基于PLAPLus的柴北緣輸氣管道完整性評價

賀煥婷* 李本全 惠賢斌 楊藝 卜乾羅小虎 何鵬程 李程 張玉香 馬文靜

（1.中國石油青海油田分公司鉆采工藝研究院；2.中國石油青海油田分公司鉆采工藝處；3.中國石油西氣東輸管道公司企業(yè)文化處）

0 引言

長期運行的輸氣管道受內(nèi)外環(huán)境條件變化影響產(chǎn)生管壁腐蝕，腐蝕缺陷的存在會降低管道安全運行的可靠性。為了準確判斷管道能否在規(guī)定的運行條件下正常運行，避免輸氣管道安全事故的發(fā)生，必須對管道進行完整性評價。通過管道完整性評價，可掌握管體缺陷情況，采取針對性的修復措施，保障管道的運行安全。

柴北緣輸氣管道應(yīng)用了PIAPlus（管道完整性評價軟件）進行了完整性評價。通過監(jiān)測、檢測、檢驗等方法，獲取管道完整性的信息，與專業(yè)管理相結(jié)合制定了相應(yīng)的風險控制對策（對管道缺陷響應(yīng)），從而將管道運行的風險控制在合理的、可接受的范圍內(nèi)，最終達到持續(xù)改進、減少和預防管道事故發(fā)生、經(jīng)濟合理地保證管道安全運行的目的。

1 PIAPlus軟件簡介及管道概況

PIAPlus為管道科技中心以Microsoft Visual C為工具研發(fā)的管道完整性評價軟件。軟件采用了文本數(shù)據(jù)批量入庫、二進制文件緩存數(shù)據(jù)、線程序列和WPF等技術(shù)，將管道檢測數(shù)據(jù)按照腐蝕缺陷、制造缺陷、凹陷、環(huán)焊縫缺陷、螺旋焊縫缺陷等特征進行分類，統(tǒng)計分析不同缺陷沿管道里程、時鐘方位、缺陷深度、缺陷長度、缺陷寬度的分布規(guī)律［1］，使管道上的缺陷分布更直觀，定位更準確。軟件中制造缺陷評價采用了SHANNON方法，焊縫缺陷評價采用了BS 7910—2013《金屬結(jié)構(gòu)裂紋驗收評定方法指南》中基于塑性破壞和脆性斷裂雙判據(jù)失效評估圖方法，金屬腐蝕缺陷評價采用了Rstreng 0.85dL方法（改進的ASME B31G標準），凹陷評價采用了SY/T 6996—2014《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價方法》。

柴北緣輸氣管線于2013年11月建成投產(chǎn)。管道起點牛東試采站，終點澀北5號集氣脫水站，全長215.6 km，管徑為660 mm。管線采用L415螺旋焊縫管，彎頭最小曲率半徑6D，壁厚為7.1 mm。管道設(shè)計壓力為6.3 MPa，最大操作壓力4.75 MPa。柴北緣輸氣管線共設(shè)截斷閥室4座，陰極保護站3座，全線采用3PE防腐層。管道沿線穿越4級公路1次、3級公路1次、廢棄的老G315國道1次、油田瀝青主干道1次、簡易通車道路28次，穿越地下管道12次，穿越地下光（電）纜9次。穿越處均有套管，里程樁間隔為1 km。

2 完整性評價

管道完整性評價方法之一的內(nèi)檢測評價法是通過管道漏磁內(nèi)檢測器檢測出管道中存在的腐蝕缺陷。柴北緣輸氣管道內(nèi)檢測采用了Φ660高清晰度漏磁檢測器。檢測器漏磁通道數(shù)量315，通道間隔2.6 mm，軸向采樣速率3.33 mm/次，滿足GB/T 27699—2011《鋼制管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》高清晰度漏磁檢測器技術(shù)指標要求。內(nèi)檢測技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 Φ660檢測器技術(shù)參數(shù)

