集輸管線(xiàn)腐蝕檢測(cè)與安全性分析

摘 要

集輸管線(xiàn)腐蝕檢測(cè)與安全性分析　　　　　　——以鄂爾多斯盆地靖邊氣田為例摘 要：鄂爾多斯盆地靖邊氣田于1997年建成投產(chǎn)，天然氣中攜帶H2S、CO2等酸性氣體及高礦化

集輸管線(xiàn)腐蝕檢測(cè)與安全性分析

　　　　　　——以鄂爾多斯盆地靖邊氣田為例

摘  要：鄂爾多斯盆地靖邊氣田于1997年建成投產(chǎn)，天然氣中攜帶H2S、CO2等酸性氣體及高礦化度地層水等腐蝕性介質(zhì)。為確保集輸管線(xiàn)的安全運(yùn)行，近年來(lái)，利用外腐蝕檢測(cè)技術(shù)、取樣分析檢測(cè)技術(shù)和智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)集輸天然氣管線(xiàn)開(kāi)展了腐蝕檢測(cè)作業(yè)。檢測(cè)結(jié)果表明，該氣田集氣干線(xiàn)腐蝕速率為0.06～O.103mm／a，集氣支線(xiàn)腐蝕速率為0.08～0.127mm／a，集輸管線(xiàn)陰極保護(hù)效果及管道外防腐層質(zhì)量較好，管道腐蝕較輕，均能通過(guò)安全評(píng)定，不影響管線(xiàn)的正常運(yùn)行。同時(shí)，運(yùn)用修正的B3lG準(zhǔn)則、Shell92法、GB50251、Newton-Raphson公式等安全性分析與評(píng)價(jià)方法對(duì)檢測(cè)管線(xiàn)進(jìn)行了安全性分析，結(jié)果表明，集氣干線(xiàn)、支線(xiàn)最小失效壓力分別為12.5MPa、8.53MPa，均高于管線(xiàn)的工作壓力5.0MPa，集輸管線(xiàn)服役狀態(tài)良好，運(yùn)行安全。該檢測(cè)與分析結(jié)果，為靖邊氣田集輸管線(xiàn)的安全管理提供了保障。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地  靖邊氣田  天然氣管線(xiàn)  腐蝕檢測(cè)  取樣分析  智能漏磁  安全性分析

Corrosion detection and safety evaluation&analysis of flow and transport lines：A case study from the Jingbian Gas Field，Ordos Basin

Abstract：Corrosive media like H2S(69lmg／m3 on average)，CO2(5％)，etc．，and high salt water have been carried with the natural gas produced from the Jingbian Gas Field，Ordos Basin，which was put into production in l997．Therefore，it is quite essential to prevent and control the corrosion in the flow and transport lines in this field．In recent years，external corrosion detection，sample analysis，and internal corrosion detection by use of the intelligent magnetic flux leakage(MFL)tools have been adopted to insPect different pipelines in this field．The results show that the corrosion rates of arterial flow lines are 0.06-0.103mm per year，while those of branch lines are 0.08-0.127mm per year；a better quality is found in those lines with the cathodic Drotection and external coating protection；the corrosion degree is so light that those lines can all go through safety assessment and be kept under normal operation．Meanwhile，safety evaluation and analysis have been made of the inspected lines by use of the Shell 92，ASME B31G(the modified version)，and GB50251 guidelines as well as the Newton Raphson formula．The results show that the minimum failurepressure of arterial and branch lines is l2.5 and 8.53MPa respectively，which are both higher than the working pressure of 5.0MPa；and the lines in this field are all kept in good service．This study provides guarantee for safety management of flow and transport lines in the Jingbian Gas Field．

Key words：Ordos Basin，Jingbian Gas Field，natural gas pipeline，corrosion detection，sampling analysis，intelligent magnetic fluxleakage(MFL)，ASME B31G，Shell 92，safety analysis

