謝豪放

[中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 天津 300459]

0 引 言

海上油田輸油管道作為海上油氣田開(kāi)采系統(tǒng)的重要組成部分，是海上油氣輸送的主要載體之一。因?yàn)楣艿劳夂５篆h(huán)境復(fù)雜多變，管道內(nèi)輸送介質(zhì)含水、鹽、硫等腐蝕介質(zhì)，會(huì)對(duì)海上油田輸油管道的安全運(yùn)行造成隱患和威脅［1-2］，所以獲得準(zhǔn)確的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于海上油田輸油管道的完整性分析與管理十分必要。目前常用的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)有漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)、超聲波內(nèi)檢測(cè)技術(shù)、渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)［3-4］。本文目標(biāo)管道存在583 個(gè)彎頭、142 個(gè)補(bǔ)償器和3 個(gè)三通，這對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)作業(yè)的開(kāi)展提出了更大的挑戰(zhàn)。為確保海上輸油管道安全運(yùn)行和提高內(nèi)檢測(cè)設(shè)備的通過(guò)性，某油田采用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)獲取該管道狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于渦流內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供了海上輸油管道管理建議及維保措施。

1 渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

渦流內(nèi)檢測(cè)是一種以電磁感應(yīng)為原理的無(wú)損內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。渦流內(nèi)檢測(cè)設(shè)備由電源、初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈等構(gòu)成。在管道開(kāi)展內(nèi)檢測(cè)作業(yè)時(shí)，需對(duì)檢測(cè)設(shè)備的初級(jí)線(xiàn)圈通電，管道表面在電磁感應(yīng)作用下產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)作用于次級(jí)線(xiàn)圈而感應(yīng)出電壓。感應(yīng)電壓的大小與缺陷的大小、形狀等有關(guān)。當(dāng)管壁存在缺陷時(shí)，通過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化，導(dǎo)致感應(yīng)電壓發(fā)生變化，并根據(jù)感應(yīng)電壓圖譜可以快速準(zhǔn)確得到管道缺陷數(shù)據(jù)［5-6］。

楊松等［7］應(yīng)用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)高效準(zhǔn)確獲得了文昌13-1 平臺(tái)至FPSO 的254 mm 油氣水混輸管道中PIG閥門(mén)的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并優(yōu)化了球體設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了檢測(cè)器的通過(guò)性，有效降低了輸油管道事故發(fā)生的可能性。玄文博等［8］自主搭建了高速自動(dòng)渦流檢測(cè)試驗(yàn)裝置，并開(kāi)展了不同類(lèi)型的類(lèi)裂紋渦流內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同類(lèi)型、深度的缺陷阻抗信號(hào)特征不同，這驗(yàn)證了電磁渦流技術(shù)用于類(lèi)裂紋缺陷內(nèi)檢測(cè)的可行性。常春等［9］基于渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)獲得了蘇里格氣田輸氣管道的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，渦流內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、通過(guò)性好。楊巍等［10］應(yīng)用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確檢測(cè)了海管立管的腐蝕程度及定位，解決了海管立管內(nèi)檢測(cè)的難題，對(duì)海上油氣田立管內(nèi)檢測(cè)工作有一定的指導(dǎo)意義。

2 渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析

海上某油田輸油管道直徑為406.4 mm，長(zhǎng)度為58.8 km，海管長(zhǎng)度為44.2 km，陸管長(zhǎng)度為14.6 km，海管壁厚為14.3 mm，陸管壁厚為11.1 mm。為快速準(zhǔn)確獲取該管道狀態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)該管道進(jìn)行檢測(cè)，本次試驗(yàn)共檢測(cè)到該管道存在293 個(gè)深度大于10%壁厚的異常，最大深度為26%，里程為3 605.06 m，時(shí)鐘位置為8：00。渦流內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，缺陷沿管道里程均有分布，各時(shí)鐘方位均有缺陷分布；存在凹陷一處，位于里程31 640.60 m處，其深度40.1 mm，長(zhǎng)度152.0 mm，時(shí)鐘方位為5：00。