2.1 2015年和2016年漏磁檢測缺陷統(tǒng)計

2.1.1 缺陷數(shù)量對比

柴北緣輸氣管線于2015年和2016年進行了兩次漏磁內(nèi)檢測。2015年第一次漏磁內(nèi)檢測共報告缺陷1 168處，其中外部金屬損失359處，內(nèi)部金屬損失809處，均為金屬損失，最深達到壁厚的23.1%。2016年第二次內(nèi)檢測共報告1 616處管道缺陷，除金屬損失1 507處外，還有環(huán)焊縫缺陷23處，螺旋縫缺陷48處、凹陷38處。金屬損失包括內(nèi)部金屬損失1 316處（最深達到19.6%壁厚）、外部金屬損178處（最深達到23.2%壁厚）、制造缺陷13處。

2.1.2 缺陷深度對比及驗證

在金屬損失程度方面，柴北緣輸氣管道第一次內(nèi)檢測出位于125#測試樁處的最大金屬損失程度為壁厚的23.1%。通過開挖125#測試樁，驗證出同一根管節(jié)位置上共有兩處材質(zhì)不連續(xù)缺陷。業(yè)主對這兩處材質(zhì)不連續(xù)缺陷采用單向炭纖維布進行了修復補強。在第二次內(nèi)檢測時，這兩處缺陷也同樣被檢測到，檢測出最大金屬損失程度為壁厚的23.2%。比對兩次檢測結(jié)果，125#測試樁兩處材質(zhì)不連續(xù)缺陷未見增加。兩次內(nèi)檢測報告缺陷在不同深度下的個數(shù)統(tǒng)計見表2。

表2 兩次檢測結(jié)果金屬損失深度統(tǒng)計表

為了更準確表征2015年、2016年內(nèi)檢測時間間隔內(nèi)柴北緣輸氣管道腐蝕的變化情況，將兩次內(nèi)檢測金屬損失對齊點的檢測結(jié)果進行對比，統(tǒng)計對比結(jié)果見圖1。從圖中可以看出，2015年第一次內(nèi)檢測的金屬損失程度與2016年第二次內(nèi)檢測的金屬損失程度百分比基本一致。由于漏磁檢測機理限制，兩次評估之間會有±10%的誤差［2］。兩次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對比可見：金屬損失深度未見明顯增長。

圖1 兩次內(nèi)檢測金屬損失程度對比曲線圖

2.2 缺陷分布規(guī)律分析

柴北緣輸氣管道第二次內(nèi)檢測缺陷數(shù)量較第一次內(nèi)檢測缺陷數(shù)量多，依據(jù)第二次內(nèi)檢測缺陷數(shù)量進行分布規(guī)律分析。

2.2.1 金屬損失缺陷分布規(guī)律

柴北緣輸氣管道第二次內(nèi)檢測共報告金屬損失類缺陷1 507處，其中外部金屬損失178處、內(nèi)部金屬損失1 316處，制造缺陷13處。金屬損失缺陷沿里程分布密度平均為7處/km，以每100 m報告的金屬損失缺陷數(shù)目沿檢測里程分布圖見圖2。

圖2 金屬損失缺陷數(shù)目沿檢測里程分布圖

從圖中可以看出在檢測里程105.60 km處，缺陷數(shù)量最多，為24處/百米，在159.80 km、159.10 km、142.50 km、22.40 km處缺陷數(shù)量分別為19處/百米、14處/百米、12處/百米、11處/百米。經(jīng)調(diào)查，有5處管節(jié)的金屬損失數(shù)量較多，分別位于105.64 km、159.82 km、159.07 km、142.55 km、22.44 km，金屬損失數(shù)量為21處/管節(jié)、14處/管節(jié)、13處/管節(jié)、10處/管節(jié)、9處/管節(jié)。其他位置整體分布較為分散。