鄂爾多斯盆地靖邊氣田于1997年建成投產(chǎn)，天然氣中攜帶H2S、CO2等酸性氣體及高礦化度地層水等腐蝕性介質(zhì)，H2S含量平均為69169lmg／m3, CO2為5％[1]，形成類(lèi)似原電池的電化學(xué)反應(yīng)和破壞金屬晶格的化學(xué)反應(yīng)，容易對(duì)集氣支、干線(xiàn)產(chǎn)生腐蝕。為掌握靖邊氣田集輸管線(xiàn)的腐蝕狀況以及服役狀態(tài)，近年來(lái)，通過(guò)利用取樣檢測(cè)、不停輸智能清管內(nèi)腐蝕檢測(cè)及外腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)部分集輸管線(xiàn)開(kāi)展了腐蝕檢測(cè)作業(yè)，并運(yùn)用修正的B31G準(zhǔn)則[2]、Shell92方法、GB50251[3]、Newton-Raphson等安全性分析與評(píng)價(jià)方法對(duì)靖邊氣田集輸管線(xiàn)的安全性進(jìn)行了分析。

1　集輸管線(xiàn)腐蝕檢測(cè)技術(shù)

1．1　外腐蝕檢測(cè)技術(shù)

靖邊氣田主要采用外腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)集輸管線(xiàn)開(kāi)展腐蝕環(huán)境、腐蝕速率、陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效果、防腐層質(zhì)量等方面內(nèi)容的進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)埋地鋼質(zhì)管道外覆蓋層質(zhì)量、陰極保護(hù)效果以及管體腐蝕狀況進(jìn)行有效評(píng)價(jià)[4-5]。

檢測(cè)思路如圖1所示。

 

1．2　內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)

靖邊氣田主要采用取樣分析檢測(cè)和智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)開(kāi)展管線(xiàn)內(nèi)腐蝕檢測(cè)工作，檢測(cè)思路如圖2所示。

 

2　集氣干線(xiàn)腐蝕檢測(cè)

為了解集氣干線(xiàn)的腐蝕情況及腐蝕防護(hù)措施運(yùn)行效果，靖邊氣田對(duì)9條干線(xiàn)進(jìn)行了外腐蝕檢測(cè)，對(duì)3條集氣干線(xiàn)進(jìn)行了內(nèi)腐蝕檢測(cè)。

2．1　外腐蝕檢測(cè)情況

靖邊氣田集氣干線(xiàn)外腐蝕檢測(cè)結(jié)果表明：

1)利用土壤腐蝕速率測(cè)試儀CR-6測(cè)得干線(xiàn)周?chē)寥栏g速率為0.015～0.02mm／a，根據(jù)GB／T21447-2008[4]中土壤腐蝕性分級(jí)劃分依據(jù)，干線(xiàn)周?chē)寥栏g性屬于較輕等級(jí)。

2)干線(xiàn)防腐層優(yōu)良率在90％以上。

3)干線(xiàn)陰極保護(hù)0FF電位在-1200～-850mV之間，達(dá)到行業(yè)規(guī)定要求。

4)干線(xiàn)管壁平均速率為0.06～0.103mm／a，根據(jù)SY／T0087.1-2006以及NACE標(biāo)準(zhǔn)RP-0775-2005對(duì)腐蝕程度的規(guī)定，屬輕微腐蝕。

2．2　內(nèi)腐蝕檢測(cè)

2．2．1取樣分析檢測(cè)

為了解集輸管線(xiàn)內(nèi)部腐蝕情況，根據(jù)集氣干線(xiàn)的運(yùn)行年限、介質(zhì)條件及運(yùn)行管理情況，對(duì)l號(hào)干線(xiàn)4處管樣、2號(hào)干線(xiàn)1處管樣進(jìn)行了取樣分析檢測(cè)。

2．2．1．1腐蝕速率測(cè)試

5段集氣干線(xiàn)管樣內(nèi)腐蝕速率檢測(cè)結(jié)果表明，集氣干線(xiàn)內(nèi)壁腐蝕以均勻腐蝕為主，腐蝕速率為0.03～0.1mm／a，腐蝕較重部位發(fā)生在管線(xiàn)積液處。

2．2．1．2材質(zhì)機(jī)械性能測(cè)試

為檢驗(yàn)集氣干線(xiàn)長(zhǎng)期服役后的材料機(jī)械性能，對(duì)管線(xiàn)試樣進(jìn)行了屈服強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表l。

 

