從內(nèi)檢測結(jié)果談細節(jié)對海底管道服役性能的影響

楊敬紅, 徐永振, 吳秋云, 張敬安, 鄭 輝, 趙銘文

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部, 天津 300451; 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津300452)

海底管道是海洋石油和天然氣輸送的重要工具,海底管道服役期內(nèi)的完整性關(guān)乎石油和天然氣的安全輸送。海底管道在設(shè)計、預(yù)制和鋪設(shè)施工等階段中工序繁多, 細節(jié)的處理得當與否直接會影響管道的狀態(tài)完好與否, 對細節(jié)處理的疏忽會對管道防腐涂層、防水性能等造成輕微傷害。在海洋服役環(huán)境中, 輕微的傷害會發(fā)展成為防水失效、保溫層進水,進而造成保溫失效和腐蝕等現(xiàn)象, 影響了管道的服役性能和完整性。

對海底管道實施腐蝕缺陷內(nèi)檢測是保證海底管道完整性的一個重要環(huán)節(jié)。通過對檢測所得結(jié)果進行分析, 可以了解管道鋼管的腐蝕發(fā)展情況、管道壁的剩余強度以及剩余壽命, 這對于制定管道的維護維修計劃具有指導(dǎo)意義。將檢測結(jié)果與管道的建造記錄、運行記錄和服役環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)進行參照研究, 則可以獲得管體腐蝕缺陷的發(fā)生原因、發(fā)展趨勢等信息, 這可以為管道設(shè)計、建造和選擇緩蝕措施等提供借鑒。

1 方法

通球內(nèi)檢測技術(shù)是一項比較成熟的管道缺陷檢測技術(shù), 不同的內(nèi)檢測工具可以檢測管道上存在的金屬損失型腐蝕、管體變形、裂紋等缺陷。管道內(nèi)檢測、基于檢測數(shù)據(jù)的管道風(fēng)險評估(Quantitative Risk Assessment, QRA)、基于風(fēng)險的檢測計劃(Risk-Based inspection, RBI)等完整性管理(Integrity Management, IM)手段已被一些大型石油公司廣泛應(yīng)用, 管道內(nèi)檢測已成為管道完整性管理的重要一環(huán)。

漏磁內(nèi)檢測器是基于磁通量在鋼管壁中傳導(dǎo)、接收原理而設(shè)計的一種管道內(nèi)檢測器。其檢測器結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。通過對檢測器所記錄數(shù)據(jù)的解析, 即可獲得管道該處的腐蝕缺陷參數(shù)。由于檢測精度和置信度的原因, 當前的漏磁檢測器只對腐蝕深度超過管道壁厚 10%的金屬損失型腐蝕缺陷(metal loss corrosion)進行報告。

2 管道基本情況介紹

該管道 2007年投產(chǎn), 截至內(nèi)檢測實施時, 已服役4 a。管道內(nèi)部所輸送的介質(zhì)主要為天然氣, 并含少量原油。管道長度14 km, 全程為單層保溫配重管,管道各層由內(nèi)至外依次為輸送管鋼管、防腐層、保溫層、夾克管、配重層(圖 2), 管道各層的相關(guān)參數(shù)見表1。

在海底管道預(yù)制時, 其兩端分別預(yù)留一定長度的裸鋼管(圖 3), 在海上鋪設(shè)施工時, 現(xiàn)場接頭的處理方式為: 裸管端進行組對、焊接, 焊接完成后在裸露的鋼管外纏繞熱縮帶(heat shrinkable belt)作為防腐層(圖 4); 熱縮帶纏繞完成后, 兩側(cè)混凝土配重層所形成的空間由瑪?shù)僦瑏硖畛? 瑪?shù)僦尚退玫哪＞哂赏矤铊F皮做成, 用鐵絲緊固、保持形狀。現(xiàn)場接頭完成后, 其剖面如圖5所示。

圖1 漏磁檢測原理示意圖Fig. 1 Schematic principle of magnetic flux leakage

圖2 單層保溫配重管截面示意圖Fig. 2 Schematic cross section of single layer insulation pipe

表1 管道各層的相關(guān)參數(shù)Tab. 1 Parameters of pipe layers

圖3 預(yù)制完成的海管Fig. 3 Fabricated pipeline

圖4 現(xiàn)場焊接完成后熱縮帶防腐Fig. 4 Field joint corrosion protection with heat shrinkable belt

圖5 管接頭剖面圖Fig. 5 Profile of pipeline joint

3 海底管道內(nèi)檢測結(jié)果

3.1 檢測數(shù)據(jù)

