基于內檢測數據的天然氣管道腐蝕缺陷評價

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。管道所處環境、陰極保護問題、殘余應力等可造成管道外腐蝕,輸送介質的污染、腐蝕性等可造成管道內腐蝕。根據歐洲天然氣管道事故數據組織(EGIG)的報告[1],2010—2019年歐洲由于腐蝕發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。

漏磁內檢測通過漏磁原理,將內檢測器置于管道中,通過管道內流體驅動,可實現不停輸的管道檢測。漏磁內檢測速度快,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]。漏磁內檢測可采集到管道腐蝕處的長度、寬度及深度等數據,通過ID/OD探頭可以識別出內腐蝕或外腐蝕。

基于內檢測數據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。根據采集到的數據及腐蝕評價模型,可判定現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節的分析方法,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據采集、內檢測數據統計與分析、腐蝕缺陷剩余強度評價、維修決策。

1.1 數據采集

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

1)管道的基本信息,通過資料收集取得,包括管道的規格、材質、設計參數、管道分段情況、高后果區、運行數據、維修情況等。

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

3)IMU數據:通過管道內檢測取得,包括管道的高程及坐標。

1.2 內檢測數據統計與分析

通過對內檢測數據進行歸類與比較,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,若出現點蝕或針孔,可能為腐蝕缺陷,若出現溝紋或溝槽,可能是機械劃傷[3]。金屬損失類型的定義參考《鋼質管道內檢測技術規范》(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,可對缺陷的高程數據進行分析,掌握地形及管道走向對腐蝕的影響。

1.3 腐蝕缺陷剩余強度評價

剩余強度評價是根據已采集的腐蝕缺陷數據,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。

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NG-18未穿透缺陷的評價公式轉化而來,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域面積的大小,比改進的B31G方法更為準確[6]。國內標準SY/T 6151—2009采用RSTRENG的屈服強度計算公式,在國內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;M為鼓脹系數;σs為最小屈服強度,MPa;D為管道公稱外徑,mm;d為實測腐蝕區域最大腐蝕坑深度,mm;t為管道公稱壁厚,mm;Lm為腐蝕區域縱向投影長度,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,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1.3節所述方法,可根據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兩次檢測數據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,2021年進行全線幾何檢測及漏磁內檢測。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,設計系數為0.4。

2.2 內檢測數據分析與統計

根據幾何檢測及漏磁內檢測,此管道含環焊縫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、外壁腐蝕較平均,外壁腐蝕稍多。

腐蝕缺陷數目、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。

圖1 腐蝕缺陷數目沿檢測里程分布圖

從圖1可以看出,1 km內、3～4 km內、29～30 km內,檢測出較多腐蝕缺陷,其中1 km內出現的腐蝕缺陷最多。對于腐蝕缺陷較集中的區段,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不到位,也可能是管道所處地形問題導致腐蝕介質濃度較大。

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的內腐蝕缺陷,從此段管道的高程數據可以看出,此部分為低洼處,這里較大長度的內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段,可結合管道高程進行數據分析,從而判斷管道的腐蝕情況。本文所檢管道在1 km內腐蝕缺陷較多,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段易出現腐蝕點,因此需重點關注這些區段,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,腐蝕數據點均在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

由于此次內檢測為此段管道投產后的首次內檢測,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,得出內腐蝕最大增長速率為0.52 mm/a,內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、外腐蝕均以最大速率增長,第13年開始出現ERF值大于1的點,內腐蝕有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年內進行計劃維修。

3 結論

1)對以內檢測數據為基礎的腐蝕缺陷評價流程與方法進行了梳理與應用,對數據采集、數據分析與統計、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,避免發生管段失效。