新建油氣管道的檢測及驗收評價技術

閔希華,饒　心

(中石油西部管道公司， 烏魯木齊 830011)

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新建油氣管道的檢測及驗收評價技術

閔希華,饒心

(中石油西部管道公司， 烏魯木齊 830011)

針對目前新建油氣管道可能存在的缺陷類型，根據驗收標準及可行的檢測技術的分析，提出了“22112”檢測及評價方法。采用試壓前后變徑、弱磁、漏磁檢測等多種技術，建立了管道本體質量驗收的系列標準。通過及時排查和發現管道的缺陷，消除管道投產運行前潛在的危險，做好管道建設與運行的質量交接，為提高管道質量安全打下基礎。

新建油氣管道;弱磁內檢測;變徑內檢測;檢測評價方法

我國陸上油氣輸送管道總長度已達1.2X105km。隨著中俄天然氣管道等國家重點油氣管道工程建設運行，截止到2020年，我國油氣管道將超過1.5X105km。

由于油氣管道建設速度快，新材料、新工藝、新技術的研究與推廣應用尚不完全配套，加上工程建設質量控制不夠規范，直接影響了管道本體質量。根據標準GB 50369-2006《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》要求，試壓是目前國內新建油氣管道投產前對管道施工質量、管材性能、焊接質量及管道整體強度的最后一次綜合檢測。然而，我國標準要求的現場強度試壓壓力等級與美國、加拿大等規范要求相比偏低，通過傳統試壓能夠暴露出的管道本體缺陷有限。由于局部應力集中、塑性變形等潛在的微觀缺陷，以及凹陷、劃痕、裂紋等宏觀缺陷難以暴露，給管道投產后的安全運行帶來極大的隱患和危險。近年來，國內已發生多起投產不久的油氣管道泄漏事故，主要都是由建設期的管道材料、環焊縫焊接質量以及應力集中等問題導致的。

因此，研究新建油氣管道的檢測與評價技術，建立管道本體質量驗收的系列標準，把控管道投產前最后一道防線，及時發現管道的缺陷，將不可接受的隱患和危險消滅在投產之前，對提高管道質量安全意義重大，也是管道建設與運行管理者共同關注的重要課題。

1　新建油氣管道檢測與評價技術

新建油氣管道可能存在的缺陷分為兩類：一類是宏觀缺陷，主要包括凹陷、劃痕、裂紋及管體變形等；另一類是微觀缺陷，主要包括管道材料的應力集中、塑性變形等。針對不同的缺陷類型，結合管道投產前的清管、試壓、吹掃等工序，提出了“22112”檢測及評價方法：① 2次智能測徑，試壓前后分別進行1次，發現管體變形、凹陷等缺陷。② 2次弱磁檢測，試壓前后分別進行1次，掌握管道應力分布、應力變化及應力集中等。③ 1次P-V壓力容積曲線監測，監測試壓過程管道屈服狀況。④ 1次漏磁檢測，發現凹坑、劃痕、裂紋等宏觀缺陷。⑤ 2次評價，試壓前對管材力學性能進行評價、對試壓前后檢測數據進行整體分析評價。

通過上述方法，全面發現新建管道宏觀、微觀缺陷，及時消除不可接受的缺陷。新建油氣管道檢測及評價方法如圖1所示。

圖1　新建油氣管道的檢測及評價方法

1.1智能變徑檢測技術

按照標準GB 50369-2006要求，管道清管合格后需進行測徑，測徑宜采用鋁材測徑板，以測徑板通過管段后，無變形、無褶皺為合格。該標準未對新建管道的測徑進行強制要求，同時由于測徑鋁板清管器不記錄連續管道內徑數據，存在檢測精度低、不能準確定位、漏檢等問題。在管道投產前采用智能測徑檢測器，不僅可快速發現管道存在的大于1%管道外徑的變形，而且能對變形準確定位和量化，依據檢測結果對不滿足驗收要求的變形及時處理。

由于新建管道投產前沒有管道輸送介質作為檢測器的行進動力，目前可采用2種方式提供動力源，一種是靠空氣壓縮機提供的動力源，受空氣壓縮機功率和氣體可壓縮性等因素影響，檢測器運行速度控制不穩定，直接影響檢測質量，可在檢測器前后增加一定長度的注水段；另一種則是依靠類似管道爬行機器人牽引檢測器運行。2013年西部管道公司研制了自源主動運行智能牽引系統，該系統擁有平穩(速度小于4 km·h-1)的自主行走控制方式，用汽油機作為動力，可順利通過新建管道上坡、下坡、穿跨越，牽引各種管道內檢測器(弱磁、變徑)實現對未投產管道的內檢測。2013年該系統成功應用于伊霍線及西三線部分管段的變徑和弱磁檢測，開創了國內新建管道投產前自源主動運行內檢測的先河。圖2，3分別為自源主動運行牽引系統搭載變形檢測器外觀及采用其檢測到的缺陷信號示例。

