金魏峰, 孫 靜, 章衛(wèi)文, 孫 凡, 方釗峰,董志明, 蔡嘉祺, 王彩虹

(1.杭州天然氣有限公司, 浙江 杭州 310000; 2.國家管網(wǎng)集團(tuán)浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司, 浙江 杭州 310051; 3.浙江理工大學(xué), 浙江 杭州 310018)

1 概述

近年來,中國城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)步伐不斷加快,據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),截至2021年,城市天然氣、液化石油氣、人工煤氣管道長度分別達(dá)92.909×104、2 910、9 165 km。隨著我國燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)發(fā)展、科技不斷進(jìn)步、安全運(yùn)營的貫徹落實(shí),對(duì)管道實(shí)施完整性管理備受關(guān)注。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》頒布施行,國內(nèi)油氣管道的管理步入了新階段。GB 32167—2015對(duì)長輸油氣管道完整性管理的內(nèi)容做了詳細(xì)規(guī)定,具體包括數(shù)據(jù)采集和整合、高后果區(qū)的識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)消減與維修維護(hù)、效能評(píng)價(jià)等[1]。

由于高壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿琅c長輸油氣管道具有一定的相似屬性,可借鑒其管道完整性管理,做好高壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硐嚓P(guān)工作,建立技術(shù)支撐的管道保護(hù)體系。在管道完整性管理中,智能內(nèi)檢測技術(shù)是首推檢測手段和實(shí)況數(shù)據(jù)主要來源。

2 常用的智能內(nèi)檢測技術(shù)

根據(jù)檢測原理可將檢測技術(shù)分為漏磁檢測技術(shù)、幾何變形檢測技術(shù)、壓電超聲波檢測技術(shù)和電磁波傳感檢測技術(shù)等[2-4]。智能內(nèi)檢測技術(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)管道存在的危害因素、歷史檢測情況和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果而確定,目前常用的是漏磁檢測技術(shù)和幾何變形檢測技術(shù),并結(jié)合慣性測繪檢測技術(shù)。

① 漏磁檢測技術(shù)

漏磁檢測技術(shù)是利用永磁鐵通過鋼刷對(duì)管壁進(jìn)行充分磁化,使其達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)管道中不存在缺陷時(shí),磁力線平行于管道內(nèi)部。當(dāng)管道存在缺陷時(shí),磁力線被其表面或近表面的缺陷阻隔,導(dǎo)致缺陷處的磁力線發(fā)生畸變。一部分磁力線漏出管道表面,形成漏磁場,傳感器將獲取的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并儲(chǔ)存,數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)對(duì)傳感器檢測得到的漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理,生成最終的管道檢測結(jié)果[2]。漏磁檢測技術(shù)主要適用于金屬損失、焊縫異常、管道特征(閥門、彎頭、焊縫、三通等)、壁厚變化的檢測,可提供缺陷尺寸、周向位置、地理方位等信息。該技術(shù)具有檢測無須停輸、檢測環(huán)境要求低、檢測結(jié)果置信度高等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)管道建設(shè)條件和管輸氣量、壓力等有一定要求。

② 幾何變形檢測技術(shù)

幾何變形檢測技術(shù)利用安裝在前后皮碗之間的周向均勻分布的輻射狀探測臂,探測臂均貼靠在管壁上,實(shí)時(shí)探測管道通徑變化。若管壁有凹陷、褶皺等幾何變形,與探測臂相連的角度傳感器將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)放大、處理后,儲(chǔ)存到記錄儀中[3]。變形檢測器不僅可以檢測到管道凹陷、橢圓度變形以及閥門、三通、焊縫、彎頭等管道特征信息,還可以用于判斷漏磁檢測器的通過性,在管道投產(chǎn)前、服役時(shí)流量降低且壓力增大、定期或不定期內(nèi)檢測等檢測窗口期均可應(yīng)用[5]。

③ 慣性測繪檢測技術(shù)

慣性測繪檢測技術(shù)是利用三維正交的陀螺儀和加速度計(jì)組成的慣性測量單元測量載體x、y、z方向的角速度和加速度,將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理,解算出載體的姿態(tài)、速度和位置信息,從而得到載體運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)合衛(wèi)星定位技術(shù),采用已知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修正,可以得到載體運(yùn)動(dòng)三維坐標(biāo)。在油氣管道中心線測量中,慣性測繪檢測技術(shù)通過與漏磁或變形檢測器結(jié)合,不僅能夠描繪出管道中心線精確坐標(biāo),還可以解算出管道缺陷、焊縫的精確坐標(biāo)。該技術(shù)對(duì)管道所有特征點(diǎn)均可精準(zhǔn)定位。