2.2.2 焊縫缺陷分布規(guī)律

第二次檢測管段共報告環(huán)焊縫缺陷23處、螺旋焊縫缺陷48處，以每百米報告的焊縫缺陷數(shù)目沿檢測里程進行分布，環(huán)焊縫缺陷深度里程分布見圖3，螺旋焊縫缺陷深度里程分布見圖4。

圖3 環(huán)焊縫缺陷深度里程分布圖

圖4 螺旋焊縫缺陷深度里程分布圖

由圖中可見，環(huán)焊縫缺陷在125 km后分布較多，無明顯規(guī)律。環(huán)焊縫缺陷深度集中分布在10%～30%壁厚之間，深度大于20%壁厚的缺陷有7處。螺旋焊縫缺陷深度集中分布在10%～20%壁厚之間，深度大于20%壁厚的缺陷有6處。

2.2.3 凹陷分布規(guī)律

本次檢測該段管道共報告凹陷38處，并由幾何內(nèi)檢測進行深度尺寸量化，其沿里程的分布見圖5。

圖5 凹陷沿時鐘位置和檢測里程分布圖

從圖中看出，凹陷相對集中在管道里程28 km至101.3 km范圍之內(nèi)，該管道的底部凹陷較多且大多分布在時鐘方位6～7點的管道下半部分。

2.3 金屬損失的完整性評價

2.3.1 制造缺陷的完整性評價

第二次內(nèi)檢測共報告13處制造缺陷，采用SHANNON方法進行評價。評價中最低屈服強度SMYS取415 MPa，指定溫度下極限抗拉強度SMTS取520 MPa。最大允許運行壓力按照6.3 MPa計算，安全系數(shù)取1.39后的壓力為8.76 MPa，管壁厚7.1 mm。圖6為采用PIAPlus軟件中按SHANNON修正評價方法給出的制造缺陷的評價結(jié)果［3］。根據(jù)評價結(jié)果和響應(yīng)準則，該管道需要響應(yīng)的制造缺陷有3處。分別位于管道的1 290.90 m、55 353.80 m和55 359.30 m處。

圖6 壁厚7.1 mm管道按制造缺陷評價結(jié)果

通過開挖驗證，1 290.90 m處的制造缺陷處防腐層未見破損，有一處約3 500 mm×1 000 mm長條狀金屬損失，幾何形狀沿著螺旋焊縫周邊規(guī)則延伸，管體表面有明顯壓痕，壓痕處最小剩余壁厚5.80 mm，管體周圍正常壁厚7.1 mm。具體情況見圖7。

圖7 1 290.90 m處制造缺陷開挖驗證結(jié)果

2.3.2 金屬腐蝕的完整性評價

金屬腐蝕的完整性評價可依據(jù)腐蝕增長速率來預測腐蝕缺陷的發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，及時響應(yīng)并決定再檢測周期。目前，最普遍的預測腐蝕增長率的方法是通過對比兩組近些年內(nèi)檢測的數(shù)據(jù)，計算全部腐蝕缺陷各自的腐蝕增長率，以此獲得最大增長速率、平均增長速率和增長速率的標準差。由于有些數(shù)據(jù)的不確定性，出于保守考慮，以腐蝕速率平均值與標準差之和作為腐蝕速率邊界值。當腐蝕點自身腐蝕速率≤邊界值時，以邊界值作為該腐蝕點選定的腐蝕速率；當腐蝕點自身腐蝕速率＞邊界值時，以自身腐蝕速率作為該腐蝕點選定的腐蝕速率［4-5］。全壽命腐蝕增長速率、半壽命腐蝕增長速率和腐蝕增長速率邊界值均可根據(jù)兩次檢測的腐蝕深度經(jīng)計算得出。

（1）按投產(chǎn)后的全壽命周期，對管道腐蝕增長速率的估算結(jié)果見圖8及表3。從圖表可知柴北緣輸氣管道的內(nèi)、外腐蝕平均增長速率為0.157 mm/a、0.168 mm/a，最大外腐蝕增長速率為0.549 mm/a。

