姜璐,于磊

(安徽省特種設備檢測院,安徽 合肥 230051)

腐蝕缺陷是天然氣管道常見缺陷之一,是由于化學或電化學反應造成的材料退化。管道所處環(huán)境、陰極保護問題、殘余應力等可造成管道外腐蝕,輸送介質(zhì)的污染、腐蝕性等可造成管道內(nèi)腐蝕。根據(jù)歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組織(EGIG)的報告[1],2010—2019年歐洲由于腐蝕發(fā)生的天然氣管道事故占26.63%,僅次于第三方破壞,為管道事故發(fā)生的第二大原因,且由腐蝕缺陷引起的泄漏逐漸傾向于小孔泄漏。近幾十年來,腐蝕一直是天然氣管道失效的重要原因,通過陰極保護、加緩蝕劑等方式可有效控制腐蝕,但天然氣鋼質(zhì)管道的腐蝕無法消除。因此,有效的檢驗及評價是預防事故的重要手段。

漏磁內(nèi)檢測通過漏磁原理,將內(nèi)檢測器置于管道中,通過管道內(nèi)流體驅(qū)動,可實現(xiàn)不停輸?shù)墓艿罊z測。漏磁內(nèi)檢測速度快,精度較高,對體積型缺陷較敏感,可有效檢測鋼制管道的金屬損失,包括腐蝕缺陷及管體制造缺陷[2]。漏磁內(nèi)檢測可采集到管道腐蝕處的長度、寬度及深度等數(shù)據(jù),通過ID/OD探頭可以識別出內(nèi)腐蝕或外腐蝕。

基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的天然氣管道腐蝕評價是天然氣管道完整性評價的一部分,對保障天然氣管道的安全運行起到重要作用。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)及腐蝕評價模型,可判定現(xiàn)有的腐蝕缺陷是否影響管道的安全運行,同時可進行維修策略的制定,避免盲目維修。

本文提出了腐蝕缺陷評價的流程及各環(huán)節(jié)的分析方法,并結合實際檢測案例,對腐蝕評價的關鍵點進行了描述。

1 腐蝕缺陷評價方法

腐蝕缺陷評價包括數(shù)據(jù)采集、內(nèi)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、腐蝕缺陷剩余強度評價、維修決策。

1.1 數(shù)據(jù)采集

為精準地進行腐蝕評價,采集數(shù)據(jù)的完整性和準確性是評價的基礎,也是決定性因素。腐蝕評價的數(shù)據(jù)來源包括:

1)管道的基本信息,通過資料收集取得,包括管道的規(guī)格、材質(zhì)、設計參數(shù)、管道分段情況、高后果區(qū)、運行數(shù)據(jù)、維修情況等。

2)內(nèi)檢測數(shù)據(jù):通過管道內(nèi)檢測取得,包括幾何檢測數(shù)據(jù)(環(huán)焊縫、彎頭、三通等特征位置及變形缺陷等)及漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)(包括金屬損失的位置、尺寸、深度等)。

3)IMU數(shù)據(jù):通過管道內(nèi)檢測取得,包括管道的高程及坐標。

1.2 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

通過對內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行歸類與比較,掌握缺陷的分布情況,對管道的安全狀況做初步判斷,同時結合缺陷的類型,掌握需重點關注的管段。其中,對金屬損失缺陷進行分類非常重要,這對辨識缺陷成因有重要意義,若出現(xiàn)點蝕或針孔,可能為腐蝕缺陷,若出現(xiàn)溝紋或溝槽,可能是機械劃傷[3]。金屬損失類型的定義參考《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術規(guī)范》(GB/T 27699—2011)[4]。

分析檢測里程與缺陷長度、寬度、深度的關系,可得到大致掌握缺陷嚴重的管段。必要時,可對缺陷的高程數(shù)據(jù)進行分析,掌握地形及管道走向?qū)Ωg的影響。

1.3 腐蝕缺陷剩余強度評價

剩余強度評價是根據(jù)已采集的腐蝕缺陷數(shù)據(jù),通過評價模型,計算目前的管道強度是否能滿足需求,是否需要立即維修或計劃維修,為管道的完整性管理提供重要依據(jù)。

腐蝕缺陷剩余強度評價方法較多,可參考《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(GB 32167—2015)附錄J[5]。主流方法有ASME B31G、改進的ASME B31G、RSTRENG、API579、BS7910,上述方法都是根據(jù)NG-18未穿透缺陷的評價公式轉(zhuǎn)化而來,只是鼓脹因子、流變應力、缺陷形貌的近似表達有所不同。其中,ASME B31G方法是最早運用的評價方法,此方法認為不含缺陷管道的環(huán)向應力是最大主應力,控制了管道的失效。此方法應用方便,但較為保守。改進的ASME B31G方法對缺陷尺寸的表達,認為缺陷形狀不規(guī)則,面積為0.85dL,保守程度較B31G方法低。而RSTERNG方法用有效面積法估計腐蝕區(qū)域面積的大小,比改進的B31G方法更為準確[6]。國內(nèi)標準SY/T 6151—2009采用RSTRENG的屈服強度計算公式,在國內(nèi)管道的完整性管理中普遍應用。式(1)～式(3)為SY/T 6151—2009中最大安全工作壓力的計算公式[7]。

