許延軍

延長(zhǎng)油田股份有限公司

慶咸輸油管道工程管線鋪設(shè)于甘肅、陜西兩省境內(nèi),線路起點(diǎn)為甘肅省慶陽市長(zhǎng)慶慶咸首站,終點(diǎn)為陜西省咸陽市長(zhǎng)慶咸陽末站,管道全線包括輸油站場(chǎng)4座、截?cái)嚅y室10座,管道全長(zhǎng)220.88 km,管徑為377 mm,管道材質(zhì)采用L360(X52),外防腐層為環(huán)氧粉末,設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa,管道設(shè)計(jì)輸量500X104t/a.2006年6月完成管道鋪設(shè)工作,2006年11月投入使用,至今已運(yùn)行13年.為防止慶咸輸油管道腐蝕而出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn),需采取有效的管道檢測(cè)方法及時(shí)對(duì)管道運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè),了解管道腐蝕現(xiàn)狀并進(jìn)行分析研究,利用更合理的防腐技術(shù)與維護(hù)措施,從而減少事故損失,節(jié)約維修費(fèi)用,提高管道運(yùn)行水平[1].

油氣長(zhǎng)輸管道腐蝕按部位不同分為內(nèi)、外腐蝕,管道的內(nèi)腐蝕主要由輸送的油氣介質(zhì)中包含的硫化物、二氧化碳、溶解氧、水氣等雜質(zhì)與管壁金屬發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕引起.降低管道內(nèi)腐蝕多采用管道內(nèi)壁做好防腐涂層以隔離管壁和腐蝕介質(zhì),或在輸送介質(zhì)中添加緩蝕劑以減緩管壁腐蝕,在運(yùn)行期間定期清管以去除管壁積累的易腐蝕雜質(zhì)等措施來聯(lián)合處理[2].管道的外腐蝕受管道鋪設(shè)的外部環(huán)境影響極大,包括土壤、微生物、空氣、水、雜散電流等腐蝕因素的長(zhǎng)時(shí)間作用,對(duì)管道外壁產(chǎn)生化學(xué)、電化學(xué)和物理腐蝕等.降低管道外腐蝕多采用管道外壁做好防腐涂層和防腐絕緣層以隔離管壁與外部環(huán)境接觸,管道外部設(shè)置電化學(xué)保護(hù)以降低電化學(xué)腐蝕等措施來聯(lián)合處理[3].

趙鑫闡述了油氣管道腐蝕檢測(cè)的意義和作用,介紹了常見的管道腐蝕檢測(cè)技術(shù)和修復(fù)技術(shù),認(rèn)為只有通過科學(xué)合理的管道檢測(cè),才能明確管道腐蝕的情況并進(jìn)行修復(fù),減少安全事故的發(fā)生[4].

譚文捷等介紹了管道內(nèi)、外腐蝕檢測(cè)技術(shù),并分析了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),提出了腐蝕檢測(cè)技術(shù)存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)[5].

楊洪銀等針對(duì)長(zhǎng)距離管道無損檢測(cè)問題,基于管道腐蝕過程會(huì)產(chǎn)生不同頻率、幅值的聲發(fā)射信號(hào),通過檢測(cè)釋放的聲發(fā)射信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行分析,判斷管道腐蝕損傷狀態(tài),從而確定合理的維護(hù)措施,預(yù)防管道泄漏等事故[6].

程福松等分析了油氣管道腐蝕的原因,探討了常用腐蝕檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用條件及優(yōu)缺點(diǎn),可為油氣管道生產(chǎn)維護(hù)提供依據(jù)[7].

綜上所述,前人在油氣管道腐蝕檢測(cè)方面開展了大量的研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐工作,主要側(cè)重于管道的內(nèi)、外腐蝕檢測(cè)及維護(hù)方面,而對(duì)于長(zhǎng)輸油氣管道的檢測(cè)及防護(hù),以及綜合檢測(cè)方法技術(shù)的應(yīng)用,有待進(jìn)一步實(shí)踐[8].本文通過對(duì)慶咸原油集輸管道開展腐蝕防護(hù)檢測(cè)工作,評(píng)價(jià)各類檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性,分析該段管道檢測(cè)結(jié)果,并提出了管理維護(hù)建議,可為慶咸原油集輸管道安全運(yùn)行及維護(hù)提供借鑒.

