石油管道檢測技術在現役隔水導管腐蝕檢測中的應用

陳三君，倪益民，李志彬

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

南海東部海域由于復雜海洋環境與應力腐蝕等多重因素作用下，部分隔水導管出現接箍開裂和管體破損現象，嚴重影響井筒完整性，危及油氣井生產安全。由于目前尚未建立針對在役導管架平臺隔水導管腐蝕檢測的標準，依據中國船級社（CCS）《在役導管架平臺結構檢驗指南（2013）》[1]推薦的檢驗方法，僅有水下外觀檢查、水下磁粉探傷和交流場檢測可以應用到現役隔水導管檢測，其中水下磁粉探傷和交流場檢測主要用于焊縫裂紋的檢測，而且需要潛水員來配合，但南海東部海域淺水油氣田的水深在100 m左右，常規潛水員的作業僅為水深30 m左右，水深超過30 m通常采取飽和潛水或混合器潛水的方法，需要相關的作業支持船舶，價格高昂。目前南海東部隔水導管腐蝕檢測一般采用水下機器人進行外觀檢查，無法檢測隔水導管的實際腐蝕情況。為探求隔水導管檢測技術，通過對常規和新型管道檢測技術的對比分析，尋找一種不停產狀態下，針對現役隔水導管腐蝕檢測技術。

1 石油管道檢測技術分析

1.1 常規石油管道檢測技術

目前，國內外的油氣田研究和開發部門對管線的在線檢測系統進行了大量的研究，已有的石油管道檢測方法主要有漏磁檢測技術、超聲波檢測技術、渦流檢測技術、聲發射檢測技術、光學原理類檢測技術和射線照相類檢測技術等六種[2]。

其中光學原理類檢測技術需從管內進行檢測，且只能檢測到最內層管的腐蝕，由于隔水導管處于套管的最外層，里面至少還有兩層套管，因此這種檢測技術無法直接應用于隔水導管腐蝕檢測中。

而漏磁檢測技術、超聲波檢測技術、渦流檢測技術、聲發射檢測技術和射線照相類檢測技術由于應用的局限性（需要在管內或管外手持信號接收裝置），只能檢測隔水導管水面以上部分，無法檢測水面以下隔水導管的腐蝕情況。

1.2 新型石油管道檢測技術

目前石油管道檢測技術從管道外部進行檢測的技術主要是超聲導波和飽和低頻渦流檢測技術。

1.2.1 超聲導波檢測技術 超聲導波檢測技術主要采用脈沖-回波的方法[3]，其主要工作原理（見圖1）。工作過程中，粘貼在管道上的鐵磁性條帶傳感器在發射/接收線圈以及偏置磁鐵的共同作用下產生超聲導波，超聲導波耦合到管道上并沿管道快速傳播，瞬間即可完成對管道的長距離體積掃描。

目前，世界上用于長距離管線腐蝕檢測的超聲導波檢測技術主要有兩種。一種是以傳統壓電晶片的壓電效應為基礎的多晶片探頭卡環式超聲導波檢測系統，主要有兩家：英國導波公司（GUL）公司的Wave Marker和英國焊接研究所（TWI）下屬的PI公司的Teletest；另一種是以鐵磁性材料的磁致伸縮效應及其逆效應為基礎的條帶式MsS超聲導波檢測系統，由美國西南研究院（SwRI）研發[3]。

根據文獻[3]，Teletest導波儀在原油輸送管線和地下水管線的檢測中進行了實際應用，均發現了嚴重的腐蝕缺陷。該技術最大測量管徑只有24″。

MsS超聲導波檢測技術在南海東部油田立管腐蝕檢測和勝利油田CB22A平臺樁腿腐蝕檢測進行了實際應用。特別是在勝利油田CB22A平臺樁腿腐蝕檢測中，利用MsS超聲導波檢測結果表明，導管架上存在兩個腐蝕缺陷集中區域，其中一個區域位于水下1 m附近，另外一個則位于導管架底端靠近海底處[4]。

圖1 超聲導波檢測原理圖

MsS超聲導波檢測技術有如下優勢：（1）可應用到各種形狀幾何結構；（2）檢測精度高：最高靈敏度為管道橫截面積損失量的0.7%，可靠檢測靈敏度為管道橫截面積損失量的5%；（3）檢測范圍大：單方向最大可以檢測 200 m；（4）最高耐溫可達 500 ℃；（5）管道直徑檢測范圍1.5″到80″；（6）探頭與管道之間的耦合方式有兩種：機械干耦合方式、環氧樹脂膠粘接方式。

