胡洪宣，劉 鑫，謝崇文，時(shí) 楊，冷吉輝

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司 重慶輸油氣分公司，重慶 400000；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650200；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司 安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川 成都 610041；4.西南石油大學(xué) 油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 前 言

管道運(yùn)輸在近年來得到飛速發(fā)展，管道也因此成為運(yùn)輸石油、天然氣等能源物資的一種重要方式[1]。但隨著管道在役年限的不斷增加，管道經(jīng)常出現(xiàn)老化、腐蝕、穿孔失效等事故，其事故發(fā)生概率也在逐年增加，這些事故不僅威脅著整個(gè)管道運(yùn)輸系統(tǒng)的安全，而且破壞自然環(huán)境、浪費(fèi)能源、甚至危及人身安全[2]。因此有必要對(duì)管道進(jìn)行定期檢測(cè)，以保障管道安全高效運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的管道無損檢測(cè)技術(shù)主要有超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、電磁渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)等[3]，這些方法均能在一定程度上檢測(cè)出已存在的宏觀缺陷，取得很好的應(yīng)用效果。其中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從數(shù)值模型、傳感器優(yōu)化方面對(duì)電磁渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究[4-9]，但少有針對(duì)小管徑、低壓低流速的環(huán)境下利用電磁渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)的研究應(yīng)用，電磁渦流技術(shù)在小管徑、低壓低流速環(huán)境下管道中的適用性未知，需要進(jìn)一步的研究與探討。

因此，本工作針對(duì)小管徑、低壓低流速環(huán)境下的管道進(jìn)行電磁渦流檢測(cè)技術(shù)的適應(yīng)性分析。利用電磁渦流檢測(cè)器對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行檢測(cè)，采用C掃檢測(cè)儀[10]、DR[11]射線數(shù)字成像技術(shù)對(duì)電磁渦流檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行開挖驗(yàn)證，并結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)管道缺陷進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)，為現(xiàn)場(chǎng)小管徑、低壓低流速管道環(huán)境下電磁渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供一定參考。

1 電磁渦流檢測(cè)

電磁渦流檢測(cè)技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測(cè)方法[12]，其檢測(cè)原理如圖1所示。檢測(cè)線圈通電(I1)時(shí)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)(H1)，當(dāng)導(dǎo)體與檢測(cè)線圈靠近時(shí)，產(chǎn)生與線圈相反的感應(yīng)電流(I2)，稱為渦流。導(dǎo)體的自身因素(尺寸、缺陷等)引起渦流及其衍生磁場(chǎng)(H2)的變化，進(jìn)而改變線圈的阻抗[13]。通過檢測(cè)線圈的阻抗變化或電壓效應(yīng)，間接獲得被測(cè)管道的表面缺陷和腐蝕狀況。

圖1 電磁渦流檢測(cè)原理圖

電磁理論可解釋渦流的基本特征，麥克斯韋方程微分形式如式(1)、(2)所示，其反應(yīng)了磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度、電位移矢量、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系：

(1)

(2)

其中：?為哈密頓算子；t為時(shí)間，s；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；J為電流密度，A/m2；D為電位移矢量，C/m2；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，N/C；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，A/m。

由式(1)、(2)可知，線圈通入電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)垂直穿過線圈中心。初級(jí)磁場(chǎng)B的大小隨線圈所載電流大小而改變，磁通量φ與感應(yīng)電壓成正相關(guān)。另外磁通量與磁場(chǎng)有關(guān)系式：

φ=?B·dS

(3)

式中：φ為磁通量，V·S；S為有效面積，m2。

由式(3)可知，次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使初級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而初級(jí)線圈的總磁場(chǎng)受感應(yīng)電流產(chǎn)生的次級(jí)磁通的影響，次級(jí)磁通的變化使初級(jí)線圈產(chǎn)生電壓，即形成互感現(xiàn)象。檢測(cè)中用導(dǎo)體代替次級(jí)線圈，被測(cè)導(dǎo)體、激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈之間互感，從而引起磁通發(fā)生變化，根據(jù)磁通差值，得到被測(cè)導(dǎo)體表面的特征。