（2）將腐蝕正增長點按照兩次內(nèi)檢測時間間隔一年計算，柴北緣輸氣管道的內(nèi)腐蝕平均增長速率為0.127 mm/a，外腐蝕平均增長速率為0.101 mm/a，最大內(nèi)腐蝕增長速率為0.230 mm/a。

圖8 按投產(chǎn)后全壽命周期對腐蝕缺陷增長速率的估算結(jié)果

表3 腐蝕缺陷增長速率計算結(jié)果

表4為兩種途徑估算的管道平均腐蝕速率對比結(jié)果。從表中可見：按投產(chǎn)后的全壽命周期計算的管道腐蝕率較高。出于保守考慮，按投產(chǎn)后的全壽命周期計算腐蝕率。

表4 兩種途徑估算的管道平均腐蝕速率對比

對于腐蝕缺陷剩余強度評價，國際上有較多成熟的評價標準，SY/T 6151—2009《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價方法》中RSTRENG 0.85dL的評價方法使用最為廣泛。根據(jù)該評價方法和缺陷分類規(guī)則對腐蝕缺陷進行剩余強度計算和分級排序。圖9為PIAPlus軟件中按RSTRENG 0.85dL評價方法給出的所有腐蝕缺陷特征的評價結(jié)果，由于無深度≥70%壁厚的腐蝕缺陷，不需要立即響應(yīng)。

圖9 壁厚7.1 mm管道按腐蝕缺陷評價結(jié)果

2.4 焊縫缺陷的完整性評價

2.4.1 環(huán)焊縫缺陷的完整性評價

第二次內(nèi)檢測共報告23處環(huán)焊縫缺陷。按BS 7910—2013《金屬結(jié)構(gòu)裂紋驗收評定方法指南》對23處環(huán)焊縫缺陷進行了評價。計算中，將環(huán)焊縫缺陷作為環(huán)向裂紋處理，SMYS取415 MPa，SMTS取520 MPa。最大允許運行壓力按6.3 MPa計算。焊接殘余應(yīng)力按保守值取415 MPa。環(huán)焊縫夏比沖擊功參考CDP-S-NGP-PL-006-2014-3《天然氣管道工程鋼管技術(shù)規(guī)格書》中關(guān)于止裂要求的相關(guān)內(nèi)容，取單個試樣最小值為30 J［6］。圖10為按此評價方法給出的環(huán)焊縫缺陷的評價結(jié)果。

圖10 環(huán)焊縫缺陷評價結(jié)果

圖中Lr為載荷條件（管道內(nèi)壓）與塑性屈服的載荷比，表示裂紋結(jié)構(gòu)接近塑性屈服程度的度量，Kr為應(yīng)力強度因子與材料斷裂韌性的比值，表示接近斷裂失效程度的度量。圖中可見環(huán)焊縫缺陷均在安全區(qū)域，沒有需要立即響應(yīng)的要求。

對異常的12.955 km及151.731 km處的環(huán)焊縫進行了開挖驗證。

12.955 km處管道開挖結(jié)果為：該處焊口存在焊縫內(nèi)凹缺陷，有一處約20 mm×37 mm的外壁焊縫金屬損失點，最深處1.2 mm，管體周圍正常壁厚7.0 mm。該處環(huán)焊縫缺陷開挖后尚未進行無損檢測，目視檢測該焊縫外表面存在弧坑，不能判斷該環(huán)焊縫缺陷內(nèi)部是否存在裂紋、氣孔、夾渣等，為排除弧坑裂紋風險，建議對該處環(huán)焊縫缺陷開挖后進行無損檢測，根據(jù)無損檢測結(jié)果選擇是否需要修復，具體現(xiàn)場開挖情況見圖11。