1 慶咸輸油管道檢測(cè)組合技術(shù)

對(duì)于長(zhǎng)輸原油管道而言,在內(nèi)、外腐蝕檢測(cè)分析方面,需要利用多種技術(shù)組合才能取得更好的檢測(cè)效果.因此,針對(duì)慶咸輸油管道提出管道宏觀檢查、外防腐層完整性檢測(cè)、陰極保護(hù)有效性檢測(cè)、雜散電流和直接開挖的腐蝕檢測(cè)組合技術(shù).最后綜合以上檢測(cè)結(jié)果,對(duì)防腐層缺陷漏點(diǎn)最大處采用直接開挖檢測(cè),驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.1 管道宏觀檢查

(1)管道附屬設(shè)施及敷設(shè)環(huán)境登記.對(duì)管道敷設(shè)沿線的管道附屬設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)登記,具體包括管道標(biāo)志樁、測(cè)試樁、警示牌、防護(hù)帶、水工保護(hù)設(shè)施、穿跨越等,同時(shí)對(duì)管道穿越農(nóng)田、荒地、灌木叢、村莊、城市、占?jí)旱确笤O(shè)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)記錄.

(2)管道埋深、位置走向測(cè)定.探地雷達(dá)、聲波法、釬探法、多頻管中電流法等管道測(cè)量技術(shù)均可用于輸油管道檢測(cè)埋深及位置走向的詳細(xì)測(cè)量.在實(shí)際的管道檢測(cè)作業(yè)中,由于受到管道敷設(shè)環(huán)境、地面覆蓋物情況、檢測(cè)工期、設(shè)備、成本等因素的約束,通常采用多頻管中電流法進(jìn)行檢測(cè).

多頻管中電流法在管地間施加直流正弦波信號(hào),信號(hào)自發(fā)射點(diǎn)向管道兩側(cè)傳輸,電流信號(hào)隨著管道距離的增加而衰減,通過接收機(jī)測(cè)量管中信號(hào)電流衰減情況.采用多頻管中電流法對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)(圖1),可以得到管中信號(hào)電流衰減曲線.防腐層絕緣性能越好,絕緣電阻越大,電流損耗越小,此時(shí)電流衰減曲線正常;電流衰減曲線下降幅度增大說明此段管段異常,存在防腐層破損點(diǎn),導(dǎo)致電流泄漏損耗加大.其中PCM檢測(cè)儀便攜耐用,精準(zhǔn)度高,操作便捷,適用于輸油管道的定位探測(cè).因此確定采用多頻管中電流測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行管道定位并測(cè)量埋深,利用接收器測(cè)定管道走向,并按照50 m的間距進(jìn)行管道埋深測(cè)量,同時(shí)完成管道附屬設(shè)施登記及敷設(shè)環(huán)境記錄.

圖1 多頻管中電流法檢測(cè)Fig.1 Current detection in multifrequency tubes

1.2 管道外防腐層完整性檢測(cè)

在日常的生產(chǎn)運(yùn)行中,無論管道的施工技術(shù)和運(yùn)行維護(hù)如何高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、重落實(shí)地實(shí)施,管道的外防腐層仍會(huì)存在部分不連續(xù)的漏點(diǎn).管道防腐層漏點(diǎn)會(huì)形成陰極保護(hù)的不連續(xù)性,造成陰極保護(hù)效果降低或失效,同時(shí)防腐層漏點(diǎn)處管道與外界介質(zhì)的直接接觸,也會(huì)造成管道發(fā)生外腐蝕.管道施工中噴涂不均勻、管道運(yùn)輸發(fā)生磕碰、管道安裝中形成破損等是造成管道外防腐層存在漏點(diǎn)的重要原因.如果在管道建設(shè)的竣工驗(yàn)收及投產(chǎn)時(shí)把關(guān)不嚴(yán),造成管道防腐層漏點(diǎn)未被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)就開始投入日常運(yùn)行,隨著管道投用時(shí)間的增加,管道外防腐層的損壞面積會(huì)加大,管道腐蝕會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重.在管道生產(chǎn)運(yùn)行中,防腐層逐漸發(fā)生老化、管輸活動(dòng)造成土壤應(yīng)力、管道發(fā)生第三方破壞也會(huì)造成防腐層漏點(diǎn)不斷增多.