φe=φ1-φ2

(4)

式中：φe為有效磁通，V·S；φ1為初級(jí)磁通，V·S；φ2為次級(jí)磁通，V·S。

電磁渦流檢測(cè)可以測(cè)定材料電導(dǎo)率，檢查材料尺寸、形狀等，對(duì)導(dǎo)電材料的缺陷檢測(cè)精度高，可應(yīng)用范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)管道的高速、自動(dòng)檢測(cè)；同時(shí)可用于高溫等其他檢測(cè)方法不使用的場(chǎng)合[14]。

2 工程應(yīng)用

2.1 檢測(cè)對(duì)象及作業(yè)流程

檢測(cè)管道為井口至集氣總站的集輸管道，輸送介質(zhì)為含硫濕天然氣，檢測(cè)長(zhǎng)度20.036 km，全線共計(jì)16處穿跨越。管道材質(zhì)為無縫鋼管20鋼，管規(guī)格為φ219.0mm×7.9 mm，設(shè)計(jì)壓力8.0 MPa，外涂3PE防腐層，管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。管道當(dāng)前運(yùn)行壓力1.55 MPa，當(dāng)前輸量3×104m3/d，流速0.6 m/s，常溫輸送。

電磁渦流檢測(cè)器運(yùn)行作業(yè)流程如圖2所示，在使用檢測(cè)器之前需對(duì)管道是否符合檢測(cè)實(shí)施條件進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行管道中線測(cè)繪，對(duì)管道的平面和高程位置進(jìn)行測(cè)量，為檢測(cè)管道缺陷定位做好輔助工作；同時(shí)為保證檢測(cè)作業(yè)的順利進(jìn)行，在實(shí)施檢測(cè)措施前需進(jìn)行6次清管道作業(yè)，評(píng)價(jià)檢測(cè)器及檢測(cè)數(shù)據(jù)是否完整。

圖2 電磁渦流檢測(cè)器運(yùn)行作業(yè)流程圖

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

電磁渦流檢測(cè)器在小管徑低壓低流速管道環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)后，通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，共計(jì)檢出內(nèi)部金屬損失102處。根據(jù)表1分析可知，管道內(nèi)部金屬損失深度主要集中在20%wt(wt為壁厚)～40%wt范圍內(nèi)，數(shù)量為55處，占比為53.920%；其次，深度范圍為20%wt以下的深度缺陷數(shù)量為34處，占比為33.330%，深度范圍為60%wt以上內(nèi)部金屬損失較重區(qū)域有1處，占比為1.098%。

表1 管道內(nèi)部金屬損失深度統(tǒng)計(jì)表

為了分析管道內(nèi)部金屬損失在里程上的分布情況，繪制了管道內(nèi)部金屬損失分布平面圖，如圖3所示。由圖3可知，管道內(nèi)部金屬損失分布區(qū)域主要集中在0～4 km、6～10 km、14～18 km范圍內(nèi)，而在其余管段并未檢測(cè)出有內(nèi)部金屬損失現(xiàn)象，由此可縮小監(jiān)控范圍，對(duì)這3段管段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管。

圖3 管道內(nèi)部金屬損失分布平面圖

此外，為了更好地分析內(nèi)腐蝕發(fā)生的原因，將管道內(nèi)部金屬損失缺陷與管道高程結(jié)合分析得到金屬損失在管道高程上的分布圖，如圖4所示。由圖4可知，管道內(nèi)部金屬損失主要分布在管道低洼處(圖4中方框處)和上坡段，因此初步可以判斷該段管道在低洼處和上坡處存在內(nèi)腐蝕的可能性較大。