檢測結(jié)果表明, 管道全程共有64處深度超過管道壁厚10%的金屬損失型腐蝕缺陷。對這64處腐蝕數(shù)據(jù)進行了仔細篩查, 發(fā)現(xiàn)只有 4處為管道外壁腐蝕, 其余均為管道內(nèi)壁腐蝕且腐蝕深度小于管道壁厚的30%。而恰恰是這少數(shù)的管道外壁腐蝕缺陷, 其腐蝕深度排在所有腐蝕的前列, 且均明顯超過管道壁厚的 60%, 深度最大者達 88%, 已經(jīng)超出可接受的管道腐蝕缺陷深度[1-2], 屬于第五級腐蝕[3]。這 4處外腐蝕缺陷的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 4處外腐蝕缺陷相關(guān)參數(shù)Tab. 2 Parameters of four external corrosion defects

3.2 腐蝕缺陷的規(guī)律

通過對檢測數(shù)據(jù)和實際腐蝕缺陷的對比研究,發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律: (1)對比腐蝕長度和腐蝕寬度數(shù)據(jù)(表2)可知缺陷外形均為環(huán)向缺陷; (2)缺陷距離焊縫的距離相似, 3處腐蝕缺陷距最近焊縫的距離分別為40,38, 38 cm(表2和圖6、圖7、圖8, 其中3號缺陷由于海上回收時切割的原因, 其距離管端的距離只殘余30 cm左右); (3)缺陷位置與夾克管端和防水帽結(jié)合區(qū)重合(圖9和圖10); (4)除4號缺陷外, 外腐蝕缺陷位置均位于管道截面的下部(表2中的腐蝕缺陷點鐘位置)。

4 腐蝕缺陷現(xiàn)象的原因分析

圖6 1號腐蝕缺陷位置簡圖和實際照片F(xiàn)ig. 6 Schematic and actual pictures of No. 1 defect

通過研究腐蝕缺陷的位置及其形態(tài), 可以將 1號、2號和 3號缺陷其腐蝕類型基本歸為“補口腐蝕”[4]。其腐蝕機理可總結(jié)為: 管接頭處的“補口”失效致使海水進入管接頭處(補口失效進水并不一定導(dǎo)致腐蝕, 管端的裸鋼管完好就是一個明證), 進入接頭的海水與涂層微小缺陷處暴露的鋼管發(fā)生接觸,導(dǎo)致該微小缺陷處暴露的鋼材發(fā)生腐蝕并在涂層下向周圍擴展, 最終導(dǎo)致涂層下發(fā)生嚴重的坑蝕, 腐蝕產(chǎn)物的膨脹所產(chǎn)生的作用力也最終將涂層剝離鋼管。海水進入管接頭的途徑主要有兩條, 一是從熱縮帶和防水帽與管道黏合處的縫隙進入, 二是從防水帽與夾克管搭接區(qū)域的縫隙和破損處進入(圖9和圖10)。

圖7 2號腐蝕缺陷位置簡圖和實際照片F(xiàn)ig. 7 Schematic and actual pictures of No.2 defect

圖8 3號腐蝕缺陷位置簡圖和實際照片F(xiàn)ig. 8 Schematic and actual pictures of No.3 defect

圖9 焊縫至夾克管端實測距離照片F(xiàn)ig. 9 Length of weld line to jacket end

圖10 管道接頭進水的實際照片F(xiàn)ig. 10 Pictures of joints water inflow conditions

而 4號腐蝕缺陷情況稍有不同, 主要是因為犧牲陽極銅導(dǎo)線脫落后, 在鋼管焊點處殘留了銅, 從而發(fā)生了電偶腐蝕所致(圖11)。圖11中a, b分別為犧牲陽極在管道對稱兩側(cè)的兩個焊點, 通過對比可以看出, 未殘留銅的一側(cè)焊點暴露的鋼材幾乎沒有腐蝕, 而殘留銅的一側(cè)則發(fā)生了明顯的加速腐蝕,出現(xiàn)蝕坑。