標(biāo)準(zhǔn)管地電位測(cè)試、密間隔電位測(cè)量、交流電位梯度法、電壓差檢測(cè)、多頻管中電流法等方法均可用于輸油管道外防腐層檢測(cè).多頻管中電流法可同時(shí)進(jìn)行定位探測(cè)和防腐層檢測(cè),適用于油田管道的防腐層整體性能的定性評(píng)價(jià).交流電位梯度法適用于油田管道防腐層破損點(diǎn)的查找和精準(zhǔn)定位.

因此,采用多頻管中電流法和交流電位梯度法對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè).根據(jù)多頻管中電流法測(cè)得的外防腐層絕緣電阻對(duì)外防腐層整體質(zhì)量進(jìn)行定性分級(jí):絕緣電阻大于10Ω質(zhì)量為一級(jí),5~10Ω質(zhì)量為二級(jí),3~5Ω質(zhì)量為三級(jí),1~3Ω質(zhì)量為四級(jí).根據(jù)交流電位梯度法測(cè)得的防腐層破損點(diǎn)泄漏電流方向和電流衰減率值對(duì)外防腐層破損點(diǎn)精準(zhǔn)定位,根據(jù)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)破損點(diǎn)分布密度,確定防腐層缺陷嚴(yán)重程度.

交流電位梯度法定位破損點(diǎn)儀器如圖2所示.當(dāng)PCM電流衰減曲線突然損耗加大、衰減異常時(shí),在此段異常管段5 m范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量定位,對(duì)管道施加交流電流信號(hào),使用接收器讀取防腐層破損點(diǎn)附近的泄漏電流方向和電流衰減率值.泄漏電流方向在接收器以左右箭頭顯示,其指向?yàn)楣艿婪栏瘜悠茡p點(diǎn)方向;順著箭頭方向進(jìn)行左右定位,同時(shí)讀取電流衰減值,衰減值在20~80內(nèi)不斷增大代表不斷地在靠近破損點(diǎn)位置,衰減值為80時(shí)為最高點(diǎn)峰值,此處距離破損點(diǎn)距離為0.5 m左右,破損點(diǎn)正上方的衰減值會(huì)稍微減小.

圖2 交流電位梯度法定位破損點(diǎn)儀器Fig.2 Instrument for locating damage points through AC ground potential gradient method

1.3 管道陰極保護(hù)有效性檢測(cè)

一般采用標(biāo)準(zhǔn)管/地電位檢測(cè)(P/S)法對(duì)管道陰極保護(hù)有效性進(jìn)行檢測(cè).通過在沿線測(cè)量管道各測(cè)試點(diǎn)的陰極保護(hù)電位來評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)效果.對(duì)管道全線測(cè)試樁的實(shí)地電位進(jìn)行檢測(cè),管道陰極保護(hù)電位應(yīng)不大于-850 mV,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)分析陰極保護(hù)系統(tǒng)為正常保護(hù)、欠保護(hù)或過保護(hù)狀態(tài),評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)效果.

1.4 雜散電流檢測(cè)

雜散電流普查測(cè)試同陰極保護(hù)有效性檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行,針對(duì)檢測(cè)管道不同地段的情況選擇在沿線測(cè)試重要區(qū)域,尤其是測(cè)試樁測(cè)量電位與歷史數(shù)據(jù)相差較大、有明顯干擾源的區(qū)域(如強(qiáng)電力高電壓設(shè)備附近、鐵路等直流通電設(shè)施近距離并行段、與其他伴有陰極保護(hù)系統(tǒng)管道交叉等位置),聯(lián)合應(yīng)用管線密間隔電位法進(jìn)行雜散電流的測(cè)試評(píng)價(jià).密間隔電位法是在陰極保護(hù)系統(tǒng)上安裝同步斷路器,設(shè)置斷路器以通電800 ms、斷電200 ms為周期對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行周期性通/斷動(dòng)作;同時(shí),在管道上方以3 m為間隔,利用測(cè)試儀對(duì)管道進(jìn)行位置定位及電位測(cè)量,可得到雜散電流干擾電位差來判斷干擾程度.管地電位的波動(dòng)值大于20 mV時(shí),表示存在雜散電流干擾,干擾程度為弱;波動(dòng)值大于100 mV時(shí),必須采取防護(hù)措施.根據(jù)密間隔電位測(cè)試結(jié)果,對(duì)管道雜散電流的重點(diǎn)干擾區(qū)域提出防護(hù)建議.