圖4 管道內(nèi)部金屬損失高程分布圖

2.3 缺陷開挖驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電磁渦流檢測(cè)技術(shù)在小管徑低壓低流速管道環(huán)境下的準(zhǔn)確性，現(xiàn)采用各具優(yōu)勢(shì)的C掃技術(shù)和DR數(shù)字成像技術(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果中比較典型的11處進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證取點(diǎn)表如表2所示，其中前5個(gè)缺陷點(diǎn)通過C掃技術(shù)進(jìn)行開挖驗(yàn)證，后6個(gè)缺陷點(diǎn)采用DR數(shù)字成像技術(shù)進(jìn)行開挖驗(yàn)證。

表2 現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證取點(diǎn)表

2.3.1 C掃驗(yàn)證

利用C掃檢測(cè)儀器(PHASGAN 32/128PR)對(duì)已開挖缺陷點(diǎn)D25、D26、D33、D36、D39進(jìn)行驗(yàn)證，由于C掃儀器對(duì)缺陷深度很敏感[15]，而對(duì)長(zhǎng)寬不敏感，因此本次對(duì)比驗(yàn)證主要對(duì)比深度指標(biāo)，C掃驗(yàn)證結(jié)果如表3所示，括號(hào)中數(shù)據(jù)為C掃實(shí)測(cè)缺陷處真實(shí)壁厚。

表3 C掃驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比表

以開挖缺陷點(diǎn)D36為例經(jīng)C掃描對(duì)管道進(jìn)行面投影，分析得到該管道D36處有內(nèi)壁厚度不均勻的情況，所測(cè)數(shù)據(jù)最小值為5.8 mm(與公稱壁厚相差2.1 mm)。由于本次電磁渦流檢測(cè)器的檢測(cè)精度為±20%，從表3中的驗(yàn)證結(jié)果分析，D25、D26、D33、D36、D39缺陷的深度誤差最大為18.68%，最小為-0.32%，因此，C掃檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證電磁渦流檢測(cè)滿足精度指標(biāo)要求。

C掃檢測(cè)法驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，5個(gè)缺陷點(diǎn)的深度指標(biāo)皆滿足電磁渦流檢測(cè)器的精度指標(biāo)要求，說明該檢測(cè)器對(duì)于內(nèi)部缺陷的量化是可靠的，也說明該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于油氣田技術(shù)管道的內(nèi)腐蝕檢測(cè)具有有效性及準(zhǔn)確性。從C掃實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)與電磁檢測(cè)數(shù)據(jù)深缺陷度對(duì)比來看，C掃結(jié)果數(shù)據(jù)偏小，這是因?yàn)镃掃檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與探頭耦合狀況、水層氣泡、管壁平整度都有關(guān)，若耦合效果不佳會(huì)造成數(shù)據(jù)不真實(shí)，氣泡的存在則會(huì)造成數(shù)據(jù)偏小。但從檢測(cè)手段結(jié)果來看，電磁渦流檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)精度能滿足檢測(cè)精度指標(biāo)要求。

2.3.2 DR驗(yàn)證

利用DR射線數(shù)字成像技術(shù)對(duì)D43、D45、D46、D72、D73共計(jì)5處缺陷點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證，DR檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷深度不敏感，因此不考慮深度指標(biāo)[16]，只考慮長(zhǎng)和寬的指標(biāo)。DR檢測(cè)驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

表4 DR檢測(cè)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比表

以開挖缺陷點(diǎn)D46為例，經(jīng)DR檢測(cè)，在該管道D46處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷長(zhǎng)度和寬度均為1.66 mm。從表4中DR驗(yàn)證結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，DR檢測(cè)的5處缺陷中，D45的寬度指標(biāo)和D73的長(zhǎng)度指標(biāo)超出了±45 mm的誤差范圍，其余的指標(biāo)均在誤差范圍內(nèi)。超出誤差的原因可能是在管道檢測(cè)時(shí)，由于氣壓不穩(wěn)定造成電磁渦流檢測(cè)器時(shí)走時(shí)停導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差，或檢測(cè)器探頭脫落、損壞對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響。

2.4 缺陷完整性評(píng)價(jià)