MsS超聲導波檢測技術亦存在如下不足：隔水導管外覆蓋的海生物（特別是牡蠣）會大幅增加超聲導波的衰減，傳播距離受到限制；另外，超聲導波無法穿越隔水導管螺紋連接部位（接箍）。

1.2.2 飽和低頻渦流檢測技術 飽和低頻渦流檢測系統 （Saturation Low Frequency Eddy Current，SLOFECR）是由德國TMT公司開發的一項電磁檢測新技術。其主要工作原理（見圖2）。該系統是基于渦流與疊加直流磁化方法。磁軛用于在材料中產生強磁場以進行測試。磁場對樣品的材料性能有影響。在無缺陷的樣品中，直流場的分布是恒定的，一次渦流信號沒有變化。壁厚的減少，例如，由于腐蝕坑，將導致在剩余的壁內的磁場集中，從而增加了上面和周圍的磁場強度。這導致了在這個位置的材料性能的變化，將會被渦流傳感器檢測到。

SLOFECR立管檢測工具的優勢為：（1）利用爬壁機器人進行快速腐蝕缺陷掃描檢查；（2）簡單可控、防水可達912 cm；（3）敏感檢測體積小的物質損失；（4）測試通過非導電涂層厚度15 mm；（5）測試通過導電、非鐵磁涂料；（6）檢測壁厚 25 mm；（7）區別從表層和次表層的缺陷信號相分離；（8）區分噪聲缺陷信號的相位差；（9）不需要耦合液體。

SLOFECR立管檢測工具的劣勢為：該技術是沿著隔水導管軸向爬行，但是由于隔水導管外覆蓋的海生物較密集，且厚薄不均勻，會影響該系統在隔水導管上的有效爬行；而且由于南海東部導管架平臺所處的水深均在100 m左右，中間至少有3層以上的導向扶正孔，而該系統無法爬行穿過導向扶正孔，因此無法測量到第一個導向扶正孔以下的隔水導管腐蝕程度，需要人為進行跨越。

基于以上分析，從經濟性、精確度及操作便捷方面考慮，以美國西南研究院的MsS長距離低頻超聲導波技術為對象開展隔水導管檢測試驗研究。

2 MsS長距離低頻超聲導波技術室內試驗

2.1 MsS長距離低頻超聲導波檢測系統組成

試驗采用國內最先進的由美國西南研究院研制的MsSR3030R檢測系統，由主機和MsS探頭組成（見圖3）。

圖2 飽和低頻渦流檢測原理圖

圖3 MsSR3030R檢測系統主機、薄片狀鐵鈷條帶和帶狀線圈

圖4 試驗波形圖

2.2 試驗步驟

試驗對象是一根廢棄的30″隔水導管，壁厚25.4 mm（實際24.3 mm），扣型為快速扣。

隔水導管距上缺陷距離測點的距離分別是1.58 m和9.22 m，面積分別為471 mm2和509 mm2。

試驗步驟為：測量壁厚、缺陷位置測量、耦合粘貼鐵鈷合金條、安裝帶狀線圈、主機參數設置、用不同頻率發射信號并采集數據進行處理。

2.3 試驗結果與分析

表1 試驗結果

表2 試驗結果分析表

試驗結果（見圖4、表1、表2）表明，測點到缺陷1位置的試驗誤差約為6.3%，測點到缺陷2位置的試驗誤差僅為0.3%。MsS長距離低頻超聲導波技術距離誤差率低。

表1中2.5%和2.7%是指腐蝕面積占管材橫截面積的百分比。在本次試驗中，兩個缺陷按試驗結果是471 mm2和509 mm2，實際測量的面積為400 mm2和450 mm2。誤差偏大的主要原因為試驗中缺陷為后期所焊接的突出物。

MsS長距離低頻超聲導波技術可以有效判斷腐蝕位置及面積比例，因此可作為隔水導管檢測技術進行現場應用。

3 結論和建議

（1）六種常規石油管道檢測技術在現役隔水導管水下部分腐蝕檢測中的應用受到制約，而超聲導波檢測技術和飽和低頻渦流檢測技術可應用于現役隔水導管腐蝕檢測中，但亦有其局限性，超聲導波檢測技術無法穿越螺紋連接，飽和低頻渦流檢測技術無法自行穿越隔水導管導向扶正孔。

（2）室內試驗表明，MsS長距離低頻超聲導波技術可以檢測出腐蝕面積占管材橫截面積2.5%以上的腐蝕缺陷，且距離誤差率低，可應用到現役隔水導管腐蝕檢測中。

（3）建議在現役隔水導管腐蝕最為嚴重的飛濺區和潮差區，采用MsS長距離低頻超聲導波技術進行檢測。