索杏蘭

(中國(guó)石化西北油田分公司 油氣運(yùn)銷部,新疆 庫(kù)爾勒 841000)

為了避免管道發(fā)生腐蝕泄漏失效，采用有效的檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道防腐層的完整性、管體腐蝕現(xiàn)狀、環(huán)境腐蝕性等進(jìn)行系統(tǒng)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，排查出管道高后果段及高風(fēng)險(xiǎn)段應(yīng)力集中狀況，為管道的完整性管理提供可靠依據(jù)[1]。許多在役長(zhǎng)輸油氣管道由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或者敷設(shè)條件的限制卻無(wú)法實(shí)施內(nèi)檢測(cè)，對(duì)管道的安全運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅，長(zhǎng)輸油氣管道使用現(xiàn)狀的診斷及非接觸式狀態(tài)下如何檢測(cè)管道缺陷是亟需解決的問(wèn)題。

非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)是在俄羅斯學(xué)者杜波夫提出的“金屬磁記憶”概念上發(fā)展起來(lái)的埋地管道新技術(shù)[2]，全面有效地檢驗(yàn)檢測(cè)與評(píng)估高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域管段的應(yīng)力集中、腐蝕、缺陷等現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)在役管道安全、可靠地穩(wěn)定運(yùn)行。

1 非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 檢測(cè)原理

磁應(yīng)力檢測(cè)工作原理是基于維拉里效應(yīng)，即磁彈性效應(yīng)(villari effect)，是指由變形和內(nèi)部應(yīng)力影響產(chǎn)生的鐵磁材料磁化強(qiáng)度變化的物理現(xiàn)象[3]。運(yùn)用磁力計(jì)對(duì)磁場(chǎng)異常進(jìn)行識(shí)別，磁力計(jì)組件建立在薄膜磁阻傳感器基礎(chǔ)上，測(cè)量空間4個(gè)點(diǎn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，通過(guò)獲取因管體缺陷導(dǎo)致的管道漏磁場(chǎng)變化信號(hào)，檢測(cè)相應(yīng)的金屬應(yīng)力變化和幾何形變，結(jié)合相對(duì)于檢測(cè)零點(diǎn)的縱向坐標(biāo)和相對(duì)于管道圓周的角坐標(biāo)，確定管道缺陷(群)和位置,達(dá)到以非接觸的方式來(lái)診斷油氣管道的目的[4-5]。

引起管道磁場(chǎng)變化的狀況有： 局部損傷，裂紋、伴隨金屬損失的腐蝕缺陷，管道工藝缺陷，金屬剝離、折痕，變形引起的幾何形變，連續(xù)性的損失、焊接接頭缺陷等。在檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)按照所采集到的數(shù)據(jù)制作成相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度記錄圖，通過(guò)解讀該記錄圖中各項(xiàng)參數(shù)的變化來(lái)對(duì)管道進(jìn)行診斷[6]。

1.2 檢測(cè)工具

該檢測(cè)使用的檢測(cè)工具為KMD -01M非接觸磁力檢測(cè)儀，該設(shè)備是由POLYINFORM創(chuàng)建的一種創(chuàng)新設(shè)備，用于診斷帶壓干線、油田油氣和輸水鋼質(zhì)管道，不適用于管內(nèi)診斷。KMD -01M系統(tǒng)的作業(yè)是基于記錄和測(cè)量局部損傷和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)引起管道磁場(chǎng)振動(dòng)的參數(shù)，主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 基于各向異性磁阻效應(yīng)的高靈敏度變換器具有有效電阻和低噪音等特點(diǎn)，可保障高選擇性和抗干擾穩(wěn)定性，可以在電力線路、電力地下電纜、電力電氣設(shè)備附近工作。

2) 診斷過(guò)程中，可通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)觀察地磁記錄圖。結(jié)合磁場(chǎng)圖形矢量結(jié)構(gòu)應(yīng)用梯度測(cè)量方法，以補(bǔ)償?shù)厍虮尘按艌?chǎng)的影響，并測(cè)量更多與缺陷相關(guān)的磁場(chǎng)波動(dòng)參數(shù)。

3) 在管線上的高精度定位達(dá)0.5 m。

4) 采集和處理信息的獨(dú)家軟件保障了系統(tǒng)的移動(dòng)工作模式，還可以使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)處理所得信息。

1.3 檢測(cè)條件

非接觸式磁力檢測(cè)需滿足以下條件：

1) 管道埋深應(yīng)不大于10倍管徑。

2) 管徑應(yīng)不小于100 mm。

3) 管內(nèi)輸送介質(zhì)壓力應(yīng)不小于1 MPa。

檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 檢測(cè)原理示意

1.4 檢測(cè)遵循的標(biāo)準(zhǔn)

