閔希華,饒　心

(中石油西部管道公司， 烏魯木齊 830011)

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新建油氣管道的檢測及驗(yàn)收評價(jià)技術(shù)

閔希華,饒心

(中石油西部管道公司， 烏魯木齊 830011)

針對目前新建油氣管道可能存在的缺陷類型，根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及可行的檢測技術(shù)的分析，提出了“22112”檢測及評價(jià)方法。采用試壓前后變徑、弱磁、漏磁檢測等多種技術(shù)，建立了管道本體質(zhì)量驗(yàn)收的系列標(biāo)準(zhǔn)。通過及時(shí)排查和發(fā)現(xiàn)管道的缺陷，消除管道投產(chǎn)運(yùn)行前潛在的危險(xiǎn)，做好管道建設(shè)與運(yùn)行的質(zhì)量交接，為提高管道質(zhì)量安全打下基礎(chǔ)。

新建油氣管道;弱磁內(nèi)檢測;變徑內(nèi)檢測;檢測評價(jià)方法

我國陸上油氣輸送管道總長度已達(dá)1.2X105km。隨著中俄天然氣管道等國家重點(diǎn)油氣管道工程建設(shè)運(yùn)行，截止到2020年，我國油氣管道將超過1.5X105km。

由于油氣管道建設(shè)速度快，新材料、新工藝、新技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用尚不完全配套，加上工程建設(shè)質(zhì)量控制不夠規(guī)范，直接影響了管道本體質(zhì)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50369-2006《油氣長輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求，試壓是目前國內(nèi)新建油氣管道投產(chǎn)前對管道施工質(zhì)量、管材性能、焊接質(zhì)量及管道整體強(qiáng)度的最后一次綜合檢測。然而，我國標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)場強(qiáng)度試壓壓力等級與美國、加拿大等規(guī)范要求相比偏低，通過傳統(tǒng)試壓能夠暴露出的管道本體缺陷有限。由于局部應(yīng)力集中、塑性變形等潛在的微觀缺陷，以及凹陷、劃痕、裂紋等宏觀缺陷難以暴露，給管道投產(chǎn)后的安全運(yùn)行帶來極大的隱患和危險(xiǎn)。近年來，國內(nèi)已發(fā)生多起投產(chǎn)不久的油氣管道泄漏事故，主要都是由建設(shè)期的管道材料、環(huán)焊縫焊接質(zhì)量以及應(yīng)力集中等問題導(dǎo)致的。

因此，研究新建油氣管道的檢測與評價(jià)技術(shù)，建立管道本體質(zhì)量驗(yàn)收的系列標(biāo)準(zhǔn)，把控管道投產(chǎn)前最后一道防線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道的缺陷，將不可接受的隱患和危險(xiǎn)消滅在投產(chǎn)之前，對提高管道質(zhì)量安全意義重大，也是管道建設(shè)與運(yùn)行管理者共同關(guān)注的重要課題。

1　新建油氣管道檢測與評價(jià)技術(shù)

新建油氣管道可能存在的缺陷分為兩類：一類是宏觀缺陷，主要包括凹陷、劃痕、裂紋及管體變形等；另一類是微觀缺陷，主要包括管道材料的應(yīng)力集中、塑性變形等。針對不同的缺陷類型，結(jié)合管道投產(chǎn)前的清管、試壓、吹掃等工序，提出了“22112”檢測及評價(jià)方法：① 2次智能測徑，試壓前后分別進(jìn)行1次，發(fā)現(xiàn)管體變形、凹陷等缺陷。② 2次弱磁檢測，試壓前后分別進(jìn)行1次，掌握管道應(yīng)力分布、應(yīng)力變化及應(yīng)力集中等。③ 1次P-V壓力容積曲線監(jiān)測，監(jiān)測試壓過程管道屈服狀況。④ 1次漏磁檢測，發(fā)現(xiàn)凹坑、劃痕、裂紋等宏觀缺陷。⑤ 2次評價(jià)，試壓前對管材力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)、對試壓前后檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析評價(jià)。

通過上述方法，全面發(fā)現(xiàn)新建管道宏觀、微觀缺陷，及時(shí)消除不可接受的缺陷。新建油氣管道檢測及評價(jià)方法如圖1所示。

圖1　新建油氣管道的檢測及評價(jià)方法

1.1智能變徑檢測技術(shù)

