侯少星

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院上海壓力管道智能檢測工程技術(shù)中心（上海200941）

1 管道內(nèi)檢測技術(shù)概述

迄今為止，我國大多數(shù)管道的運行時間已經(jīng)長達約20年[1]。隨著管道運行時間的增加，管道所面臨的風險也越來越大，使用精確的內(nèi)檢測技術(shù)可以更好地預判這些缺陷，預防管道失效。

管道內(nèi)檢測器在管道中行走的原理和清管器相似，但是內(nèi)檢測器上配備的探頭會在管道內(nèi)行走的過程中緊貼管壁并采集管壁數(shù)據(jù)，同時存儲到檢測器的數(shù)據(jù)會記錄在設(shè)備中，最后在檢測結(jié)束后將數(shù)據(jù)下載下來交由數(shù)據(jù)分析人員進行分析并生成管道檢測報告，內(nèi)容包括金屬損失、閥門等特征。通過檢測器自帶的里程輪記錄管道缺陷的具體位置，為業(yè)主管道的完整性管理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料。

管道內(nèi)檢測技術(shù)主要有基于漏磁原理和超聲波原理的檢測器。漏磁內(nèi)檢測器最初在1960年代由美國Tubescope公司提出并應用，最初的內(nèi)檢測器只能進行缺陷的定性識別；1970年代由英國天然氣公司（British Gas）采用漏磁法，并且引用了定量分析方法，對旗下天然氣管道的管道壁腐蝕減薄狀況進行了在線檢測[2]?；诔暡o損檢測技術(shù)的內(nèi)檢測器在1990年代由德國Pipetronix公司推出并應用，其檢測器自身具有超聲波探頭，可以實現(xiàn)對管道壁厚和缺陷的定量測量。

2 超聲波內(nèi)檢測器概述

使用超聲波無損檢測技術(shù)的內(nèi)檢測器檢測油氣管道，可以提供精確的管道數(shù)據(jù)。檢測器在油氣管道中的運行，使用超聲波無損檢測技術(shù)掃查管壁并且采集管壁數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析得到管壁的缺陷數(shù)據(jù)，超聲波內(nèi)檢測器可以實現(xiàn)對缺陷的定量測量，并且精確度遠遠超過漏磁內(nèi)檢測器的檢測精度。

超聲波內(nèi)檢測器主要由驅(qū)動模塊、電池模塊、里程輪模塊、電子記錄模塊和探頭模塊組成。超聲波探頭以及數(shù)據(jù)記載儀由電池塊供電，發(fā)射和接收超聲波掃查管壁，將探頭采集的管壁數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)記載儀中，待接收檢測器后，再由技術(shù)人員下載其中的數(shù)據(jù)并進行分析[3]。

超聲波內(nèi)檢測器的技術(shù)原理：通過儀器自帶的超聲波探頭對管壁發(fā)出超聲波，超聲波通過管道內(nèi)的耦合介質(zhì)（原油、汽油等液體介質(zhì)），根據(jù)超聲波對管道內(nèi)壁和管道外壁的回彈接收時間差，得到管道的壁厚數(shù)據(jù)和金屬損失數(shù)據(jù)[4]。

為了滿足業(yè)主日益嚴格的完整性管理規(guī)范，超聲波技術(shù)使用的范圍日趨增多。但并不是所有的技術(shù)都是完美的，與使用漏磁技術(shù)的內(nèi)檢測器對比，在管道介質(zhì)的適應性上，超聲波內(nèi)檢測器存在一定的限制。由于使用超聲波探頭發(fā)射和接收超聲波數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的超聲波探頭只能通過液體耦合發(fā)射和接收超聲波，由此只能在充滿液體的管道中運行，對于天然氣管道中的超聲波內(nèi)檢測，通過將液體和超聲波內(nèi)檢測器密封在前后清管器之間，從而實現(xiàn)在氣體管線中進行內(nèi)檢測。

3 某管道超聲波內(nèi)檢測缺陷的剩余強度計算

筆者于2014年對中國某海上石油管道進行了超聲波內(nèi)檢測，這條管道自2008年建成后，便一直注緩蝕劑封存至2014年，由于業(yè)主不了解期間管道確切的金屬損失情況，亟需精確的檢測技術(shù)來對這條管道進行檢測。采用超聲波內(nèi)檢測技術(shù)超高的精確度，為這條管道進行了內(nèi)檢測。管道的敷設(shè)時間較長，通過超聲波內(nèi)檢測器，共計發(fā)現(xiàn)了多達200處的金屬損失異常，由此引發(fā)了業(yè)主的關(guān)注和考量。對部分嚴重的金屬損失缺陷通過不同標準進行應力分析，從而保守地得出管道的安全壓力，確保管道的安全運行。

3.1 管道概況

在管道的安全壓力計算中，壁厚和管材等級是其中2個關(guān)鍵參數(shù)（表1）。

表1 管道概況

3.2 管道缺陷剩余強度的評價方法介紹

對于驗證和預測帶有金屬損失管道的剩余強度，有多個標準用以評價管道的剩余強度。為了防止管道的不恰當使用，通常使用如下3個標準：ASME B31G—2009、RSTRENG 0.85dL和DNV-RPF101標準。

3.2.1 ASME B31G—2009評價方法

ASME B31G評價方法是由美國Battelle研究所在1971年基于大量的全尺寸爆破試驗得出的方法，其數(shù)學表達式也經(jīng)過多年的完善，主要根據(jù)缺陷的長度和深度來推算管道的剩余強度[5]，缺陷輪廓模擬如圖1所示。

