鄭京召 郭愛玲

〔中國石化銷售有限公司華中分公司 湖北 武漢 430000〕

中國石化華中成品油管道呈點多線長、野外分布廣、地形復雜、高后果區(qū)多、管理難度大、不可控因素多等特點，且隨著管道使用年限的延長，管道施工質(zhì)量的缺欠、腐蝕干擾和外力破壞等原因造成的缺陷使管道本體狀況逐步惡化，潛在危險逐漸增加。

內(nèi)檢測在發(fā)現(xiàn)管道本體缺陷，有效評估管道安全性能方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]，并已成為管道實施完整性管理的重點和核心。如何充分利用內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對缺陷點進行合理準確評估，確定受損管道是否需要維修，以及采用何種方式修復，已成為實現(xiàn)基于內(nèi)檢測技術(shù)的管道完整性閉環(huán)管理[2]的重要問題。

本文根據(jù)管道周邊環(huán)境、開挖情況分析缺陷點的分布規(guī)律、產(chǎn)生原因，結(jié)合缺陷評價模型對管道的破壞程度進行評估，針對性地制定維修維護和預防措施，進而指導建設期管道建設和運營期管道的日常管理，對有效防治管道隱患，具有借鑒意義。

1 內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)問題的統(tǒng)計分析

華中片區(qū)成品油管道有φ406 mm×7.1 mm、φ355 mm×7.1 mm、φ323 mm×6.4 mm和φ273 mm×6.4 mm四種規(guī)格，涉及湖北、湖南、江西、安徽四省，途經(jīng)區(qū)域有河流、魚塘、丘陵、農(nóng)田、荒地、公路、鐵路、廠礦等復雜地貌。自2015年，所轄管道陸續(xù)完成了幾何變形檢測和三軸漏磁檢測，獲取了大量的管道缺陷信息。

對已開挖調(diào)查的33處凹陷點進行了分類統(tǒng)計(表1)，發(fā)現(xiàn)引起管道凹陷變形的因素有底部石塊頂壓、第三方施工破壞、未設置冷彎管和底部存在舊管道等。底部石塊、舊管道頂壓和未設置冷彎管等建設期施工質(zhì)量引起的凹陷點位于管道4:00-8:00范圍內(nèi)，由第三方施工破壞引起的凹陷點位于管道頂部11:00-3:00范圍內(nèi)。其中，底部石塊頂壓導致管道凹陷變形占78.9 %，第三方施工破壞占15.1 %，未設置冷彎管和舊管道頂壓導致管道凹陷變形均占3.0 %。管道底部石塊均為建設期管溝未清理留存，又因多年水土沉降頂壓管道，導致管道變形。

對已開挖調(diào)查的33處金屬損失點進行統(tǒng)計(表1)，發(fā)現(xiàn)引起管道金屬損失的因素有電化學腐蝕和第三方施工破壞。兩者造成的金屬損失點在管道圓周的分布沒有明顯規(guī)律。其中，電化學腐蝕導致的金屬損失占90.9 %，第三方施工破壞占9.1 %。

表1 內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)問題統(tǒng)計表

2 成因分析

圖1為底部石頭未清理、第三方施工破壞等4處典型的缺陷點形貌，經(jīng)開挖測量，缺陷點基本參數(shù)見表2。

圖1典型缺陷點形貌

表2 四處缺陷點基本信息表

注：1)OD：管道外徑；2)wt：管道壁厚。

圖1(1)管道位于塘堤內(nèi)側(cè)，管道沿塘堤敷設，距離魚塘約2.5 m。缺陷處防腐層破損。施工時未按要求清除管底石塊，由于管道兩端隨土壤沉降，造成石塊頂傷管道，使管道底部凹陷變形。經(jīng)現(xiàn)場實測，變形量僅為3.9 % OD，經(jīng)外觀觀察屬于平滑凹陷。按照行業(yè)標準[3]對管體凹陷部位外表面實施了磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1(2)管道北側(cè)、南側(cè)和東邊均為農(nóng)田，西邊為池塘。缺陷處防腐層破損。管道下溝后投油前，未及時設置“三樁一牌”，當?shù)亟ㄔO單位平整土地時，機械設備損傷管道，造成管道頂部凹陷變形。按照行業(yè)標準[3]對管體凹陷部位外表面實施了磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。該凹陷深度已經(jīng)達到6.8 %OD，且含有明顯劃痕，雖經(jīng)過打磨處理，但壁厚減薄不排除仍存在應力集中，需立即維修。

圖1(3)管道沿高速公路敷設，北邊有工程安裝公司，東面有魚塘、公墓，南邊有高速公路、西邊為農(nóng)田。地質(zhì)由上而下主要為黃泥土、礫砂土層。缺陷處防腐層完好，未見破損。管道定向鉆入土點與直管段接頭處未設置冷彎，強力組對焊導致管道凹陷變形。經(jīng)現(xiàn)場實測，變形量為7.7 %OD，經(jīng)磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。由于變形量大于6 %OD，需立即維修。

圖1(4)缺陷處有黑色粉末，防腐層破損。外檢測發(fā)現(xiàn)管道斷電電位不滿足-850 mV，管道處于欠保護狀態(tài)。土壤電阻率分布不均勻，且土壤電阻率普遍偏大，客觀上造成了陰級保護電流難以通過管道缺陷點流入管道，并在局部管段造成陰級保護屏蔽效果，導致管道極化水平下降，通斷電電位偏正，缺陷點發(fā)生腐蝕。管道在陰極保護缺失的條件下，當穿越含水量高、土壤含鹽量較大、氧含量偏少的農(nóng)田、水塘管段時，該管段為陽極區(qū)，易發(fā)生腐蝕。打磨過程中該缺陷點發(fā)生油品呈霧狀泄漏。

