個(gè)方面：①綜合分析，選擇皮碗。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)證明，選用皮碗時(shí)，檢測器的運(yùn)行壓差要低于選用直板時(shí)的情形。為了降低檢測器前后壓差，降低檢測器在過彎頭時(shí)的壓力，選用皮碗的標(biāo)準(zhǔn)是在滿足運(yùn)行要求的前提下，選擇邵氏硬度較低的皮碗；②檢測器的勵(lì)磁節(jié)“減重”。常規(guī)漏磁檢測器的勵(lì)磁范圍為7～20 mm，即20 mm 壁厚的管道可以達(dá)到檢測時(shí)要求的磁飽和狀態(tài)，而該管道壁厚為10 mm，可以減少相應(yīng)磁鋼刷部分的重量，勵(lì)磁范圍滿足要求即可；③檢測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。常規(guī)檢測器前端放置直板（導(dǎo)向盤），防止皮碗偏磨，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明直板的啟動(dòng)壓差遠(yuǎn)大于鋼刷，所以選擇鋼刷作為支撐代替直板（導(dǎo)向盤），既實(shí)現(xiàn)支撐作用，又有效降低壓差，在完成優(yōu)化改造后啟動(dòng)壓差降低0.15 MPa，有明顯的應(yīng)用效果。

通過以上對漏磁檢測器的輕量化改造，順利完成外徑為820 mm 的低壓輸氣管道的漏磁內(nèi)檢測，檢測器的運(yùn)行速度滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量對其運(yùn)行速度的要求。

2 穿河管道的綜合外檢測

水下穿越段管道受到傳統(tǒng)檢測手段的限制，無法有效實(shí)施外腐蝕檢測和評價(jià)，該類管道外防腐層失效會(huì)引起更為快速的腐蝕，一旦在穿越段管道發(fā)生腐蝕泄漏，將對周邊安全及環(huán)境造成重大影響，因此有必要積極探尋新技術(shù)、新方法，對水下穿越段管道的外防腐和陰極保護(hù)狀況進(jìn)行評估，對可能發(fā)生的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)采取有針對性的措施，有效控制管道失效，保障油氣管線的安全運(yùn)行。

與科研院所開展合作，開發(fā)出一種利用水下機(jī)器人ROV 搭載檢測設(shè)備對水下管道開展外防腐綜合檢測的技術(shù)，該技術(shù)屬于一種基于電場信號測量法的管道無損外檢測評價(jià)技術(shù)，其利用所開發(fā)的配套檢測設(shè)備，通過管地電位法和直流電位梯度法（雙分量實(shí)時(shí)采集），并輔以磁法管道路由探測功能，實(shí)現(xiàn)穿河管道（水下管道）管道路由、外防腐層和陰極保護(hù)狀況的檢測與評價(jià)。

通過該技術(shù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)多條水下穿越段管道的路由及埋深的測量，評價(jià)管道防腐層的完整性和陰極保護(hù)有效性。水下機(jī)器人搭載檢測設(shè)備開展管道檢測的技術(shù)，解決了水下穿越段外檢測的盲區(qū)（水下埋深15 m 內(nèi)）。

3 特殊管段的清管作業(yè)

由于之前施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管理不嚴(yán)格，某些管道中存在一些不符合清管作業(yè)要求的情形，存在部分施工殘留，如管道開孔施工后未回裝堵柄，管道出現(xiàn)外力造成的凹陷變形，存在小曲率半徑彎頭、連續(xù)彎頭等。進(jìn)行常規(guī)清管作業(yè)，極易產(chǎn)生清管器卡堵事故。

為了解決此問題，建立清管器通過性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)流程，在與實(shí)際管道相同型號的實(shí)驗(yàn)管段中設(shè)置凹陷變形、連續(xù)彎管、1.5D彎頭、未回裝堵柄的管道開孔等限制條件，將符合管道尺寸要求的清管器放入到實(shí)驗(yàn)管路中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過一次次實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)清管器可通過的最大凹陷變形值，在連續(xù)彎管等限制點(diǎn)處的通過情況。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不斷調(diào)整清管器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對清管器進(jìn)行改造，以滿足現(xiàn)場清管要求，進(jìn)而提升使用該清管器在實(shí)際管路中進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)的安全性。

4 結(jié)束語

管道檢測是管道完整性管理的重要手段，為管道維護(hù)、運(yùn)行等提供數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)實(shí)中很多管道的特殊限制條件，制約著管道檢測技術(shù)的開展。充分識(shí)別管道風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)管道現(xiàn)狀、檢測要求等，針對特殊管段，提出并應(yīng)用相應(yīng)的應(yīng)對措施，以達(dá)到管道檢測的目的。

（1）采用介質(zhì)置換的方法，使用水代替管輸氣體作為輸送介質(zhì)，完成小管徑低壓輸氣管道的內(nèi)檢測。

（2）通過皮碗的選擇、勵(lì)磁部分的減重、導(dǎo)向盤的結(jié)構(gòu)改變等方法對檢測器進(jìn)行輕量化改造，降低檢測器在管道中的摩阻，保證檢測器在管道中的運(yùn)行速度，完成大管徑、小曲率半徑的低壓輸氣管道內(nèi)檢測。

（3）使用水下機(jī)器人搭載檢測設(shè)備對水下管道進(jìn)行綜合檢測，解決水下穿越段外檢測的盲區(qū)（水下埋深15 m 內(nèi)）。

（4）建立與待實(shí)施清管作業(yè)管道相符合的實(shí)驗(yàn)?zāi)M管路，通過設(shè)置不同限制點(diǎn)形式，開展清管器通過性驗(yàn)證試驗(yàn)，用試驗(yàn)指導(dǎo)相應(yīng)管道清管器的結(jié)構(gòu)調(diào)整，確保有施工殘留或其他限制點(diǎn)的管道的清管作業(yè)安全。