1.5 開挖直接檢測(cè)

直接檢測(cè)的開挖點(diǎn)選取依據(jù)前期管道防腐層及陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的防腐層破損點(diǎn)情況而定,原則上應(yīng)全部進(jìn)行實(shí)地開挖檢測(cè).如果檢測(cè)處管道的防腐層破損點(diǎn)數(shù)量過多,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地貌地形、等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行綜合判斷,按10%的比例抽樣選取防腐層缺陷漏點(diǎn)最大處進(jìn)行開挖.

管道探坑開挖后,需檢查并記錄防腐層外觀、厚度、破損點(diǎn)等情況(圖3).

圖3 管道開挖探坑Fig.3 Pipeline excavation and pit exploration

2 管道檢測(cè)結(jié)果

2.1 管道埋深

慶咸輸油管道管體設(shè)計(jì)敷設(shè)埋深為1.05 m(管頂覆土深度),管徑為377 mm,管體中心至覆土頂層深度為1.238 5 m,由于PCM埋深檢測(cè)的結(jié)果為管體中心到覆土頂層的深度,故本次檢測(cè)以1.238 5 m作為標(biāo)準(zhǔn)埋深對(duì)實(shí)測(cè)埋深進(jìn)行校核.檢測(cè)結(jié)果表明,埋深不滿足設(shè)計(jì)要求的共453段(處),長(zhǎng)度為31 450 m.

2.2 土壤腐蝕性

對(duì)管道沿線12處的土壤抽樣檢測(cè),土壤的腐蝕性具體劃分如下:土壤電阻率小于20 Ω.m為強(qiáng),20~50 Ω.m為中,大于50 Ω.m為弱.2018年4月對(duì)慶咸輸油管道敷設(shè)環(huán)境的土壤腐蝕性進(jìn)行測(cè)試,土壤電阻率均大于50 Ω.m(表1),土壤的腐蝕性均評(píng)價(jià)為弱.

表1 土壤電阻率測(cè)試統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of soil resistivity test

對(duì)16處開挖處管道附近的土壤pH值進(jìn)行測(cè)試.土壤pH值小于4.5腐蝕性為強(qiáng),4.5~6.5為中,6.5~8.5為弱,各處測(cè)試位置的pH值在6.4~6.8之間,均處于弱酸性,氧化還原電位均在200~400 mV,含水率、Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤總含鹽量都比較低,如表2所示.

2.3 管道外防腐層完整性

經(jīng)檢測(cè),慶咸輸油管道防腐層長(zhǎng)度共計(jì)220.88 km.防腐層質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)管段長(zhǎng)195.98 km,占總長(zhǎng)的88.73%;質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)管段長(zhǎng)23.55km,占總長(zhǎng)的10.66%;質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)管段長(zhǎng)1.35 km,占總長(zhǎng)的0.61%;質(zhì)量等級(jí)為四級(jí)管段長(zhǎng)度為0.共檢測(cè)出外防腐層破損點(diǎn)220處,平均0.996 km-1.

表2 土壤理化分析統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of soil physicochemical analysis

2.4 陰極保護(hù)有效性

慶咸輸油管道陰極保護(hù)方式為強(qiáng)制電流陰極保護(hù),管道沿線共設(shè)陰極保護(hù)站3座,分別位于慶咸首站、彬縣清管站及咸陽末站,站內(nèi)恒電位儀均正常工作.

防腐層長(zhǎng)度共220.88 km,管道陰極保護(hù)電位應(yīng)不大于-850 mV.管道的管地電位檢測(cè)結(jié)果顯示,處于有效保護(hù)的管段長(zhǎng)度為175.29 km,整體保護(hù)率為79.35%,此部分管道的電位處于-1 200~-850 mV之間.其中處于欠保護(hù)狀態(tài)的管段長(zhǎng)度為45.59 km,此部分管道的電位大于-850 mV.