試驗(yàn)結(jié)果表明，4組管材屈服強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)平均值為418.8MPa，積液處母材的軸向屈服強(qiáng)度最低值為320MPa，小于X52鋼規(guī)定的最低值358MPa，相比下降了10.6％，說(shuō)明管道經(jīng)長(zhǎng)期服役后材料韌性下降[6]。

2．2．1．3金相組織分析

金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，根據(jù)定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來(lái)確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系[7]。

1號(hào)、2號(hào)干線(xiàn)的管線(xiàn)材質(zhì)為X52鋼。金相組織主要是細(xì)小樹(shù)枝狀鐵素體和少量珠光體。對(duì)1號(hào)干線(xiàn)管線(xiàn)樣品金相組織進(jìn)行觀察認(rèn)為屬于鐵素體類(lèi)型鋼，金屬結(jié)晶均勻。熱影響區(qū)的組織經(jīng)過(guò)了重結(jié)晶，鐵素體以塊狀為主，基體上分布著少量塊狀珠光體。

2．2．1．4氫致裂紋測(cè)試

天然氣中的水附著于管線(xiàn)內(nèi)表面，H2S在水中發(fā)生電解，生成離子狀態(tài)的H+和HS-，與Fe反應(yīng)生成H原子和FeS?？偡磻?yīng)式如下：

H2S+Fe®FeS+2H（原子）

由于H原子體積很小，容易向鋼中擴(kuò)散，H2S的氣體分壓越大，H原子的擴(kuò)散量就越大。H原子首先聚集在金屬雜物、氣孔及偏析中，聚集的H原子變成H分子，體積成倍增大，聚集處的壓力也隨之增大。由于H原子的不斷深入，H分子壓力不斷增加，當(dāng)壓力超過(guò)金屬起裂條件時(shí)，就會(huì)引發(fā)裂紋[8]。

從1號(hào)干線(xiàn)的管線(xiàn)母材樣品上截取多個(gè)母材的矩形試樣，表面制備成金相試樣，在金相顯微鏡下對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行多視域的連續(xù)觀察，結(jié)果表明，所有試樣表面上沒(méi)有觀察到連續(xù)的氫致開(kāi)裂(HIC)，集液處母材表面有兩處輕微的氫致開(kāi)裂。

2．2．1．5疲勞腐蝕實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

1號(hào)干線(xiàn)試樣裂紋萌生、擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果表明，縱焊縫與母材交界處存在由于應(yīng)力腐蝕(SCC)產(chǎn)生的裂紋。裂紋具有沿縱深兩個(gè)方向擴(kuò)展、開(kāi)口處寬、腐蝕嚴(yán)重、穿晶型等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)正是管線(xiàn)在近中性pH值環(huán)境應(yīng)力腐蝕裂紋的一般特征。試樣上呈裂紋狀的腐蝕紋可能是應(yīng)力腐蝕裂紋。

由結(jié)果看出，X52鋼熱影響區(qū)和母材對(duì)SCC的敏感性大于焊縫。由試驗(yàn)證明了管線(xiàn)鋼在干濕交替、多孔的涂層下，溶液誘發(fā)近中性pH值環(huán)境的SCC。

2．2．2智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)

2．2．2．1檢測(cè)原理

智能漏磁內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)采用磁感應(yīng)原理：是根據(jù)鋼管被永久磁鐵磁化后，當(dāng)鋼管中無(wú)缺陷時(shí)，磁力線(xiàn)絕大部分通過(guò)鋼管；當(dāng)管壁變薄，管內(nèi)、外壁局部被磨損，有腐蝕坑、凹坑、通孔和裂紋等缺陷時(shí)，鋼管缺陷處的磁阻變大，聚集在管壁的部分磁通向外擴(kuò)張，磁力線(xiàn)發(fā)生彎曲并且有一部分磁力線(xiàn)泄漏出鋼管表面，用磁感應(yīng)元件在鋼管表面相對(duì)切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電信號(hào)的特征提取來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量分析[9]。