2.1 缺陷數(shù)量分布

應(yīng)用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)得到海上某油田輸油管道缺陷數(shù)量數(shù)據(jù)分布如圖1 所示。圖1 數(shù)據(jù)顯示：該管道在全里程范圍內(nèi)均有缺陷分布，且大部分缺陷深度在10%~20%范圍內(nèi)，在13 500~14 250 m里程范圍內(nèi)缺陷數(shù)量最多，達(dá)到了19 個(gè)；在3 000~43 500 m 里程范圍內(nèi)存在深度為20%~30%的缺陷；在39 000~39 750 m里程范圍內(nèi)缺陷數(shù)量最多，達(dá)到了3 個(gè)。該管道在全里程范圍內(nèi)不存在深度大于30%的缺陷。

圖1 缺陷數(shù)量分布圖Fig.1 Defect quantity distribution map

2.2 缺陷時(shí)鐘方位分布

應(yīng)用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)得到海上某油田輸油管道缺陷時(shí)鐘方位分布如圖2、3 所示。數(shù)據(jù)顯示：該管道沿周向均有分布且主要分布在9：00—3：00 時(shí)鐘方位范圍內(nèi)，其中在3：00 時(shí)鐘方位上存在缺陷最多，達(dá)40 個(gè)；在4：00—8：00 時(shí)鐘方位范圍內(nèi)缺陷數(shù)量較少；在4：00 和5：00 時(shí)鐘方位存在缺陷最少，均為7 個(gè)；深度為20%~30%的缺陷分布在8：00、9：00、1：00 和3：00 時(shí)鐘方位上。根據(jù)缺陷時(shí)鐘分布圖可知，該管道缺陷原因并非垢下腐蝕。

圖2 缺陷時(shí)鐘方位分布圖Fig.2 Defect clock azimuth distribution map

圖3 缺陷時(shí)鐘方位分布圖Fig.3 Defect clock azimuth distribution map

3 管道評(píng)價(jià)

3.1 剩余強(qiáng)度分布

目前，國(guó)內(nèi)外前沿的剩余強(qiáng)度分析方法有ASME B31G、DNVGL-RP-F101、API 579、《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6151—202X）和各種有限元軟件模擬分析法等［11-12］。本研究對(duì)目標(biāo)管道應(yīng)用DNVGL-RP-F101 分析方法探究其剩余強(qiáng)度分布，該方法是由挪威船級(jí)社和英國(guó)燃?xì)夤竟餐贫ǖ?。DNVGL-RP-F101 分析方法不僅考慮了管道內(nèi)壓力的影響，而且也將彎曲載荷和軸向應(yīng)力的影響計(jì)算在內(nèi)，并修正了膨脹系數(shù)，適用于內(nèi)腐蝕深度小于83%壁厚的缺陷管道，其計(jì)算公式如下：

其中：Pf為失效壓力，MPa；t為管道壁厚，m；SMTS為最小拉伸強(qiáng)度，MPa；d0為缺陷深度，m；D為管道外徑，m；L為缺陷長(zhǎng)度，m；Psw為安全壓力，MPa；F為安全系數(shù)；F1為模型系數(shù)；F2為作業(yè)使用系數(shù)。

本研究取目標(biāo)管道上存在的最大缺陷20 個(gè)，其深度與長(zhǎng)度如圖4 所示，安全工作壓力如圖5 所示，目標(biāo)管道全里程安全工作壓力分布如圖6 所示。圖中數(shù)據(jù)顯示：目標(biāo)管道的安全工作壓力最小值為14.9 MPa，大于目標(biāo)管道最大允許操作壓力7.2 MPa，此時(shí)維修系數(shù)ERF為2.06，大于1；隨著缺陷深度及長(zhǎng)度的增加，目標(biāo)管道的安全工作壓力及維修系數(shù)表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)；目標(biāo)管道上存在的最大的缺陷深度為3.7 mm，長(zhǎng)度為155.6 mm，其安全操作壓力最小，維修系數(shù)也最小。從圖6 可以看出，海管的剩余強(qiáng)度高于陸管的剩余強(qiáng)度，海管的剩余強(qiáng)度集中在17 MPa，陸管的剩余強(qiáng)度集中在13 MPa。

