油氣管道腐蝕檢測技術研究

程福松 邱宗君

摘 要： 腐蝕是油氣管道常見的失效形式，如果沒有及時發現并修復，將導致油氣泄漏，處置不當極易引發火災或爆炸事故。分析油氣管道腐蝕成因，研究目前的腐蝕檢測技術，了解不同檢測技術的原理、使用條件及優缺點，可以為油氣管道的生產維護提供依據。

關 鍵 詞：油氣管道；腐蝕；成因；檢測技術

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1803-04

Abstract： The corrosion is a common failure mode for oil&gas pipes. If the corrosion is not discovered and renovated timely， oil&gas pipe may leak out and result in fire and explosion. In this paper， reasons of oil&gas pipe corrosion were analyzed， and the corrosion detection technology was studied. The theories， working conditions， merits and drawbacks of different detection technologies were analyzed.

Key words： oil&gas pipe； corrosion； reason； detection technology

管道輸送因為安全、經濟等特點，是石油與天然氣最主要的運輸方式。但油氣管道大部分都是鋼制管道且埋設于地下，不可避免的會受到土壤、地下水、細菌、鹽、酸性氣體和雜散電流等的影響，從而產生腐蝕現象。由于管道腐蝕穿孔導致所輸石油或天然氣泄漏，不僅污染環境，造成能源浪費，還將成為嚴重的安全隱患，一旦遇到火星，可能引燃或者發生爆炸。2013年11月22日發生的青島輸油管道爆炸事件，共造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失75 172萬元，事故直接原因是輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕，導致管壁變薄，管道破裂，原油泄漏，現場處置人員搶修時操作不慎產生火花，引發油氣爆炸。油氣管道腐蝕是管道安全運行的重大隱患，積極掌握管道腐蝕情況并及時維修，是管道安全運行的必要內容。

1 管道腐蝕成因分析

1.1 差異充氣引起的腐蝕

由于氧氣分布不均而引起的金屬腐蝕稱為差異充氣腐蝕。油氣管道大多埋在地下，土壤的固體顆粒有砂、泥渣和植物腐爛后形成的腐殖土等。土壤顆粒間常用細小的微孔，水和空氣可以通過這些微孔到達土壤深層，土壤中的鹽類會溶于這些水中，成為電解質溶液。土壤各層各處的含水率并不均勻，在干燥的砂土中，含氧量高，在潮濕的黏土中，含氧量低。氧濃度差可以產生電位差，低氧濃度區管道電極電位較負，充當陽極發生氧化反應使金屬腐蝕，高氧濃度區充當陰極發生還原反應。當管道通過含水率不同的土壤時，便有可能形成差異充氣腐蝕[1]。對于管徑較大的管道，其土壤上部土質稀疏，底部較潮濕，因上下部氧濃度差使得底部作為陽極而發生腐蝕，實際的管道維護中也常發現管道受腐蝕之處多在管子的下部[2]。

1.2 雜散電流腐蝕

雜散電流是指一部分離開了指定導體，在原來不該有電流的導體內流動的電流。它主要來源于電氣火車、地下鐵道、直流電焊等電源的漏電，油氣管道動輒延續幾千公里，不可避免要經過這些區域。如電氣火車通過頂部的架空線從電站的正極輸入直流電，經車廂從地下鐵軌回到電站負極。如果路軌間連接不好，地面潮濕，將有部分電流流入地下，通過路軌下的金屬管道回到負極。此時路軌下將出現兩個串聯的大電解池，一個電解池的陽極是鐵軌，陰極是地下管線；另一個陽極是地下管線，陰極是路軌，地下管線將發生腐蝕[1]。

1.3 細菌腐蝕

土壤中可參與金屬管道腐蝕的細菌有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、中性硫化菌等。當管道因施工不當或植物根系穿透導致防腐層破損時，這些細菌將到達管道表面，使管道發生腐蝕。金屬管道在缺氧條件下，難以發生吸氧腐蝕，但可發生析氫腐蝕。土壤中大都含有硫酸鹽，當硫酸鹽還原菌存在時，將產生生物催化作用，使硫酸鹽氧化被吸附的氫，使析氫腐蝕順利進行，整個反應過程如下：