在ASME B31G—2009標準中，對于缺陷的分類主要根據(jù)L2/Dt的值。如果L2/Dt＜50，屬于短缺陷；如果L2/Dt＞50，則屬于長缺陷。2種類型的缺陷使用不同的計算公式進行計算。

圖1 缺陷輪廓模擬圖

對于以上2種缺陷，F(xiàn)olias系數(shù)M的計算公式不同，如公式（1）、公式（2）所示：

①對于短缺陷，即L2/Dt＜50：

②對于長缺陷，即L2/Dt＞50：

運行壓力σflow計算如公式（3）所示：

管道安全壓力的計算如公式（4）所示：

式中：D為管道的外徑，mm；t為管壁厚度，mm；L為缺陷長度，mm；d為缺陷深度，mm；M為Folias系數(shù)；σflow為運行壓力，MPa;SMYS為最小屈服強度，MPa。

3.2.2 RSTRENG 0.85dL評價方法

相對于ASME B31G標準的保守性，RSTRENG 0.85dL方法對其進行了改進。RSTRENG0.85dL方法使用0.85dL作為缺陷的面積[5]，缺陷深度模擬如圖2所示，其中Ac表示此處缺陷的實際面積，mm2，Ac0表示缺陷處管壁的剩余面積，mm2。相對于ASME B31G評價方法，RSTRENG 0.85dL方法對公式（3）作了改進，如公式（5）所示，其余計算公式與ASME B31G相同。

3.2.3 DNV-RP-F101評價方法

挪威船級社在基于大量的試驗和有限元分析后，歸納了一種剩余強度評價方法[6]。對于普通的獨立缺陷，安全壓力P為：

式中：UTS為最大抗拉強度，MPa；Q為長度修復系數(shù)。

圖2 缺陷深度模擬圖

3.3 管道缺陷剩余強度計算

通過超聲波內(nèi)檢測器的檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲波內(nèi)檢測器的檢測結(jié)果

根據(jù)業(yè)主方提供的管線資料，這條管道的材質(zhì)為符合API 5L標準的管線鋼，材料等級為X60，經(jīng)查API 5L得到X60管線鋼的最小屈服強度為415 MPa，抗拉強度為520 MPa。根據(jù)上述3個管道金屬損失缺陷剩余強度評價方法，在計算剩余強度時需要用到最小屈服強度和抗拉強度二值。所以用以計算管道剩余強度所需要的參數(shù)和缺陷參數(shù)為：SMYS=415 MPa；UTS=520 MPa；D=323 mm；d=2.9 mm；L=8 mm；t=9.3 mm。

3.3.1 基于ASME B31G—2009計算方法

檢測得到的管道缺陷參數(shù)，L2/Dt=0.021 31＜50，故屬于短缺陷。根據(jù)公式（1）計算：M=1.006 663；根據(jù)公式（3）計算：σflow=456.5 MPa；則管道安全壓力根據(jù)公式（4）計算得：P=26.223 8 MPa。

3.3.2 基于RSTRENG 0.85dL計算方法

L2/Dt=0.02131＜50，故屬于短缺陷。根據(jù)公式（1）計算：M=1.006 663；根據(jù)公式（5）計算：σflow=484 MPa；則管道安全壓力根據(jù)公式（4）計算得：P=27.903 1 MPa。

3.3.3 基于DNV-RP-F101計算方法

根據(jù)公式（7）得到的管道長度修復系數(shù)Q=1.003 297。則安全壓力根據(jù)公式（6）計算，其中UTS=520；則P=30.787 3 MPa。

3.3.4 不同評價方法計算的剩余強度

基于不同的評價方法，對于此缺陷計算得到的管道剩余強度見表2，其中ERF（Estimated Repair Factor）為估計修復因子[7]，是最大允許運行壓力與通過金屬損失評價方法得出的安全運行壓力比值：

式中：MAOP為管道最大允許運行壓力，即9.3MPa；P為通過金屬損失評價方法計算出的安全運行壓力，MPa。

表2 不同評價方法剩余強度的計算結(jié)果

4 不同標準的管道剩余強度分析

通過不同標準計算得到的管道剩余強度中：ASME B31G—2009計算方法的結(jié)果最為保守，RSTRENG 0.85dL的計算方法的結(jié)果居中，DNVRP-F101計算方法得到的結(jié)果最為積極。同樣，ERF值中，DNV-RP-F101計算方法得到的ERF值最低。由于管道的最大可允許操作壓力為9.3 MPa，計算結(jié)果說明這條管道存在最嚴重的缺陷，暫時未影響到管道的安全。同時，基于不同的管線條件，出于安全考慮，應該使用不同的標準，將管道安全壓力計算結(jié)果對比如表3所示[8]。

由表3可知，對于這條管道來說，管線強度為X60鋼，應適宜使用DNV標準對缺陷進行剩余強度計算，但由于是海管且運行環(huán)境較為惡劣，基于安全考慮，ASME B31G—2009的結(jié)果最為保守。綜上，對于這條管線的完整性管理來說，在高危險區(qū)域如立管段適宜使用ASME B31G標準進行剩余強度計算；在低風險區(qū)域可使用DNV標準進行計算。且需要進行定期內(nèi)檢測采集數(shù)據(jù)觀察金屬損失的變化，監(jiān)測管道的情況，保障管道的安全運行。

表3 3種評價方法結(jié)果對比