按照標(biāo)準(zhǔn)GB 50369-2006要求，管道清管合格后需進(jìn)行測徑，測徑宜采用鋁材測徑板，以測徑板通過管段后，無變形、無褶皺為合格。該標(biāo)準(zhǔn)未對新建管道的測徑進(jìn)行強(qiáng)制要求，同時(shí)由于測徑鋁板清管器不記錄連續(xù)管道內(nèi)徑數(shù)據(jù)，存在檢測精度低、不能準(zhǔn)確定位、漏檢等問題。在管道投產(chǎn)前采用智能測徑檢測器，不僅可快速發(fā)現(xiàn)管道存在的大于1%管道外徑的變形，而且能對變形準(zhǔn)確定位和量化，依據(jù)檢測結(jié)果對不滿足驗(yàn)收要求的變形及時(shí)處理。

由于新建管道投產(chǎn)前沒有管道輸送介質(zhì)作為檢測器的行進(jìn)動(dòng)力，目前可采用2種方式提供動(dòng)力源，一種是靠空氣壓縮機(jī)提供的動(dòng)力源，受空氣壓縮機(jī)功率和氣體可壓縮性等因素影響，檢測器運(yùn)行速度控制不穩(wěn)定，直接影響檢測質(zhì)量，可在檢測器前后增加一定長度的注水段；另一種則是依靠類似管道爬行機(jī)器人牽引檢測器運(yùn)行。2013年西部管道公司研制了自源主動(dòng)運(yùn)行智能牽引系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有平穩(wěn)(速度小于4 km·h-1)的自主行走控制方式，用汽油機(jī)作為動(dòng)力，可順利通過新建管道上坡、下坡、穿跨越，牽引各種管道內(nèi)檢測器(弱磁、變徑)實(shí)現(xiàn)對未投產(chǎn)管道的內(nèi)檢測。2013年該系統(tǒng)成功應(yīng)用于伊霍線及西三線部分管段的變徑和弱磁檢測，開創(chuàng)了國內(nèi)新建管道投產(chǎn)前自源主動(dòng)運(yùn)行內(nèi)檢測的先河。圖2，3分別為自源主動(dòng)運(yùn)行牽引系統(tǒng)搭載變形檢測器外觀及采用其檢測到的缺陷信號示例。

圖2　自源主動(dòng)運(yùn)行智能牽引系搭載變徑檢測器外觀

圖3　變徑檢測器檢測到的管道變形的信號示例

2015年，CDP-G-OGP-OP-071-2015-1《新建管道投產(chǎn)前智能測徑技術(shù)規(guī)定》發(fā)布，明確了油氣管道工程投產(chǎn)前智能測徑的管道具備條件、檢測時(shí)機(jī)、檢測設(shè)備、動(dòng)力配置、檢測段落劃分，以及管道變形可接受的條件和處理措施等方面的要求，為新建管道的變形檢測提供了依據(jù)。

1.2弱磁內(nèi)檢測技術(shù)

新建管道試壓結(jié)束后，以是否發(fā)生爆管泄漏作為臨界條件來確定管道質(zhì)量是否滿足服役要求，但是管道局部可能存在由于屈服強(qiáng)度不足而產(chǎn)生塑性變形和尚未發(fā)生爆破的管段。這種變形使得管材性能劣化，同時(shí)影響管道外防腐層性能和質(zhì)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE RP0394-98《涂敷施工性能和質(zhì)量控制》規(guī)定，當(dāng)環(huán)向拉伸變形超過1.3%時(shí)，防腐層的完整性將遭到破壞。去掉彈性變形，管道(真實(shí))環(huán)向塑性應(yīng)變超過1%時(shí)，不可服役。因此不能以強(qiáng)度試壓以及嚴(yán)密性試壓合格(管道不發(fā)生爆破)作為唯一的驗(yàn)收依據(jù)，還需要保證管道發(fā)生的塑性變形在允許的范圍內(nèi)。

管道在制管、施工過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中點(diǎn)，有些經(jīng)過試壓還不能被釋放。這些應(yīng)力集中點(diǎn)有的可能已處于許用應(yīng)力的臨界點(diǎn)，有的在管道運(yùn)行期可能出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，從而導(dǎo)致管道失效、爆管等事故。傳統(tǒng)漏磁內(nèi)檢測方法，局限于檢測已形成體積的宏觀缺陷信號。因此，如何準(zhǔn)確檢測塑性變形、應(yīng)力集中點(diǎn)等微觀缺陷就需要研究新的檢測方法和手段。