3 智能內(nèi)檢測技術(shù)應(yīng)用

某城市燃?xì)夤緦?duì)所轄區(qū)域內(nèi)介于兩門站之間的高壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿涝圏c(diǎn)進(jìn)行完整性管理,在完成收集整理基礎(chǔ)資料的前期工作后,對(duì)該管道進(jìn)行智能內(nèi)檢測,為管道完整性管理提供支撐。具體如下。

3.1 管道基礎(chǔ)資料

該條高壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿烙扇螛?gòu)成,第一段管道于2005年10月投產(chǎn),第二段管道于2011年1月投產(chǎn),第三段管道于2017年3月投產(chǎn),全長37.6 km,起于江東門站,終于北門站。途中有2個(gè)穿越段,分別是2 450 m的河流穿越段及60 m的鐵路穿越段。

管道內(nèi)直徑610 mm,設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa。直管段材質(zhì)為L360,壁厚11.9 mm,熱煨彎頭、冷彎頭及河流穿跨越等特殊地段管道材質(zhì)為L360M,壁厚12.7 mm。

根據(jù)線路現(xiàn)狀及當(dāng)?shù)匕l(fā)展情況,沿線地區(qū)為三級(jí)地區(qū)和四級(jí)地區(qū)。

3.2 實(shí)施流程

該管道自投產(chǎn)后從未開展過清管檢測。參考GB 32167—2015,現(xiàn)采用智能內(nèi)檢測法對(duì)該管道展開檢測評(píng)估工作,以實(shí)現(xiàn)對(duì)該管道進(jìn)行完整性管理的目標(biāo)。實(shí)施流程如下:首先對(duì)目標(biāo)管道進(jìn)行可檢性評(píng)估,評(píng)估通過后進(jìn)行若干次清管作業(yè),全線清管達(dá)到要求后進(jìn)入檢測環(huán)節(jié),包括幾何變形檢測和漏磁檢測,基于收集的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析,且對(duì)可疑管位開挖驗(yàn)證,最后出具檢測報(bào)告。

① 管道可檢性評(píng)估

對(duì)管道運(yùn)行情況、沿線環(huán)境、工藝設(shè)施、收發(fā)球筒、彎管、三通、閥門等進(jìn)行調(diào)查、踏勘。評(píng)估內(nèi)容如下。

a.收發(fā)球裝置

收發(fā)球筒尺寸、周邊操作空間和工藝設(shè)施等滿足清管檢測設(shè)備的收、發(fā)操作條件,具備可檢性。

b.彎管

彎管彎曲半徑越大,清管器和檢測器通過能力越好。針對(duì)本管徑,清管檢測設(shè)備有對(duì)應(yīng)的彎管彎曲半徑要求,見表1,其中泡沫清管器對(duì)彎管彎曲半徑無要求。清管檢測設(shè)備對(duì)彎管彎曲半徑的最大要求為4D(D為管道內(nèi)直徑),而管道沿途冷彎管彎曲半徑≥40D,熱煨彎管彎曲半徑=5D,均滿足清管檢測設(shè)備對(duì)彎管彎曲半徑的要求,具備可檢性。

c.三通

管道存在未安裝支管擋條的三通8處,存在卡停球風(fēng)險(xiǎn)。后全部整改為清管三通,支管水平或向上安裝,滿足設(shè)備通過要求,具備可檢性。

d.閥門

沿線過球閥門操作順暢,性能完好,無袖管(焊接在閥門兩端的短節(jié))壁厚超范圍等情況,滿足清管檢測要求,具備可檢性。在實(shí)施過程中,過球閥門若為遠(yuǎn)程控制閥門,需進(jìn)行斷電并將操作檔切入停止檔位,避免清管過程中引起閥門誤動(dòng)作。

e.運(yùn)行工況

管道實(shí)際運(yùn)行壓力為2.5～3.2 MPa,流量調(diào)節(jié)范圍滿足檢測器運(yùn)行要求,具備可檢性。

f.其他

管輸介質(zhì)、H2S含量、運(yùn)行溫度等評(píng)估可接受。

基于以上評(píng)估結(jié)果,該管道通過可檢性評(píng)估。

② 清管和檢測作業(yè)