圖11 12.955 km處環(huán)焊縫缺陷開挖驗證結(jié)果

151.731 km處現(xiàn)場開挖情況見圖12。開挖結(jié)果為：該處管道環(huán)焊縫焊口存在焊縫余高，測量余高為0.15 mm；環(huán)焊縫整口存在埋藏缺陷，埋深8.1 mm；緊靠焊縫兩側(cè)有內(nèi)壁金屬損失，從9.0～10.68 mm不等，最嚴重處剩余壁厚8.97 mm，管體周圍正常壁厚11.25 mm；該焊縫缺陷環(huán)向長度為1 015 mm。

圖12 151.731 km處環(huán)焊縫缺陷開挖驗證結(jié)果

考慮到長度尺寸較大，根據(jù)響應(yīng)準則及評價結(jié)果，確定柴北緣輸氣管道需要響應(yīng)的環(huán)焊縫缺陷2處，建議對該環(huán)焊縫缺陷進行驗證并修復。

2.4.2 螺旋焊縫的完整性評價

本次檢測該段共報告48處螺旋焊縫缺陷，通過BS 7910: 2013評價方法1將螺旋焊縫缺陷作為裂紋型缺陷進行評價。評價結(jié)果如圖13所示，48處螺旋焊縫缺陷均位于可接受范圍。

圖13 螺旋焊縫缺陷評價結(jié)果曲線圖

對118.967 km處螺旋焊縫缺陷開挖驗證結(jié)果表明：管道螺旋焊縫在時鐘11:10處焊縫余高0.15 mm，正常余高3.15 mm；管道螺旋焊縫在時鐘11:14處，焊縫上有埋藏缺陷，埋深5.2 mm；緊靠螺旋焊縫兩側(cè)有金屬損失，長度約110 mm的內(nèi)壁金屬損失從6.1～6.8 mm不等，最嚴重處剩余壁厚5.49 mm，管體周圍正常壁厚7.1 mm。現(xiàn)場開挖情況見圖14。根據(jù)響應(yīng)準則及評價結(jié)果，建議對該處螺旋焊縫缺陷進行立即修復。

圖14 118.967 km處螺旋焊縫缺陷開挖檢測結(jié)果

2.5 凹陷的完整性評價

凹陷定義為使管壁的曲率產(chǎn)生顯著擾動的凹進，一般是由于接觸外物導致管壁塑性變形而引起的。凹陷深度定義為管道直徑相比于原始直徑的最大減小量（即名義直徑減去最小直徑）。本次檢測共報告38處凹陷特征，通過對內(nèi)檢測報告的所有凹陷進行逐一核對排查，凹陷最深的為5% OD，位于93.72 km處。38處凹陷均未處在焊縫上，且均未伴有金屬損失。凹陷對管道運行安全的影響等級按照SY/T 6996—2014《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價方法》評價，柴北緣輸氣管道未出現(xiàn)需要響應(yīng)的凹陷［7］。

3 結(jié)論及建議

通過評價，柴北緣輸氣管道無需進行降壓運行。建議立即響應(yīng)6處缺陷，其中制造缺陷3處，環(huán)焊縫缺陷驗證1處，修復1處，螺旋焊縫修復1處。為確定腐蝕、焊縫缺陷和管體凹陷的狀態(tài)，建議運行方根據(jù)自身實際情況在2022年底前再次進行漏磁內(nèi)檢測。

通過兩次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對比和缺陷對齊，發(fā)現(xiàn)部分金屬腐蝕缺陷點腐蝕速率較大，建議重點監(jiān)測，以降低風險。完整性評價為基于內(nèi)檢測報告的缺陷（特征）開展評價，受內(nèi)檢測數(shù)據(jù)精度，置信度的限制，可能與實際情況存在一定的偏差，在應(yīng)用過程中還需要根據(jù)開挖驗證和修復的實際情況進行修正。且在條件允許的情況下缺陷宜盡早響應(yīng)，以減緩風險。