通過對上述腐蝕缺陷位置、涂層形貌、管接頭進水等現(xiàn)象的分析, 并參照管道預(yù)制工藝記錄和海上鋪設(shè)施工記錄加以印證, 歸納出導(dǎo)致以上腐蝕現(xiàn)象原因和條件有以下幾點: (1)涂層與鋼管的結(jié)合力低。從圖6a和圖8a中的照片可以看出, 在腐蝕坑周圍的涂層已經(jīng)發(fā)生了明顯的翹曲和剝離。文獻[5]表明 FBE涂層對鋼材有非常好的附著力, 但是其對鋼材的表面缺陷也很敏感, FBE涂層對鋼材表面處理要求為 NACE第二類近白色金屬表面[6]。數(shù)量極少的未達標管道表面, 會影響涂層在鋼管表面的附著力, 這在管道回收后的破拆過程也得到了驗證: 絕大多數(shù)涂層附著良好, 但也有極少數(shù)涂層卻可以從鋼管上完全剝離(圖12)。(2)預(yù)制工藝過程對涂層局部造成輕微傷害。除電偶腐蝕造成的外腐蝕缺陷外,其余 3處外腐蝕缺陷距離焊縫的距離十分接近, 而且這一距離與夾克管端頭到鋼管端頭的距離重合;另外 3處外腐蝕缺陷均為環(huán)向腐蝕。分析管道保溫層的發(fā)泡工藝(圖13)可以發(fā)現(xiàn): 在偶然情況下, 作為夾克管兩端擋板的金屬法蘭盤會對鋼管上的涂層造成沖擊, 這種沖擊會對耐沖擊性能低[5]的 FBE涂層造成輕微損傷, 而且這種損傷必然是沿著法蘭盤與鋼管接觸的弧面分布的; 在管道鋪設(shè)過程中發(fā)生彎曲時, 背弧面涂層中的拉應(yīng)力會加劇這種損傷[7]。這是 3處外腐蝕缺陷發(fā)生在管道底部的原因。(3)以上所闡述的內(nèi)容是涂層下的腐蝕缺陷在管道外壁環(huán)向發(fā)生、發(fā)展的直接誘因, 除此之外, 腐蝕的發(fā)生還需要具備外部條件即管道接頭進水。在管道接頭具有良好的防水效果時, 即使管道涂層存在著輕微缺陷,腐蝕也不具備發(fā)生的條件。一旦防水失效, 海水與管道接觸, 則在涂層的缺陷處就具備了腐蝕發(fā)生的所有要素, 腐蝕的發(fā)生就順理成章。

造成管道接頭進水的原因是多方面的: (1)瑪?shù)僦畛涫? (2)熱縮帶與管道結(jié)合不良、存在間隙,海水滲入; (3)防水帽破損, 海水直接灌入; (4)防水帽與夾克管結(jié)合不良、存在間隙, 海水滲入等。其中主要原因當是熱縮帶和防水帽與鋼管和夾克管之間的粘結(jié)力弱、結(jié)合不良。瑪?shù)僦Ш头浪逼屏褎t是在偶然外力的情況下發(fā)生。

圖11 電偶腐蝕造成的缺陷照片F(xiàn)ig. 11 Defects resulted from galvanic corrosion

圖12 受到?jīng)_擊后涂層脫落Fig. 12 Coating peeled off resulted from impact

圖13 保溫層發(fā)泡工藝示意圖Fig. 13 Schematic of PU foaming model

影響熱縮帶和防水帽與鋼管和夾克管之間的粘結(jié)力的因素主要有以下幾方面: (1)熱縮帶和防水帽里層含膠量; (2)熱縮帶和防水帽烤制時鋼管自身的預(yù)熱程度; (3)預(yù)制和海上施工時的環(huán)境溫度。當含膠量較低時, 熱縮帶和防水帽與鋼管之間就沒有足夠的膠液來粘結(jié)二者的界面。較低的環(huán)境溫度和管體預(yù)熱溫度, 都不利于熔融的膠液與管體的充分結(jié)合,如冬季預(yù)制的管道, 則其防水帽與管道的結(jié)合效果比高溫天氣下預(yù)制的效果要降低。海上安裝施工的季節(jié)和環(huán)境溫度會影響現(xiàn)場管接頭熱縮帶防水的效果。施工記錄表明該管道的安裝時間為前年11月份至次年3月份, 即其主要施工時間為冬季。惡劣的海上低溫環(huán)境, 對熱縮帶的使用效果產(chǎn)生了不良的影響。

5 結(jié)論和建議

管道接頭是海底管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié), 由于海底管道服役環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性, 設(shè)計、預(yù)制和鋪設(shè)施工過程中的細節(jié)上的任何疏忽或不當, 都會給管道留下后患、對其服役性能產(chǎn)生嚴重影響。本文通過對海底管道實際發(fā)生嚴重外腐蝕的現(xiàn)象的研究,提出以下建議: (1)在海底管道接頭的設(shè)計中, 從短期成本和長遠效益的角度, 注重對熱縮帶和防水帽等關(guān)鍵材料的選擇, 以確保其與管道的結(jié)合效果和防水效果。(2)在設(shè)計計算中, 考慮鋼管與防腐涂層結(jié)合力、兩種材質(zhì)應(yīng)力應(yīng)變性能差異等對防腐蝕涂層完整性的影響。(3)在管道表面預(yù)處理、儲存、轉(zhuǎn)移和預(yù)制過程中, 充分篩查可能影響管體和涂層安全、質(zhì)量的各種偶然因素, 改進工藝細節(jié), 確保涂層完整。(4)嚴格控制施工環(huán)境條件尤其是溫度條件,確保各工序的最后環(huán)節(jié)滿足質(zhì)量控制的要求。

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