考慮到該管道部分管段已運(yùn)行逾15 a且從未進(jìn)行清管,本次清管檢測過程存在污物量過大的可能,故采用了多輪次、循序漸進(jìn)的作業(yè)方案。

清管和檢測具體過程如下。

第1輪:首先采用過盈量為6%的泡沫清管器對(duì)管道全線清管作業(yè)2遍,初檢管道基本通球能力?；厥张菽骞芷魍暾?未見嚴(yán)重?fù)p傷,初判管道內(nèi)結(jié)構(gòu)無明顯異常。

第2輪:因第1輪清出鐵磁性雜質(zhì)較多,故此輪采用鋼刷清管器加帶測徑板的皮碗清管器對(duì)管道全線作業(yè)2遍,對(duì)內(nèi)壁進(jìn)一步清潔及對(duì)管道變形進(jìn)行初檢。初檢結(jié)果為測徑板存在1處彎曲變形,經(jīng)測量,變形量滿足檢測器通過條件,且清出污物減少。

第3輪:采用鋼刷清管器全線清管作業(yè)1遍,清除管道內(nèi)表面鐵銹等污物。

第4輪:采用磁力清管器全線清管作業(yè)1遍,清除管道內(nèi)鐵磁性雜質(zhì)。

經(jīng)過以上4輪清管作業(yè)后,對(duì)全線管道進(jìn)行變形特征檢測和漏磁特征檢測。

③ 檢測數(shù)據(jù)匯總分析

a.變形缺陷

本次幾何變形檢測共檢出管道變形4處,均為管體凹陷。4處管體凹陷均位于管道底部,初步判斷可能由管道底部硬物擠壓造成。

b.漏磁檢測

本次漏磁檢測檢出金屬損失5 610處,其中內(nèi)部金屬損失5 473處,外部金屬損失137處。絕大多數(shù)金屬損失深度(管道腐蝕壁厚與管道壁厚的比值)小于10%,最深一處金屬損失深度為15%,位于管道內(nèi)部,位于檢測里程3 002.218 m處,所在管道壁厚為11.9 mm。

c.焊縫異常

本次檢測檢出焊縫異常564處,其中環(huán)焊縫異常324處,螺旋焊縫異常1處,直焊縫異常239處。所有檢測出的焊縫異常均為輕度,未檢出中度、重度焊縫異常。

由于焊縫缺陷位置的特殊性,漏磁檢測不能準(zhǔn)確地對(duì)焊縫異常深度進(jìn)行量化,但在數(shù)據(jù)分析時(shí)對(duì)焊縫異常的嚴(yán)重程度進(jìn)行了分級(jí),分為重度、中度、輕度。

d.其他

本次檢測開展了剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià),在運(yùn)行壓力3.4 MPa下,沒有需要立即維修的金屬損失和需要在再檢測周期內(nèi)計(jì)劃維修的金屬損失。

④ 開挖驗(yàn)證

為驗(yàn)證內(nèi)檢測結(jié)果的可靠性,現(xiàn)就其中一處焊縫異常進(jìn)行開挖驗(yàn)證。經(jīng)目視化檢查發(fā)現(xiàn)焊縫4:00至7:00位置表面不平整,4:00至5:00位置存在錯(cuò)邊現(xiàn)象。經(jīng)射線探傷檢測,顯示該道焊縫存在輕微咬邊和錯(cuò)邊現(xiàn)象,且存在較多分散氣孔,但氣孔直徑未超量,結(jié)論焊縫合格。

另外,又選取6處異常點(diǎn)進(jìn)行了開挖驗(yàn)證,包含1處凹陷、2處腐蝕造成的金屬損失、1處環(huán)焊縫異常和2處未知物,其中未知物分別為鋼筋混凝土錨固墩和螺旋焊縫異常增厚。對(duì)凹陷進(jìn)行開挖驗(yàn)證,得出凹陷原因?yàn)樯襟w巖石突出,導(dǎo)致管道受力變形,開挖后去除巖石,并移除位于附近管道正上方的大型樹木,去除了影響條件后,缺陷回彈至正常范圍。

4 內(nèi)檢測報(bào)告

對(duì)該高壓城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐悄軆?nèi)檢測出具的報(bào)告主要包含以下內(nèi)容。

① 檢測報(bào)告及數(shù)據(jù)處理執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》,現(xiàn)在此標(biāo)準(zhǔn)已作廢?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 27699—2023《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》,此標(biāo)準(zhǔn)于2023年5月23日實(shí)施。