對(duì)全線雜散電流干擾源進(jìn)行了普查,發(fā)現(xiàn)雜散電流干擾源主要為高壓電線及電纜線.對(duì)沿線進(jìn)行了6處雜散電流測(cè)試:管地電位的波動(dòng)值大于20 mV時(shí),為存在雜散電流干擾,干擾程度為弱;管地電位波動(dòng)值大于100 mV時(shí),必須采取防護(hù)措施.經(jīng)檢測(cè)6處雜散電流干擾程度均為弱.

2.5 管道開挖檢驗(yàn)及腐蝕原因分析

(1)防腐層破損.經(jīng)檢測(cè),管道直接開挖的16處均有防腐層破損,開挖驗(yàn)證準(zhǔn)確率100%.在這些破損點(diǎn)中,導(dǎo)致外防腐層發(fā)生破損現(xiàn)象的原因主要為防腐層施工質(zhì)量差和物理損傷.其中防腐層施工質(zhì)量原因造成的破損有2處,占開挖點(diǎn)總數(shù)的12.5%;物理損傷原因造成的破損有14處,占開挖點(diǎn)總數(shù)的87.5%.防腐層施工質(zhì)量原因造成的2處破損均為管道補(bǔ)口處的防腐層剝落;物理損傷原因造成的破損均為外部施工或平田整地造成的機(jī)械劃傷,導(dǎo)致防腐層剝落.

(2)管體缺陷及表面腐蝕.經(jīng)檢測(cè),管道直接開挖的16處破損點(diǎn)中有3處管體有缺陷,1處為硬物磕碰造成的少許麻坑,另2處均為機(jī)械損傷造成的管體缺陷,其余12處管體無損傷.管道開挖有1處管線表面存在輕微的腐蝕,其余管線表面無腐蝕產(chǎn)物.造成管體表面有輕微銹跡的原因是陰極保護(hù)電位不足造成管體欠保護(hù),從而導(dǎo)致管體輕微腐蝕.

(3)管道壁厚和防腐層厚度測(cè)試.管道壁厚測(cè)試結(jié)果表明,管體壁厚的減薄均不是很明顯,缺陷處最小管體壁厚符合管道設(shè)計(jì)壁厚要求,現(xiàn)場(chǎng)已對(duì)管體缺陷進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng).外防腐層厚度檢測(cè)結(jié)果表明,管道整體外防腐層的平均厚度均達(dá)到了管道防腐層設(shè)計(jì)厚度的要求.

3 結(jié)論與建議

對(duì)慶咸輸油管道腐蝕情況調(diào)查分析并檢測(cè)后,基本掌握了慶咸輸油管道的現(xiàn)場(chǎng)情況.評(píng)價(jià)結(jié)果表明,慶咸輸油管道完整性狀態(tài)良好,但存在一定安全隱患,主要為管道埋深不足區(qū)段共453段,長(zhǎng)度為31.45 km,露管管段2處,管道占?jí)?0處;防腐層質(zhì)量等級(jí)為三級(jí)管段長(zhǎng)度為1.35 km,外防腐層破損點(diǎn)220處;陰極保護(hù)欠保護(hù)的管段有45.59 km;3處開挖檢測(cè)管體有缺陷,現(xiàn)已完成補(bǔ)強(qiáng)修復(fù).

對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的埋深不足區(qū)段的管道,特別是2處露管位置,采用管線下降改造或者水土保持措施,從而加大埋深的方法,使管道的覆土層厚度達(dá)到要求.對(duì)50處管道占?jí)哼M(jìn)行協(xié)調(diào)并予以清除.對(duì)33處缺失及損壞的地面標(biāo)識(shí)設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)足及修復(fù),其中缺失損壞無法修復(fù)的進(jìn)行更換.對(duì)偏移位置大于2 m的298處地面標(biāo)識(shí)設(shè)施進(jìn)行重新埋設(shè).現(xiàn)場(chǎng)共檢測(cè)出220處防腐層破損點(diǎn),直接開挖檢驗(yàn)處均已修復(fù),建議對(duì)剩余194處進(jìn)行開挖修復(fù),同時(shí)對(duì)管體腐蝕狀況進(jìn)行檢測(cè),若存在超標(biāo)缺陷,須對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理.陰極有效性檢測(cè)結(jié)果表明,整體保護(hù)率為79.35%,建議盡快對(duì)欠保護(hù)的管道進(jìn)行改造,使全線處于保護(hù)狀態(tài),并加強(qiáng)陰極保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測(cè).