檢測(cè)過(guò)程中，內(nèi)壁漏磁信號(hào)檢測(cè)探頭(ID)和外壁漏磁信號(hào)(OD)探頭能夠區(qū)分管道內(nèi)壁和外壁金屬損失缺陷，里程輪系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄管道里程信息。地面標(biāo)記系統(tǒng)記錄檢測(cè)器通過(guò)設(shè)標(biāo)點(diǎn)上方的準(zhǔn)確時(shí)間，結(jié)合所采集的管道里程信息精確確定管道缺陷所在管道的里程位置，同時(shí)周向傳感器能夠確定缺陷所在管道的周向位置，如圖3所示。

 

2．2．2．2智能漏磁檢測(cè)情況

靖邊氣田采用高清晰智能漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)3號(hào)干線(xiàn)進(jìn)行了不停輸內(nèi)腐蝕檢測(cè)。具體施工流程如圖4所示。

 

為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，要求檢測(cè)儀器在檢測(cè)過(guò)程中的運(yùn)行速度為0.2～4m／s之間的某一定值，本次監(jiān)測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)儀器的平均運(yùn)行速率為1.3m／s，且儀器運(yùn)行平穩(wěn)，保證了檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和有效性，結(jié)果表明：

1)3號(hào)干線(xiàn)整體質(zhì)量良好，腐蝕情況較輕。

2)3號(hào)干線(xiàn)內(nèi)部金屬損失情況較輕微，不影響管線(xiàn)安全運(yùn)行。

3)3號(hào)干線(xiàn)全管段無(wú)明顯變形情況。

3　集氣支線(xiàn)腐蝕檢測(cè)

為了解集氣支線(xiàn)的腐蝕情況及腐蝕防護(hù)措施運(yùn)行效果，對(duì)氣田l8條集氣支線(xiàn)進(jìn)行了21條次外腐蝕檢測(cè)，同時(shí)對(duì)兩條集氣支線(xiàn)進(jìn)行了取樣分析檢測(cè)。

3．1　集氣支線(xiàn)外腐蝕檢測(cè)

靖邊氣田集氣支線(xiàn)外腐蝕檢測(cè)結(jié)果顯示：

1)利用土壤腐蝕速率測(cè)試儀CR-6測(cè)得靖邊氣田集氣支線(xiàn)周?chē)寥栏g速率為0.01～0.05mm／a，根據(jù)GB／T21447-2008中土壤腐蝕性分級(jí)劃分依據(jù)，判定土壤腐蝕性屬于較輕等級(jí)。

2)集氣支線(xiàn)防腐層優(yōu)良率在85％以上。

3)集氣支線(xiàn)陰極保護(hù)0FF電位為-1200～-850mV之間，達(dá)到行業(yè)規(guī)定要求。

4)集氣支線(xiàn)管壁平均速率為0.08～0.127mm／a，根據(jù)SY／T0087.1-2006以及NACE標(biāo)準(zhǔn)RP0775-2005對(duì)腐蝕程度的規(guī)定，屬輕微腐蝕。

3．2　集氣支線(xiàn)內(nèi)腐蝕檢測(cè)

根據(jù)管線(xiàn)的投運(yùn)年限、介質(zhì)條件及日常管理情況，對(duì)5、6號(hào)兩條支線(xiàn)的兩處管樣進(jìn)行了取樣分析檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括腐蝕速率、材質(zhì)拉伸試驗(yàn)、金相組織分析、氫致裂紋測(cè)試等。

3．2．1腐蝕速率檢測(cè)

管樣內(nèi)腐蝕速率檢測(cè)結(jié)果表明，5號(hào)、6號(hào)兩條支線(xiàn)的取樣管段腐蝕速率為0.05～0.15mm／a，由于沖刷作用，使略有彎曲的前者平均腐蝕速率大于后者。

3．2．2拉伸試驗(yàn)

為檢驗(yàn)集氣支線(xiàn)材質(zhì)的機(jī)械性能，分別對(duì)5號(hào)支線(xiàn)和6號(hào)支線(xiàn)的母材及焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

 

從試驗(yàn)結(jié)果看出，母材的屈服極限明顯的低于焊縫，特別是6號(hào)支線(xiàn)的母材最小屈服極限(192MPa)已低于有關(guān)規(guī)定的最小值。