檢測(cè)缺陷危險(xiǎn)評(píng)估由磁異常綜合指數(shù)(F)確定，根據(jù)F可評(píng)價(jià)檢測(cè)到的缺陷危險(xiǎn)性。該指標(biāo)是使用 POLYINFORM公司的專利軟件，考慮到振幅、磁場(chǎng)矢量分布形狀、異常長(zhǎng)度、操作和設(shè)計(jì)壓力、管道檢查日期及投產(chǎn)時(shí)間，通過(guò)特定公式計(jì)算得出的。依據(jù)俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會(huì)批準(zhǔn)制定的РД 102-008—2002《非接觸式磁力掃描方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南》，根據(jù)F確定了3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)[7]，并給出了針對(duì)3類危險(xiǎn)等級(jí)應(yīng)當(dāng)采取的維護(hù)策略。F分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所列。

表1 F分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

缺陷等級(jí)說(shuō)明：

1) Ⅰ等級(jí)缺陷。是由于金屬缺陷和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合，相當(dāng)于超過(guò)相應(yīng)管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較大，該類型管道屬于緊急情況，需要優(yōu)先修復(fù)。

2) Ⅱ等級(jí)缺陷。是由于金屬缺陷和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)合，相當(dāng)于超過(guò)一定的管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)但不會(huì)很快發(fā)生事故，該類型管道的特點(diǎn)在于可靠性降低，需要列入計(jì)劃修復(fù)。

3) Ⅲ等級(jí)缺陷。相當(dāng)于“良好的”管道技術(shù)狀況，無(wú)關(guān)緊要的缺陷或者應(yīng)力集中區(qū)，該類型管道可以在監(jiān)控缺陷發(fā)展和應(yīng)力集中增長(zhǎng)的情況下，無(wú)需修復(fù)繼續(xù)運(yùn)行。

2 管道狀況概述

某油田原油外輸管道于2003年10月建成投產(chǎn)，全長(zhǎng)20.8 km，管線規(guī)格Φ323.9 mm×7.1 mm，設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，管道本體材質(zhì)L360，防腐層采用環(huán)氧富鋅底漆加厚漿型環(huán)氧煤瀝青面漆，防護(hù)保溫層采用黃夾克泡沫塑料。管道沿線途經(jīng)井站8處，穿越季節(jié)性河流1條、溝渠4處、瀝青路4條、砂石路23處。隨著該管線服役時(shí)間的延長(zhǎng)，輸送的原油屬于高含硫化氫重質(zhì)原油，在運(yùn)行過(guò)程中該管道的內(nèi)外腐蝕情況較為嚴(yán)重，管線腐蝕穿孔的頻率逐年增加，急需進(jìn)行一次徹底的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果狀況進(jìn)行維修。

3 應(yīng)用實(shí)施

3.1 檢測(cè)過(guò)程

首先檢測(cè)人員使用管線定位儀對(duì)管線進(jìn)行探測(cè)定位，同時(shí)基于最近基準(zhǔn)點(diǎn)利用GPS進(jìn)行管線路由及距離測(cè)量；然后使用KMD -01M檢測(cè)儀沿著管道的路由進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)標(biāo)記磁異常點(diǎn)位置。在診斷作業(yè)過(guò)程中，KMD-01M系統(tǒng)高精度自動(dòng)綁定檢測(cè)到的異常GPS坐標(biāo)，在每個(gè)測(cè)量周期結(jié)束時(shí)生成記錄異常坐標(biāo)的電子地圖。完成現(xiàn)場(chǎng)的磁力層析數(shù)據(jù)的采集后，將檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入檢測(cè)軟件進(jìn)行分析處理形成檢測(cè)結(jié)果，確定管道沿線磁異常強(qiáng)度和綜合指數(shù)分布，準(zhǔn)確確定管道金屬缺陷與機(jī)械應(yīng)力綜合作用下的應(yīng)力集中敏感區(qū)域、缺陷狀況與等級(jí)，根據(jù)分析的結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施開(kāi)挖驗(yàn)證工作[8]。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

該檢測(cè)采用KMD -01M非接觸式磁力儀對(duì)20.8 km管道進(jìn)行非接觸式磁力檢測(cè)，該區(qū)段的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度背景值為5.45×104nT，檢測(cè)到的磁場(chǎng)異常幅度為2.00×103～2.30×104nT。根據(jù)管道上方的磁場(chǎng)變化情況，并且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終形成管道磁異常位置GPS坐標(biāo)、等級(jí)維修建議、預(yù)測(cè)及檢測(cè)到的缺陷狀態(tài)值等結(jié)果[9]，部分磁異常點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所列。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)103處磁場(chǎng)異常，其中評(píng)價(jià)立即修復(fù)的有3處，評(píng)價(jià)為監(jiān)控降壓使用的有7處，評(píng)價(jià)為繼續(xù)使用的有93處。

表2 部分磁異常點(diǎn)指標(biāo)明細(xì)

3.3 開(kāi)挖驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)管道檢測(cè)結(jié)果選擇不同異常等級(jí)的腐蝕點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，一方面可以判斷磁應(yīng)力技術(shù)在檢測(cè)時(shí)對(duì)異常點(diǎn)的定位位置是否準(zhǔn)確，另一方面是判斷開(kāi)挖驗(yàn)證檢測(cè)的缺陷等級(jí)與儀器檢測(cè)的結(jié)果是否吻合[10]。開(kāi)挖驗(yàn)證的方式如下：