金屬損失特征被描述為導(dǎo)致局部壁厚減小的體積性缺陷。該類缺陷由腐蝕行為或制管/管道建設(shè)過程所造成。當(dāng)特征能夠明確地被確定為由于制造所致時(shí)，該特征即被識(shí)別為制造缺陷。為便于對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估，將所有被標(biāo)為金屬損失的特征都保守地假定其為腐蝕成因，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。

2.4.1 內(nèi)腐蝕增長(zhǎng)速率分析

若管道中含有微量水，管道中的游離水在管壁上形成親水膜，管道輸送介質(zhì)中含硫，溶于水，形成原電池，進(jìn)而導(dǎo)致了電化學(xué)腐蝕，造成管壁大面積減薄或形成一系列深坑，易導(dǎo)致腐蝕穿孔。

使用全壽命腐蝕速率方法分析內(nèi)部腐蝕增長(zhǎng)速率。該方法假定管道內(nèi)腐蝕環(huán)境未發(fā)生較大變化，內(nèi)部腐蝕是活性的，并且自從管道開始投產(chǎn)時(shí)就已開始線性增長(zhǎng)。通過式(5)計(jì)算全壽命腐蝕速率：

(5)

式中：PD為深度百分比，%wt；wt為壁厚，mm。

根據(jù)腐蝕速率計(jì)算公式計(jì)算繪制出腐蝕速率分布圖，如圖5所示，從圖5可知，管道內(nèi)部腐蝕全壽命最大增長(zhǎng)速率和平均增長(zhǎng)速率分別為0.452 mm/a和0.074 mm/a。

圖5 腐蝕速率分布圖

同時(shí)，假定管道內(nèi)腐蝕環(huán)境未發(fā)生變化，依據(jù)每個(gè)內(nèi)腐蝕特征自有的腐蝕速率按全壽命方法發(fā)展，得到5 a后管道內(nèi)腐蝕深度沿管道長(zhǎng)度方向的分布圖，如圖6所示，依據(jù)腐蝕速率發(fā)展，5 a后管道相對(duì)壁厚的最大內(nèi)腐蝕深度損失將可能由61%wt增長(zhǎng)到89.58%wt。

圖6 5 a后內(nèi)腐蝕深度分布圖

2.4.2 缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

檢測(cè)管道設(shè)計(jì)壓力為8 MPa，當(dāng)前運(yùn)行壓力為1.55 MPa，管道壁厚為7.9 mm，材質(zhì)為20號(hào)鋼。用ASME B31G-2012評(píng)估方法對(duì)內(nèi)腐蝕分別進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)、5 a后缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 檢測(cè)時(shí)缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià) Fig.7 Residual strength evaluation of defects during inspection

圖8 5 a后缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

從圖7可以看出，檢測(cè)時(shí)并未有缺陷超出安全評(píng)定曲線，若腐蝕環(huán)境未發(fā)生變化，則5 a后會(huì)出現(xiàn)一部分缺陷超出安全評(píng)定曲線的情況，如圖8所示，因此在檢測(cè)后5 a內(nèi)需進(jìn)一步對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)和維修措施。

3 結(jié) 論

本工作主要探討了電磁渦流檢測(cè)器對(duì)于小管徑、低壓低流速的油氣田集輸管道的適用性，并進(jìn)行了缺陷完整性評(píng)價(jià)。通過C掃技術(shù)和DR成像技術(shù)對(duì)電磁渦流檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明電磁渦流檢測(cè)器對(duì)于管道內(nèi)部金屬損失缺陷深度較為敏感，能夠有效識(shí)別出金屬減薄，但對(duì)缺陷長(zhǎng)度、寬度存在一定的誤差。通過缺陷完整性評(píng)價(jià)結(jié)果分析，管道運(yùn)行5 a后，管道最大內(nèi)腐蝕深度損失將可能由61%wt增長(zhǎng)到89.58%wt，此外，缺陷剩余強(qiáng)度將會(huì)超過安全評(píng)定界線，需在檢測(cè)后5 a內(nèi)采取進(jìn)一步的檢測(cè)和維修措施。