3．2．3金相組織分析

金相分析結(jié)果顯示，5號(hào)、6號(hào)支線(xiàn)樣品焊縫、熱影響區(qū)和母材的組織屬于鐵素體+珠光體型組織，焊縫是粗大的樹(shù)枝狀結(jié)晶，熱影響區(qū)由粗品區(qū)過(guò)渡到細(xì)晶區(qū)，母材是等軸狀鐵素體加少量珠光體。屬于正常20號(hào)鋼母材、熱影響區(qū)和焊縫組織。

3．2．4氫致裂紋測(cè)試

經(jīng)過(guò)對(duì)5號(hào)支線(xiàn)母材和焊縫，多視域的檢查HIC，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷續(xù)分布的HIC。但是試樣經(jīng)過(guò)NACE溶液浸泡21天以后，HIC傾向明顯[6]。說(shuō)明管線(xiàn)在酸性條件下，氫致裂紋(HIC)傾向明顯。

4　集輸管線(xiàn)安全性分析

4．1　分析方法

國(guó)內(nèi)外通用的管線(xiàn)安全性評(píng)價(jià)方法主要有修正的B31G準(zhǔn)則、Shell92方法、GB50251中極限承壓計(jì)算公式、Newton Raphson公式、《含缺陷油氣輸送管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法第l部分體積型缺陷》[10]等(表3)。

 

4．2　集氣干線(xiàn)安全性分析

近年來(lái)，靖邊氣田主要對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)干線(xiàn)等集氣干線(xiàn)進(jìn)行了安全性分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

 

集氣干線(xiàn)安全性分析結(jié)果表明：①1號(hào)、2號(hào)干線(xiàn)管線(xiàn)樣品水力爆破實(shí)驗(yàn)壓力分別為16.84MPa、25.58MPa，均高于工作壓力，含缺陷管段在最大工作壓力條件下可以安全運(yùn)行；②l號(hào)干線(xiàn)含缺陷管段失效壓力為12.85 MPa，遠(yuǎn)高于目前運(yùn)行壓力5MPa，管線(xiàn)可安全運(yùn)行；③3號(hào)干線(xiàn)南段安全性分析結(jié)果表明，當(dāng)前管線(xiàn)內(nèi)壁腐蝕不影響管線(xiàn)當(dāng)前的完整性，管線(xiàn)服役狀態(tài)良好，管線(xiàn)可安全運(yùn)行。

4．3　集氣支線(xiàn)安全性分析

對(duì)兩條截取管樣的集氣支線(xiàn)和3條進(jìn)行外腐蝕檢測(cè)的集氣支線(xiàn)安全性分析的結(jié)果見(jiàn)表5。

 

集氣支線(xiàn)安全性分析結(jié)果表明：①集氣支線(xiàn)極限承壓遠(yuǎn)大于管線(xiàn)的正常工作壓力，管線(xiàn)服役狀態(tài)良好，運(yùn)行安全；②金屬損失管段的最大局部金屬損失能夠通過(guò)SY／T6477-2000的評(píng)價(jià)，金屬損失管段不影響管線(xiàn)的正常運(yùn)行。

5　結(jié)論

1)通過(guò)利用取樣檢測(cè)、不停輸智能清管內(nèi)腐蝕檢測(cè)及外腐蝕檢測(cè)技術(shù)對(duì)集輸管線(xiàn)開(kāi)展腐蝕檢測(cè)與分析，較好地掌握了靖邊氣田集輸管線(xiàn)的腐蝕狀況。

2)腐蝕檢測(cè)結(jié)果表明，靖邊氣田集輸管線(xiàn)陰極保護(hù)效果及管道外防腐層質(zhì)量較好，管道腐蝕較輕，管線(xiàn)內(nèi)部雖然存在金屬損失，但均能通過(guò)安全評(píng)定，不影響管線(xiàn)的正常運(yùn)行。

3)安全性分析結(jié)果表明，集氣干線(xiàn)、集氣支線(xiàn)最小失效壓力分別為l2.5MPa和8.53MPa，均高于管線(xiàn)的工作壓力5.0MPa，集輸管線(xiàn)服役狀態(tài)良好，運(yùn)行安全。

 

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本文作者：王振嘉  羅長(zhǎng)斌  張強(qiáng)  裴廷剛  孫利明

作者單位：中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第一采氣廠(chǎng)