② 檢測工程概述。

③ 金屬損失檢測器技術(shù)指標(biāo)。主要包括檢測器長度、檢測器重量、連續(xù)檢測長度、最佳運(yùn)行速度、最大承壓能力、可通過最小彎頭曲率半徑、最小彎頭半徑、可通過最大斜接角度、可通過最大管道變形量、最小通過孔徑、能否區(qū)分內(nèi)外部金屬損失、適用的輸送介質(zhì)等。

④ 資料匯總。以數(shù)據(jù)、圖形的形式表示管道上全部信息,包括金屬損失的分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果、管道特征(例如焊縫、彎頭、三通、閥門等)列表數(shù)據(jù)、地面標(biāo)記點(diǎn)列表數(shù)據(jù)、各類過程記錄表等。例如:變形檢測器發(fā)收記錄表、漏磁檢測器發(fā)收記錄表、變形檢測器調(diào)試記錄表、漏磁檢測器調(diào)試記錄表、開挖驗(yàn)證記錄表、會(huì)議記錄、方案變更等。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

① 對(duì)于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?管道全線情況往往復(fù)雜多變,由于施工及投產(chǎn)時(shí)間非連續(xù)性,即使同管徑管道,也常由若干不同材質(zhì)及制造工藝的管材組成。在對(duì)管道進(jìn)行智能內(nèi)檢測時(shí),要充分考慮各類管材特征及性能,制定合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那骞芗皺z測方案。如對(duì)直縫管道清管時(shí),應(yīng)選擇耐磨性更好的聚氨酯類材料的皮碗檢測器,以避免檢測時(shí)因磨損而導(dǎo)致清管效果降低或設(shè)備損壞;在管道設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),盡量選擇擋條三通。

② 使用年限久遠(yuǎn)的管段往往沉淀有大量重?zé)N類雜質(zhì)及污垢,導(dǎo)致內(nèi)檢測過程的實(shí)施相對(duì)困難。故內(nèi)檢測應(yīng)以該管段為出發(fā)點(diǎn),然后循序漸進(jìn)延伸到其他管段。

③ 在本次管道內(nèi)檢測過程中,途經(jīng)兩個(gè)大型穿越管段,其中以穿越錢塘江底管段的檢測最具代表性。該管段是全線最低段,管底標(biāo)高-22～-25 m,因其敷設(shè)位置的特殊性,具有雜質(zhì)污垢易沉淀堆積且日常巡檢困難的特點(diǎn)。在本次內(nèi)檢測過程中,解決了檢測器卡頓問題后,在過江管段兩岸埋設(shè)定位盒,盡管江面跨度較大,最終通過智能內(nèi)檢測過程,收集到了江底管段包括標(biāo)點(diǎn)定位及管段服役現(xiàn)狀的全部資料。

④ 無論在清管階段還是檢測階段,都需要控制好清管檢測裝置的運(yùn)行速度。適宜運(yùn)行速度為1～3 m/s,速度過快易造成檢測數(shù)據(jù)丟失,過慢則影響工作效率。

⑤ 管道智能內(nèi)檢測能收集到管道全線完整準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位、管道附件、焊縫、缺陷等各類數(shù)據(jù)?？裳a(bǔ)充完善服役年限久、缺乏基建資料的管道底層數(shù)據(jù)庫,為管道完整性管理實(shí)施提供可靠數(shù)據(jù)。如在本次智能內(nèi)檢測中,統(tǒng)計(jì)出該管道共有管段3 422 根(不包含閥門、三通等)。同時(shí),檢測數(shù)據(jù)顯示,存在83根管段壁厚小于11.9 mm,該種壁厚管段在資料中未見(可另行核實(shí)),這也是對(duì)資料的補(bǔ)充或質(zhì)疑。

6 結(jié)束語

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳?jīng)過人口密集區(qū)域,周邊地理環(huán)境復(fù)雜多變,要對(duì)其進(jìn)行完整性管理,除必需的日常巡查安檢外,還可進(jìn)行周期性的管道智能內(nèi)檢測。通過智能內(nèi)檢測,運(yùn)營企業(yè)能及早發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)因素,可有計(jì)劃性、有針對(duì)性對(duì)管道缺陷采取措施,防止管道失效或事故發(fā)生,從而有效提升管道本體安全性,延長了管道壽命。管道智能內(nèi)檢測技術(shù)支持管道完整性管理,無論從安全角度還是經(jīng)濟(jì)角度看,都是積極有效的。