圖4 缺陷尺寸Fig.4 Defect size

圖5 安全工作壓力及維修系數(shù)Fig.5 Safe working pressure and maintenance coefficient

圖6 全里程安全工作壓力分布圖Fig.6 Full mileage safe working pressure distribution diagram

3.2 剩余壽命分布

準(zhǔn)確評(píng)價(jià)腐蝕管道的剩余壽命對(duì)海上油田生產(chǎn)十分重要，目前國(guó)內(nèi)外管道管體剩余壽命分析方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、可靠度分析法、有限元分析法等［13-15］。本研究分別基于極限壁厚和極限強(qiáng)度應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)了目標(biāo)管道的剩余壽命分布。

基于極限壁厚的剩余壽命分析以腐蝕速度最大的缺陷為對(duì)象，當(dāng)其腐蝕深度達(dá)到壁厚的85%時(shí)，所需年限為該管道的剩余壽命。本研究最大缺陷的腐蝕速率為0.538 mm/a，按照此腐蝕發(fā)展速率，經(jīng)15.7 a腐蝕深度可達(dá)該管道壁厚的85%，即剩余壽命為15.7 a。

基于極限強(qiáng)度的剩余壽命分析，同時(shí)考慮了腐蝕深度速率與腐蝕長(zhǎng)度速率對(duì)剩余壽命的影響，本研究最大缺陷的腐蝕深度速率為0.538 mm/a，腐蝕長(zhǎng)度速率為22.616 mm/a，目標(biāo)管道全里程剩余壽命分布如圖7 所示，腐蝕年限與安全工作壓力和維修系數(shù)的關(guān)系如圖8、9 所示。從圖7 可以看出，基于極限壁厚的剩余壽命高于基于極限強(qiáng)度的剩余壽命，安全計(jì)以基于極限強(qiáng)度的剩余壽命分析結(jié)果為準(zhǔn)；基于2 種剩余壽命分析的結(jié)果均呈現(xiàn)出海管的剩余壽命高于陸管的剩余壽命。圖8、9 數(shù)據(jù)顯示：腐蝕年限為10 a時(shí)，1#缺陷安全工作壓力Psw為7.26 MPa，接近目標(biāo)管道最大允許操作壓力，此時(shí)維修系數(shù)ERF為1.01，目標(biāo)管道剩余壽命為10 a；對(duì)1#和2#缺陷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)可以使目標(biāo)管道剩余壽命提高至11 a。

圖7 全里程剩余壽命分布圖Fig.7 Distribution map of remaining life for full mileage

圖8 腐蝕年限與安全工作壓力Fig.8 Corrosion years and safe working pressure

圖9 腐蝕年限與維修系數(shù)Fig.9 Corrosion life and maintenance coefficient

4 結(jié)論及展望

應(yīng)用渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)解決了海上油田輸油管道的缺陷分布問(wèn)題，該技術(shù)對(duì)管道通過(guò)性較好，并可以快速獲取準(zhǔn)確的缺陷數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論。

①渦流內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，目標(biāo)管道存在293 個(gè)深度大于10%的異常，最大深度為26%壁厚。

②內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，目標(biāo)管道缺陷主要分布在9：00—3：00 時(shí)鐘方位范圍內(nèi)，可以排除因垢下腐蝕造成的目標(biāo)管道缺陷。

③目標(biāo)管道的安全工作壓力最小值為14.9 MPa，遠(yuǎn)大于管道設(shè)計(jì)最大允許操作壓力7.2 MPa，即目標(biāo)管道當(dāng)前狀態(tài)滿(mǎn)足運(yùn)行要求。

④基于極限強(qiáng)度的剩余壽命分析，可以得出目標(biāo)管道的剩余壽命為10 a，對(duì)目標(biāo)管道中較大的缺陷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)可以增加其剩余壽命。

⑤目標(biāo)管道海管段的安全工作壓力及剩余壽命均高于陸管段的安全工作壓力和剩余壽命，主要原因在于兩段管道壁厚和腐蝕環(huán)境不同。

為獲得更準(zhǔn)確的腐蝕內(nèi)因，對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行取樣，應(yīng)用掃描電鏡、XRD等高精儀器分析其晶型結(jié)果和元素構(gòu)成等，針對(duì)性地選擇緩蝕劑種類(lèi)及加藥量，這對(duì)于海上油田輸油管道完整性管理具有指導(dǎo)意義。■