弱磁內(nèi)檢測技術(shù)利用金屬自有漏磁場的檢測方式(磁記憶法)，測得應(yīng)力集中區(qū)域的弱磁場信號，再根據(jù)檢測微弱磁場的變化來分析應(yīng)力的變化[1-3]。

西部管道公司聯(lián)合沈陽工業(yè)大學(xué)研制了基于金屬磁記憶原理的管道弱磁內(nèi)檢測設(shè)備和通過搭載自源主動(dòng)運(yùn)行的智能牽引系統(tǒng)。圖4為φ457 mm管子在爆破試驗(yàn)中，弱磁傳感器采集到的磁場信號大小和應(yīng)變傳感器采集到的應(yīng)變值從0 MPa升至管子爆破期間的對應(yīng)關(guān)系圖，從圖中可以看出，弱磁與應(yīng)變在升壓過程中，具有良好的對應(yīng)關(guān)系，可以反應(yīng)管子的彈性范圍、塑形變形及最終的破裂過程。

圖4　φ457 mm爆破試驗(yàn)應(yīng)變片與弱磁信號對比

圖5　φ1 219 mm管道試壓前后弱磁內(nèi)檢測信號

自2010年來先后對克拉瑪依-烏魯木齊φ457 mm輸油管道、伊霍φ1 219 mm輸氣管道、西二線φ1 219 mm部分段開展了現(xiàn)場檢測及研究工作，實(shí)現(xiàn)了在線及新建管道投產(chǎn)前的工程應(yīng)用。圖5為試壓前后弱磁檢測信號。

1.3P-V壓力容積圖監(jiān)測方法

P-V壓力容積圖監(jiān)測方法是在管道試壓過程中，通過繪制管道中試驗(yàn)介質(zhì)的壓力-容積圖來控制壓力，當(dāng)圖形出現(xiàn)非線性時(shí)停止加壓，避免管道出現(xiàn)大面積的屈服。標(biāo)準(zhǔn)ASME B 31.8-2010附錄N《現(xiàn)場管道水壓試驗(yàn)推薦做法》推薦使用壓力-容積曲線法。

由于管線沒有明確的彈性塑性分界點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662《油氣管線系統(tǒng)》將拉伸曲線中對應(yīng)管道容積塑性變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力定義為屈服點(diǎn)(圖6中虛線與曲線的交點(diǎn)處)，此點(diǎn)就是管道極限試壓強(qiáng)度，將該點(diǎn)作為試壓試驗(yàn)停止點(diǎn)。在彈性極限內(nèi)，管道試壓過程中容積變化和管道環(huán)向應(yīng)變成正比。因此當(dāng)P-V圖內(nèi)圖形呈現(xiàn)線性變化時(shí)，說明管道應(yīng)力未達(dá)到管材的屈服極限；當(dāng)圖形出現(xiàn)非線性變化時(shí)說明管道中已經(jīng)有鋼管的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到或者超過其屈服極限而出現(xiàn)塑性變形。

圖6　P-V壓力容積圖

1.4宏觀缺陷漏磁檢測技術(shù)

對于油氣管道腐蝕等體積缺陷的檢測，軸向漏磁檢測系統(tǒng)的檢測原理是通過軸向(沿著管道長度方向)勵(lì)磁使管壁磁通量瞬間達(dá)到飽和，用霍爾傳感器記錄所在位置的管壁截面上磁通量漏失情況，1219超高清軸向漏磁內(nèi)檢測器結(jié)構(gòu)見圖7。設(shè)備由2節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，中間通過萬向節(jié)連接。第1節(jié)實(shí)現(xiàn)體積缺陷信號的采集以及速度控制功能，第2節(jié)負(fù)責(zé)內(nèi)外缺陷的識(shí)別及系統(tǒng)的供電功能。這種檢測系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)管道截面上的體積缺陷為主、也能夠發(fā)現(xiàn)與其截面呈一定角度的體積缺陷。在目前管道企業(yè)中，絕大多數(shù)管道進(jìn)行的智能內(nèi)檢測都是指這種檢測[4]。