陽極：4Fe-8e=4Fe2+

陰極：8H++8e=8H（吸附于鐵表面上）

SO42-+8H=S2-+4H2O

Fe2++S2-=FeS（二次腐蝕產物）（↓）

3Fe2++6OH-=3Fe（OH）2（二次腐蝕產物）（↓）

總反應：4Fe+SO42-+4H2O=FeS（↓）+3Fe（OH）2（↓）+2OH-

該過程造成金屬管道的局部損壞，硫酸鹽還原菌即是依靠上述過程釋放的能量進行繁殖。

還有些細菌新陳代謝可以產生具有腐蝕性的物質（如硫酸，有機酸等），從而造成管道損傷，有些細菌可以分泌粘液，與土壤形成黏泥粘在管道表面，使其局部缺氧充當差異充電電池的陽極，使管道腐蝕[3]。

1.4 應力腐蝕與疲勞腐蝕

應力腐蝕是指金屬在持續性應力和腐蝕性介質的協同作用下發生的腐蝕，其特征是呈現機械裂紋。微裂紋一旦形成，因受力將會很快擴散，在沒有明顯預兆的作用下造成破壞。應力腐蝕過程一般有孕育期、腐蝕裂紋發展期、裂紋急劇生長期三個階段，第三階段裂紋急劇生長將導致管道的破壞。

在周期性應力的作用下，金屬材料在遠低于極限抗拉強度的條件下形成裂紋的過程稱為疲勞。金屬疲勞腐蝕還伴隨著腐蝕介質的協同作用，兩者相互作用產生的影響遠大于單獨作用的數學加和。疲勞腐蝕主要受頻率和管材的影響。有些管道本身因地理遷移而額外受力，若頻繁切換流程，導致部分管段應力集中，將形成疲勞腐蝕[4]。

1.5 金屬材料不均勻所致的腐蝕

管道在生產與建設過程中，基本不可能做到熱處理與表面狀況完全相同、成分均勻、不含雜質，因此有電位差存在[2]；而且管道在使用過程中，還會與其他金屬構件接觸，有些區段會有不同材質新老管材管道相連接[1]，電位低的將會加劇腐蝕。

2 腐蝕檢測技術

2.1 超聲波法

超聲波是頻率高于20 kHz的機械波，超聲探傷中使用的超聲波頻率常為0.5～10 mHz，這種機械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的缺陷界面時，就會產生反射、折射和波形轉換。超聲波法即是利用超聲波的這種脈沖反射原理來測量管道壁厚，其原理如下圖1所示[5]，將由多探頭組成的探頭陣列置于管道內，由管道內向管壁垂直發射超聲波，超聲波到達管壁內外表面時會發生反射，探頭將先后收到管壁內外表面反射回來的脈沖F和B，F和B之間的距離即是管壁厚度，當管壁有腐蝕缺陷時，壁厚減薄，d2的距離將減小。因此超聲波法可以直接檢測管道的剩余壁厚和腐蝕缺陷位置。同時，根據P基波與內壁反射波F的距離d1的變化，可以判斷管道變形情況。超聲波法不受被測管道壁厚限制，數據比較簡單，檢測結果較為準確，可直接分辨出內外腐蝕[6]，不受環境因素的影響，但超聲波在空氣中衰減較快，檢測時需要耦合介質，因此在輸氣管道上的應用受到一定限制，檢測時要求管壁表面較平整，輸油管道蠟層對檢測結果也有影響[7，8]。

2.2 漏磁通法

漏磁通法是利用鐵磁材料的高磁導性來進行的，鋼管腐蝕缺陷處的磁導率小于正常壁厚處的磁導率，通過外加磁場，將鋼管磁化，當鋼管無缺陷時，磁力線絕大部分通過鋼管，分布均勻；當管壁有缺陷時，磁力線會發生彎曲，部分磁力線泄漏出鋼管表面。當線圈在缺陷處切割磁力線時，會有感應電動勢產生，探得由其產生的電信號時，即可知管壁存在缺陷[9]。漏磁通法檢測器一般由三部分組成，分別為電池模塊、傳感器模塊、儀器模塊。漏磁通法結構簡單，可覆蓋整個管道周邊，可以檢測到較深的蝕坑甚至是穿孔，受介質中雜質的影響小，檢測速度快，費用低，對環境無污染，較適宜中小型管道的檢測；但對于管道軸向裂紋的檢測有困難，檢測信號與缺陷形狀有關，有時腐蝕不嚴重但邊緣曲折的缺陷產生的信號比腐蝕嚴重邊緣齊整的缺陷產生的信號強，因此會產生虛假信號，由漏磁通法獲得的數據一般需要經過校驗才可以采用[10]；檢測靈敏度不是很高，管道壁厚越小，檢測器探頭周向排列越緊密，靈敏度越高[11]。