(1)

(2)

(3)

式中,ps為管道最大安全工作壓力,MPa;F為設計系數(shù);M為鼓脹系數(shù);σs為最小屈服強度,MPa;D為管道公稱外徑,mm;d為實測腐蝕區(qū)域最大腐蝕坑深度,mm;t為管道公稱壁厚,mm;Lm為腐蝕區(qū)域縱向投影長度,大于D時取D,mm。

腐蝕缺陷剩余強度評價后,通過預估維修比(ERF)來評判管道是否安全。ERF是管道最大允許操作壓力與缺陷處最大安全工作壓力的比值。計算公式見式(4)。

(4)

式中,MAOP為管道最大允許工作壓力,MPa。

當ERF大于1時,最大安全工作壓力小于管道最大允許操作壓力,即此時管道在安全狀況下不能滿足最大操作壓力的需求,需要立即維修;當ERF小于1時,最大安全工作壓力大于管道最大允許操作壓力,此缺陷不影響管道的安全運行,為可接受的缺陷,不需要進行維修。

ERF曲線展示了缺陷尺寸與壓力的關系。ERF曲線的橫軸為缺陷長度,縱軸為缺陷深度,ERF等于1的曲線表示在管道可以安全運行的臨界狀態(tài),缺陷長度和深度的范圍。將腐蝕點的長度和深度表示在ERF曲線圖中,若腐蝕點位于ERF等于1的曲線上方,則缺陷不可接受,需要立即維修,若位于ERF等于1的曲線下方,則缺陷可接受,不需立即維修。

1.4 維修決策

根據(jù)1.3節(jié)所述方法,可根據(jù)ERF值是否大于1,來判斷腐蝕缺陷是否需要立即維修。腐蝕缺陷為與時間有關的缺陷,會隨著時間的推移不斷增長。對于不需要立即維修的缺陷,可結合腐蝕增長速率計算及剩余強度評估,來進行計劃維修決策。

腐蝕增長速率主要根據(jù)兩次檢測數(shù)據(jù)的對比計算腐蝕的增長率,如果是首次進行檢測,可采用全壽命或半壽命的方法來預測腐蝕缺陷的增長速率,其中半壽命方法較保守。可采用最深腐蝕缺陷的增長速率作為管道整體的腐蝕增長速率。全壽命腐蝕增長速率計算公式見式(5) ,半壽命腐蝕增長速率計算公式見式(6)。

(5)

(6)

式中,Crate為全壽命腐蝕增長速率,mm/a;Crate′為半壽命腐蝕增長速率,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,mm;T2為最近一次檢測的時間,a;T1為上一次檢測的時間(若首次檢測,則為投產(chǎn)時間),a。

用計算出的腐蝕速率對腐蝕深度進行累加,若要對n年后的腐蝕缺陷進行評價,則預測腐蝕深度為現(xiàn)有腐蝕深度加腐蝕速率的n倍,將此預測腐蝕深度帶入剩余強度評估模型,可計算出n年后的ERF值,若ERF值大于1,則在n年后需進行維修,由此實現(xiàn)計劃維修策略的制定。

2 實例分析

2.1 管道基本情況

某天然氣管道約48 km,材質(zhì)為L415NB,管徑為711 mm,壁厚為11.9 mm/12.5 mm,防腐類型為3PE加強型,于2014年投產(chǎn),2021年進行全線幾何檢測及漏磁內(nèi)檢測。管道設計壓力為4 MPa,最大允許操作壓力為4 MPa,最小屈服強度為415 MPa,設計系數(shù)為0.4。

2.2 內(nèi)檢測數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

根據(jù)幾何檢測及漏磁內(nèi)檢測,此管道含環(huán)焊縫4 211道,檢測出腐蝕缺陷2 457處。檢測出的腐蝕缺陷中,內(nèi)壁缺陷有1 362處,外壁缺陷有1 096處;腐蝕深度小于10%壁厚的有2 343處,腐蝕深度在10%～20%壁厚的有112處,腐蝕深度在20%～30%壁厚的有2處。 可以看出,此條管道內(nèi)、外壁腐蝕較平均,外壁腐蝕稍多。