圖7　1219超高清軸向漏磁內(nèi)檢測器結(jié)構(gòu)示意

常用的漏磁檢測大都采用軸向勵(lì)磁,但軸向勵(lì)磁達(dá)不到全覆蓋，且精度較低(高清或標(biāo)清)、只能發(fā)現(xiàn)7 mmX5 mm及以上的傷，不能發(fā)現(xiàn)裂紋。為彌補(bǔ)當(dāng)前漏磁檢測的不足,必須研究超高清軸向、周向、45O勵(lì)磁漏磁內(nèi)檢測系統(tǒng)，真正做到管道體積型缺陷的三軸三維檢測。即其精度均要達(dá)到4 mmX4 mm及以上，檢測脈沖達(dá)到1 500 Hz或2 000 Hz及以上，以實(shí)現(xiàn)宏觀缺陷包括內(nèi)外開口裂紋的全面檢測。

1.5綜合評價(jià)技術(shù)

1.5.1管材力學(xué)性能評價(jià)

對于管道生產(chǎn)廠不只是生產(chǎn)合格的鋼管，還要提供鋼管材料的力學(xué)性能、焊接接頭力學(xué)性能、水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)、破壞性試驗(yàn)數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資料，以建立管材制造數(shù)據(jù)庫，為制定布管方案提供依據(jù)和建議。

對于制造監(jiān)理不只是監(jiān)造鋼管合格與否，還要掌握每批管材力學(xué)性能及概率分布、水壓試驗(yàn)、破壞試驗(yàn)等信息，并與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管材最小要求屈服強(qiáng)度(SMYS)進(jìn)行比較，制定合理布管方案。對新建管道鋼管的服役性能進(jìn)行基礎(chǔ)性評價(jià)，主要確定不合格鋼管的概率及分布、試壓建議等，供設(shè)計(jì)研究與參照、業(yè)主決策、建造實(shí)施。

管材力學(xué)性能評價(jià)的目的：① 合理布管。性能較高的布在高壓地段，性能較低的布在低壓地段。② 合理確定試驗(yàn)壓力。合理確定每段管道的強(qiáng)度試驗(yàn)壓力，充分暴露管材的制造缺陷、釋放管材的富裕性能。

1.5.2檢測數(shù)據(jù)綜合評價(jià)

按照資產(chǎn)完整性評價(jià)方法進(jìn)行綜合評價(jià)(驗(yàn)證性評價(jià))是非常必要的。依據(jù)布管方案、建造監(jiān)造信息資料即基于管道本體建造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，綜合試壓信息即P-V監(jiān)視信息、變徑檢測、弱磁檢測、漏磁檢測等信息數(shù)據(jù)，開展綜合評價(jià)工作。

①P-V壓力容積圖監(jiān)測：對每個(gè)試壓段開展P-V壓力容積圖監(jiān)測是必要的。其重點(diǎn)是監(jiān)視試壓段有否塑性變形，初步驗(yàn)證管材性能和布管、試壓方案的正確性。若有不可接受的塑性變形現(xiàn)象發(fā)生，通過后序的檢測(如弱磁檢測)方法設(shè)法找到塑變(段)，用試壓合格的鋼管更換即可。一般此類情況很少發(fā)生，但不能杜絕。

② 變徑檢測：對每個(gè)試壓段試壓前后開展變形檢測是必要的。根據(jù)變徑檢測數(shù)據(jù)的變化，確定有否變形超標(biāo)的現(xiàn)象發(fā)生。若有不可接受的缺陷必須換管；若有P-V壓力容積圖監(jiān)視的塑性變形特別是屈服點(diǎn)之后的塑性變形，原則上必有變形超標(biāo)，這是充分必要的依據(jù)；變形信息還要作為塑性變形(屈服點(diǎn)及以前的)的重要依據(jù)之一；對凹坑、其他變形等缺陷，作為評價(jià)依據(jù)與其他檢測信息進(jìn)行對照，綜合評價(jià)后，有結(jié)論再做處理。

③ 弱磁檢測評價(jià)：對新建管道試壓前后開展弱磁檢測是非常必要的，重點(diǎn)是觀測應(yīng)力分布、應(yīng)力變化及應(yīng)力集中等規(guī)律。一般在彈性范圍內(nèi)的管段，其應(yīng)力分布比較均勻、試壓前后應(yīng)力變化呈現(xiàn)變小的規(guī)律，亦或是應(yīng)力釋放了。對于應(yīng)力變大的應(yīng)力集中區(qū)域、應(yīng)力相對變大與變形變大同時(shí)存在的區(qū)域、有P-V壓力容積圖監(jiān)視塑性變形同時(shí)又有應(yīng)力相對變大與變形超標(biāo)的區(qū)域，要用矯頑力儀等進(jìn)行外部應(yīng)力驗(yàn)證核對，但都要換管，這些是不可接受的缺陷。對于凹坑、劃痕、金口及死口等有應(yīng)力存在的區(qū)域，還要結(jié)合漏磁檢測等進(jìn)行評價(jià)，再做處理。