3 維修維護措施

3.1 變形點修復措施

根據(jù)國標[4]及行標[5]并結(jié)合經(jīng)濟性考慮，對于3.9%OD的變形點應選擇復合材料進行補強修復，并清除管道底部石塊；對于6.8%OD的變形點應采用換管或B型套筒修復方式，并清除管道底部石塊；對于7.7%OD的變形點，因其變形量較大，需結(jié)合有限元模擬分析變形管道的承壓能力，再綜合評定是否需要換管。

該管道材質(zhì)為L415，管徑323.9 mm，設計壓力9.5 MPa，缺陷處壁厚6.35 mm，運行壓力4.8 MPa。采用設計壓力和工作壓力對缺陷點進行評價。取管道的1/4進行有限元建模[6，7]，分析采用Ansys[6，8，9]有限元軟件中的八節(jié)點殼單shell 181，壓頭采用實體單元solid 45。壓頭與管道頂部之間為接觸關(guān)系，管道長度取為2 m，在對稱面施加對稱邊界條件，并在管道底部施加約束。材料的本構(gòu)關(guān)系采用Ramberg-Osgood模型，屈服強度415 MPa，抗拉強度520 MPa。采用靜態(tài)分析，模擬管道凹陷成型過程。分析過程包含施加內(nèi)壓、施加外部載荷、卸載外部載荷三個步驟[7]。通過有限元數(shù)值模擬，由圖2凹陷處變形可見，有限元模擬與實際測量結(jié)果吻合較好，能夠模擬凹陷管道的實際情況。有限元云圖見圖3，計算結(jié)果見表3。

圖2 凹陷處變形

圖3 有限元云圖

表3 評價結(jié)果對比情況表

由表3可見，運行壓力下，凹陷點局部最大等效應力均為520 MPa，達到材料的抗拉強度[8]。最大等效應變6.6%，超過許用應變6%；實際變形量7.7%OD，超過許用變形量6.0% OD，該缺陷點應立即進行維修。結(jié)合國標[4]及行標[5]中凹陷修復建議，同時考慮該凹陷點兩邊300 mm長度范圍內(nèi)管道直徑存在輕微鼓脹，建議換管。

3.2 金屬損失點修復措施

該金屬損失點由于打磨過程中該缺陷點發(fā)生油品呈霧狀泄漏，應立即停輸，采用補板臨時修復，并在后期加強監(jiān)護。

4 防治對策

4.1 建設期管道施工管理

建設期施工[10]中應針對不同地質(zhì)條件的施工通道采用不同的修筑方法，保證通道的平整度，避免管材損傷；接收、發(fā)放管材時需嚴格檢查，拒絕有缺陷的管材入場；二次倒運時，運輸車上鋪設草袋或膠皮，采用捆扎帶封車防治管材滾擦變形或防腐層破損；管材裝卸應使用專業(yè)吊裝工具，保證管材裝卸過程無損傷；開挖管溝內(nèi)需清除石塊，無法清除的石塊，應將石塊上部清除，保證管道沉降余量，杜絕使用橡膠墊片、砂袋等臨時性墊隔措施；陰級保護系統(tǒng)保護長度要覆蓋整個外管道。

4.2 運營期管道日常管理

做好管道外檢測、內(nèi)檢測和合于使用評價工作。嚴格按照國家標準、規(guī)范要求，加強外管道定期檢測制度，對存在外腐蝕的管道進行防腐層完整性檢測評價和陰極保護有效性評價，對存在雜散電流干擾的管段進行專項檢測并排流；對存在內(nèi)腐蝕的管道加注緩蝕劑等。實施周期性內(nèi)檢測，并將內(nèi)、外檢測數(shù)據(jù)對齊，綜合評價管道安全狀態(tài)，結(jié)合高后果區(qū)分布及合于使用評價結(jié)果，合理安排缺陷修復計劃和周期性內(nèi)外檢測計劃，杜絕發(fā)生管道泄漏事故。

抓實防治第三方施工管理。第三方施工現(xiàn)場應配置專人實施24 h監(jiān)護。搜集沿線的所有土地使用者、沿線戶主、行政村或自然村的村干部、小隊長和鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地管理所、水利管理所的基層干部、省市縣發(fā)改委、土地、規(guī)劃等部門，以及通訊公司等施工企業(yè)信息[11]，及時掌握第三方施工消息，杜絕第三方施工破壞。

5 結(jié)語

統(tǒng)計內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)的管道本體缺陷信息，分析得出以下結(jié)果：

(1)建設期施工質(zhì)量是引起管道變形的主要原因，主要有底部石塊頂壓、第三方施工破壞、未設置冷彎管、底部存在舊管道。

(2)運營期電化學腐蝕和第三方施工破壞可引起管道金屬損失，其中電化學腐蝕為主要因素。

(3)考慮經(jīng)濟性，對于變形量小于6%OD的平滑凹陷，可使用復合材料補強技術(shù)進行修復；對于大于等于6%OD的凹陷，應結(jié)合數(shù)值模擬軟件進行計算，準確評估缺陷的最大等效應力和等效應變，根據(jù)實際情況選用B型套筒或換管修復方式；對于較嚴重的金屬損失點可采用補板進行應急性臨時修復，后期可根據(jù)金屬損失點的密集程度、經(jīng)濟條件、維修資源情況，選用B型套筒或換管等永久性修復方式。

(4)加強建設期管道工程中每道工序的質(zhì)量監(jiān)控和驗收，以及運營期管道內(nèi)、外檢測和第三方施工管理，做到隨時掌控管道狀態(tài)。