1) 開(kāi)挖坑長(zhǎng)度應(yīng)在異常點(diǎn)為中心前后各2.0 m左右，深度應(yīng)至少在管道底部0.5 m以下，并在管道兩側(cè)各留出1.0 m寬度。

2) 使用接觸式磁力檢測(cè)儀對(duì)管道上的應(yīng)力情況進(jìn)行檢測(cè)，劃分應(yīng)力集中區(qū)域。

3) 去除管道防腐層，通過(guò)目測(cè)觀察缺陷點(diǎn)周圍環(huán)境、查找缺陷點(diǎn)位置、缺陷點(diǎn)腐蝕產(chǎn)物及狀況等，使用焊縫尺對(duì)腐蝕坑深進(jìn)行檢測(cè)。

4) 使用超聲波測(cè)厚儀對(duì)管體順著油流方向的3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)方向進(jìn)行壁厚測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷管道金屬損失量。

現(xiàn)將評(píng)定等級(jí)為Ⅰ級(jí)的磁場(chǎng)異常點(diǎn)8號(hào)、31號(hào)進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證說(shuō)明。

3.3.18號(hào)異常點(diǎn)探坑開(kāi)挖及測(cè)量情況

開(kāi)挖坑中發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)密集腐蝕坑和管內(nèi)底部點(diǎn)蝕，密集腐蝕坑恰好位于根據(jù)非接觸式診斷數(shù)據(jù)所標(biāo)記的位置上。在管內(nèi)底部發(fā)現(xiàn)了壁厚急劇變化區(qū)，根據(jù)超聲波測(cè)厚儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)底部點(diǎn)蝕，剩余壁厚為3.9～5.5 mm。密集腐蝕坑區(qū)位于焊縫區(qū)，尺寸為200 mm×300 mm，最大深度達(dá)5 mm，位于3～6點(diǎn)鐘位置，最大金屬損失量達(dá)45%。8號(hào)異常點(diǎn)缺陷區(qū)段的磁強(qiáng)記錄如圖2所示，8號(hào)異常點(diǎn)管道剩余壁厚超聲波檢測(cè)值見(jiàn)表3所列。

圖2 8號(hào)異常點(diǎn)缺陷區(qū)段的磁強(qiáng)記錄曲線示意

表3 8號(hào)異常點(diǎn)管道剩余壁厚超聲波檢測(cè)值 mm

3.3.231號(hào)異常點(diǎn)探坑開(kāi)挖及測(cè)量情況

開(kāi)挖坑中發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)密集腐蝕坑和焊縫機(jī)械損傷，密集腐蝕坑和機(jī)械損傷恰好位于根據(jù)非接觸式診斷數(shù)據(jù)所標(biāo)記的位置上。根據(jù)超聲波測(cè)厚儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該坑中全部管體存在輕微腐蝕，最小剩余壁厚為6.8 mm。密集腐蝕坑區(qū)位于焊縫區(qū)，尺寸為300 mm×200 mm，位于12～3點(diǎn)鐘位置，最大金屬損失量不超過(guò)10%，但腐蝕面積達(dá)到75%。31號(hào)異常點(diǎn)缺陷區(qū)段的磁強(qiáng)記錄如圖3所示，31號(hào)異常點(diǎn)管道剩余壁厚超聲波檢測(cè)值見(jiàn)表4所列。

圖3 31號(hào)異常點(diǎn)缺陷區(qū)段的磁強(qiáng)記錄曲線示意

表4 31號(hào)異常點(diǎn)管道剩余壁厚超聲波檢測(cè)值 mm

3.3.3開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)論

非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)在操作風(fēng)險(xiǎn)低、不影響管道本質(zhì)安全的情況下，對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確，間接檢測(cè)缺陷定級(jí)與用于直接檢測(cè)找到的缺陷等級(jí)和危險(xiǎn)程度基本吻合，磁異常缺陷段檢出率達(dá)90%以上，磁異常缺陷定位在2.0 m范圍內(nèi)準(zhǔn)確度達(dá)85%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)，可以簡(jiǎn)便易行地對(duì)管道本體的現(xiàn)狀實(shí)施檢測(cè)，避免了采取內(nèi)檢測(cè)以及其他檢測(cè)方式前需采取的管道開(kāi)挖、管道清管、安裝收發(fā)球裝置等大量準(zhǔn)備工作。但該技術(shù)也存在容易受外部鐵磁性材料信號(hào)干擾、需要在開(kāi)挖條件下配合其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)才能準(zhǔn)確定位缺陷鐘點(diǎn)位置等局限性[11]。總之，非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)是一種有效的管道本體直接檢測(cè)技術(shù)，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)段、高后果段提出了維修建議及措施，也可作

為管道內(nèi)檢測(cè)的驗(yàn)證性、補(bǔ)充性檢測(cè)手段，可共同實(shí)現(xiàn)管道的完整性檢測(cè)。

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