腐蝕缺陷數(shù)目、深度、長度沿里程的分布見圖1～3。圖1為每1 000 m檢測出的腐蝕缺陷數(shù)。

圖1 腐蝕缺陷數(shù)目沿檢測里程分布圖

從圖1可以看出,1 km內(nèi)、3～4 km內(nèi)、29～30 km內(nèi),檢測出較多腐蝕缺陷,其中1 km內(nèi)出現(xiàn)的腐蝕缺陷最多。對于腐蝕缺陷較集中的區(qū)段,一方面在選擇開挖點時可有所側重;另一方面需分析腐蝕缺陷較集中的原因,可能為腐蝕防護系統(tǒng)不到位,也可能是管道所處地形問題導致腐蝕介質(zhì)濃度較大。

從圖2中可以看出該管段腐蝕缺陷深度最深一處位于44.5 km處,為外腐蝕,絕對深度達2.499 mm,相對深度為21%。此腐蝕點為點蝕,且深度較深,很容易引起管道失效,建議對此點進行開挖直接檢測。

圖2 腐蝕缺陷深度沿檢測里程分布圖

從圖3可以看出,該管段腐蝕缺陷長度最長的一處為669 mm,位于1.127 km處。在23.1～23.3 km處存在5個長度大于250 mm的內(nèi)腐蝕缺陷,從此段管道的高程數(shù)據(jù)可以看出,此部分為低洼處,這里較大長度的內(nèi)腐蝕考慮有水線腐蝕的可能。

圖3 腐蝕缺陷長度沿檢測里程分布圖

對于腐蝕缺陷較多的區(qū)段,可結合管道高程進行數(shù)據(jù)分析,從而判斷管道的腐蝕情況。本文所檢管道在1 km內(nèi)腐蝕缺陷較多,故對此段管道進行高程分析,見圖4。從圖4中可以看出,地勢低洼處及高程變化較大的區(qū)段易出現(xiàn)腐蝕點,因此需重點關注這些區(qū)段,做好腐蝕防控措施。

圖4 1 km腐蝕缺陷沿高程分布圖

2.3 腐蝕缺陷剩余強度評價

根據(jù)標準SY/T 6151—2009中的最大安全工作壓力評定法,對此條管道的腐蝕缺陷進行評價。圖5為各個腐蝕缺陷點沿里程分布的ERF值,從圖中可以看出,各缺陷點的ERF值基本在0.55～0.65,ERF值最大為0.637,在23.28 km處。目前看來所有的腐蝕缺陷點都相對安全,不需要立即維修,對于ERF值較大的缺陷點需重點關注。

本文采用ERF曲線圖來表示評定結果。圖6為壁厚為11.9,12.5 mm的評定曲線圖。從圖中可以看到,腐蝕數(shù)據(jù)點均在ERF曲線之下,故所有腐蝕缺陷都不需要立即維修。從ERF曲線圖可以看出,缺陷標記點均在ERF曲線下靠下方的位置,說明整條管道的安全狀況較好。

圖6 ERF曲線圖

2.4 計劃維修決策

由于此次內(nèi)檢測為此段管道投產(chǎn)后的首次內(nèi)檢測,采用較保守的原則,選擇半壽命方法計算腐蝕增長速率。對2 457處腐蝕缺陷進行計算,得出內(nèi)腐蝕最大增長速率為0.52 mm/a,內(nèi)腐蝕平均增長速率為0.12 mm/a,外腐蝕最大增長速率為0.64 mm/a,外腐蝕平均增長速率為0.14 mm/a。

以較保守的原則進行計劃維修決策,設定內(nèi)、外腐蝕均以最大速率增長,第13年開始出現(xiàn)ERF值大于1的點,內(nèi)腐蝕有5處,位于1.127,23.1～23.3 km處;外腐蝕有1處,位于12.628 km處。對于這6處腐蝕點,12年內(nèi)均可安全運行,第13年不能保證安全運行,需立即維修。故應對此6處腐蝕點12年內(nèi)進行計劃維修。

3 結論

1)對以內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為基礎的腐蝕缺陷評價流程與方法進行了梳理與應用,對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計、剩余強度評價及維修決策制定的方法與關鍵點進行了描述,并以一段天然氣管道作為實際案例對方法進行了應用。

2)在實例分析中,對腐蝕缺陷點的數(shù)目、深度、長度沿檢測里程的分布進行了分析,大致掌握了缺陷集中的管段、較危險缺陷的位置及可能引起腐蝕的原因。對腐蝕缺陷進行剩余強度評價,得到ERF值均小于1,ERF曲線中腐蝕點均在臨界曲線以下,故不需要對管段進行立即維修。通過計算腐蝕增長速率,并帶入到剩余強度評價模型中,得到12年后管道無法安全運行,故此管道需在12年內(nèi)進行維修。

3)實際工況中,腐蝕情況多變,管道所處地上及地下環(huán)境、防腐層完整度、陰極保護效果等因素均會影響管道的腐蝕增長速率,故管道在計劃維修的基礎上,還需加強關鍵管段的巡查與管理,避免發(fā)生管段失效。