④ 漏磁檢測：對新建管道進(jìn)行三個(gè)方向勵(lì)磁(軸向、周向、45°)、超高清的漏磁檢測是非常必要的，重點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)裂紋，特別是未參與試壓的管段和焊縫。漏磁檢測完全可以作為基線檢測與評價(jià)，或說是將基線檢測與評價(jià)提前進(jìn)行。對于檢測出來的焊縫(環(huán)、直、螺旋焊縫)異常，特別是裂紋要高度重視。對有深度超過10%T、深度沒超過10%T但有應(yīng)力集中、深度沒超10%T但有變形等的裂紋(顯性、隱性)，均需進(jìn)行超聲檢測、射線檢測驗(yàn)證核對，且都必須要換管，這些是不可接受的缺陷；對于有應(yīng)力集中或有變形存在的凹坑、機(jī)械劃傷等缺陷，也必須換管，這也是不可接受的缺陷；對于其他缺陷，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)。

以上這些判據(jù)只是基礎(chǔ)的，還需要進(jìn)一步豐富完善，并形成業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 綜合評價(jià)(驗(yàn)證性評價(jià))目的：① 確定管道合格與否，消除不可接受的缺陷。是否做到本質(zhì)安全、從零開始，避免不必要的、更大的損失。② 確認(rèn)管道性能好與壞、指標(biāo)高與低的結(jié)論。對設(shè)計(jì)、建造等質(zhì)量有評價(jià)，是否做到物有所值、物盡其用。③ 提交綜合評價(jià)報(bào)告，作為交接、驗(yàn)收、投產(chǎn)及運(yùn)行管理的重要依據(jù)，完整性管理從零做起。④ 建立新的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)體系。管道試壓不是最后一道質(zhì)量關(guān)口，完整性綜合評價(jià)才是最后一道質(zhì)量關(guān)口。

2　結(jié)語

隨著我國新建油氣管道的加速，如何做好投產(chǎn)前最后一道質(zhì)量把關(guān)和驗(yàn)收工作至關(guān)重要，應(yīng)加快完善新建管道檢測及評價(jià)技術(shù)的研究及應(yīng)用，及時(shí)排查和發(fā)現(xiàn)管道不可接受的缺陷，形成油氣管道新建與運(yùn)行交接(檢測、判斷、評價(jià))驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對提高管道質(zhì)量安全意義重大，同時(shí)也為運(yùn)行期管道的完整性管理提供依據(jù)。

[1]楊理踐,劉斌，高松巍.弱磁場中漏磁檢測技術(shù)的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(1):89-92.

[2]楊勇，尹春峰，姬杰.金屬磁記憶技術(shù)在埋地金屬管道應(yīng)力集中區(qū)檢測中的應(yīng)用[J].石油工程檢測，2012,38(5):54-57.

[3]張?zhí)m，張來斌，樊建春.基于磁記憶方法的油氣管道內(nèi)檢測試驗(yàn)研究[J].石油機(jī)械，2010,38(5):1-4.

[4]楊理踐，邢磊，高松巍.三軸漏磁缺陷檢測技術(shù)[J].無損探傷，2013,37(1):13-16.

The Technology of Inspection and Acceptance Evaluation in New Oil Gas Pipeline

MIN Xi-hua, RAO Xin

(Western Pipeline Company of China Petroleum, Urumqi 830011, China)

In this paper, the existing defects, acceptance criteria and feasible detection technology of the new oil gas pipeline are analyzed. The method of detection and evaluation named 22112 is proposed. A series of standards for checking the quality of the pipeline are established by the varying diameter before and after applying pressure to the pipe, the weak magnetism and magnetic flux leakage test. In order to improve safety of the pipeline, it is necessary to investigate and discover defects of pipeline timely and eliminate the potential and unacceptable risk or danger before running, meanwhile the handover of quality and construction of pipeline must be ensured.

New oil gas pipeline; Weak magnetic detection; Detection of variable diameter; Detection and evaluation method

2015-05-28

閔希華(1959-)，男，教授級高工，主要從事生產(chǎn)管理及科技信息工作。

10.11973/wsjc201603002

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0004-04