2.3 渦流檢測技術

渦流檢測技術是利用電磁感應原理，通過測定被檢工件內感生渦流的變化來無損的評定導電材料及其工件的某些性能或發現缺陷的無損檢測方法。渦流檢測技術可分為單頻渦流檢測技術、多頻渦流檢測技術、遠場渦流檢測技術、脈沖渦流檢測技術等，其中，遠場渦流檢測技術主要用來檢測管道缺陷[12]。它采用內通過式探頭，探頭置于管道內，探頭由激勵線圈和檢測線圈組成，兩者相差約2倍管道內徑。當激勵線圈通以低頻交流電時，由其發出的磁力線穿過管壁并沿管壁傳播，隨后再次穿過管壁返回管內，被檢測線圈接收。由于檢測線圈接收的信號的幅度和相位均與壁厚有關，因此可以測得管壁的厚度，可以用來測量管道的腐蝕缺陷。采用遠場渦流檢測時，探頭與管道內壁不接觸，探頭外徑與鋼管內徑之間的間隙變化對檢測結果的影響很小，檢測設備體積小，重量輕，檢測速度快，最大檢測壁厚可達25 mm，靈敏度高，既可用于輸油管道，也可用于輸氣管道，還可以將檢測的數據存入探頭，從而實現長距離檢測。但遠場渦流檢測無法判斷缺陷是發生在管內壁還是外壁，當管道擱置于支撐板上時磁力線會受到阻擋，使得缺陷信號缺失，同時對于形狀復雜的管段檢測較難[10，13]。

2.4 聲發射技術

聲發射是指材料或構件在受力作用產生形變或裂紋時，以彈性波形式釋放應變能的現象。聲發射技術是通過接收這種彈性波，檢測材料或構件是否發生變形和損傷。油氣管道在運行過程中，在與其所處環境中的礦物質成分、水、氣等接觸和反應后，會發生腐蝕。管道本身所輸送的介質有一定的壓力，周邊環境對它也有壓力，因此管道是處于一個受力平衡狀態。腐蝕發生時，管壁會產生體積性損傷，同時因受力而發生變形，這些因素會釋放應變能，產生彈性波，檢測設備接收到這種彈性波后，可以輸出聲發射信號。腐蝕過程中的氣體的產生與逸出，腐蝕層的剝離脫落也會產生聲發射信號。油氣管道在腐蝕過程中，因腐蝕形式和強度的不同，會不斷產生不同幅值、頻率的聲發射信號，通過對這些信號的提取和分析，可以判斷油氣管道的腐蝕受損狀況。聲發射技術可用于動態監測，靈敏度高，不受檢測環境的約束，檢測效率高，應用前景廣闊[14]。

目前對聲發射信號的采集與處理方式有兩大類，分別為聲發射信號的參數分析方法和波形分析方法。參數分析方法中聲發射信號參數有波擊、振鈴計數、幅度、能量、上升時間和到達時間等參數。這些參數都有其特定的含義與用途，如幅度表示信號波形的最大振幅值，可用于波源的類型鑒別、強度測量；到達時間表示一個聲發射波到達傳感器的時間，可用于波源的位置計算。參數分析法簡單直觀，對聲發射儀的要求低，分析速度快，操作簡單，是目前主要使用的方法。但在處理過程中，因試驗條件、結構材料、選用參數不同，得到聲發射源的評價也不同，在表征整個發射源的特征時有一定的偏差。波形分析法通過分析所記錄信號的時域波形獲得聲發射源信息，可通過譜分析方法獲得信號的譜特征，從而實現對缺陷的分析。聲發射波形分析技術的核心是依據聲發射信號的波形來了解聲發射源的物理本質，但由于聲源一般都比較微弱，信號本身具有突發性，波形分析面臨較大難度，如聲波性質與不同聲發射源的對應，聲波在介質中的傳播和波形轉換問題等[6，15]。

3 總 結

油氣管道腐蝕是自管道建成即開始面臨的問題。管道所處環境復雜，易受周邊氧、水、細菌、雜散電流等的影響，還面臨管體本身含有雜質、熱處理不均、表面狀況不同等問題，管道的腐蝕在理論上可以避免，但現實中無法做到，理論上可以控制，但往往很難控制。因此，在充分利用現有技術盡量消除上述因素的基礎上，開展腐蝕檢測并及時維修是避免發生因腐蝕導致事故的有效手段。超聲波法、漏磁法、渦流檢測技術和聲發射技術在檢測管道腐蝕上各有優缺點，在實際使用過程中，應綜合考慮管道環境、檢測成本、可行性、可靠性等問題，選取合適的方法進行檢測；也可以根據各自特點，揚長避短，綜合運用，實現管道腐蝕的準確檢測，保障油氣管道安全運行。

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