圖2　自源主動運行智能牽引系搭載變徑檢測器外觀

圖3　變徑檢測器檢測到的管道變形的信號示例

2015年，CDP-G-OGP-OP-071-2015-1《新建管道投產前智能測徑技術規定》發布，明確了油氣管道工程投產前智能測徑的管道具備條件、檢測時機、檢測設備、動力配置、檢測段落劃分，以及管道變形可接受的條件和處理措施等方面的要求，為新建管道的變形檢測提供了依據。

1.2弱磁內檢測技術

新建管道試壓結束后，以是否發生爆管泄漏作為臨界條件來確定管道質量是否滿足服役要求，但是管道局部可能存在由于屈服強度不足而產生塑性變形和尚未發生爆破的管段。這種變形使得管材性能劣化，同時影響管道外防腐層性能和質量。根據標準NACE RP0394-98《涂敷施工性能和質量控制》規定，當環向拉伸變形超過1.3%時，防腐層的完整性將遭到破壞。去掉彈性變形，管道(真實)環向塑性應變超過1%時，不可服役。因此不能以強度試壓以及嚴密性試壓合格(管道不發生爆破)作為唯一的驗收依據，還需要保證管道發生的塑性變形在允許的范圍內。

管道在制管、施工過程產生的應力集中點，有些經過試壓還不能被釋放。這些應力集中點有的可能已處于許用應力的臨界點，有的在管道運行期可能出現應力腐蝕，從而導致管道失效、爆管等事故。傳統漏磁內檢測方法，局限于檢測已形成體積的宏觀缺陷信號。因此，如何準確檢測塑性變形、應力集中點等微觀缺陷就需要研究新的檢測方法和手段。

弱磁內檢測技術利用金屬自有漏磁場的檢測方式(磁記憶法)，測得應力集中區域的弱磁場信號，再根據檢測微弱磁場的變化來分析應力的變化[1-3]。

西部管道公司聯合沈陽工業大學研制了基于金屬磁記憶原理的管道弱磁內檢測設備和通過搭載自源主動運行的智能牽引系統。圖4為φ457 mm管子在爆破試驗中，弱磁傳感器采集到的磁場信號大小和應變傳感器采集到的應變值從0 MPa升至管子爆破期間的對應關系圖，從圖中可以看出，弱磁與應變在升壓過程中，具有良好的對應關系，可以反應管子的彈性范圍、塑形變形及最終的破裂過程。

圖4　φ457 mm爆破試驗應變片與弱磁信號對比

圖5　φ1 219 mm管道試壓前后弱磁內檢測信號

自2010年來先后對克拉瑪依-烏魯木齊φ457 mm輸油管道、伊霍φ1 219 mm輸氣管道、西二線φ1 219 mm部分段開展了現場檢測及研究工作，實現了在線及新建管道投產前的工程應用。圖5為試壓前后弱磁檢測信號。

1.3P-V壓力容積圖監測方法

P-V壓力容積圖監測方法是在管道試壓過程中，通過繪制管道中試驗介質的壓力-容積圖來控制壓力，當圖形出現非線性時停止加壓，避免管道出現大面積的屈服。標準ASME B 31.8-2010附錄N《現場管道水壓試驗推薦做法》推薦使用壓力-容積曲線法。

由于管線沒有明確的彈性塑性分界點，根據標準CSA Z662《油氣管線系統》將拉伸曲線中對應管道容積塑性變形量為0.2%時的應力定義為屈服點(圖6中虛線與曲線的交點處)，此點就是管道極限試壓強度，將該點作為試壓試驗停止點。在彈性極限內，管道試壓過程中容積變化和管道環向應變成正比。因此當P-V圖內圖形呈現線性變化時，說明管道應力未達到管材的屈服極限；當圖形出現非線性變化時說明管道中已經有鋼管的環向應力達到或者超過其屈服極限而出現塑性變形。

圖6　P-V壓力容積圖

1.4宏觀缺陷漏磁檢測技術

對于油氣管道腐蝕等體積缺陷的檢測，軸向漏磁檢測系統的檢測原理是通過軸向(沿著管道長度方向)勵磁使管壁磁通量瞬間達到飽和，用霍爾傳感器記錄所在位置的管壁截面上磁通量漏失情況，1219超高清軸向漏磁內檢測器結構見圖7。設備由2節結構構成，中間通過萬向節連接。第1節實現體積缺陷信號的采集以及速度控制功能，第2節負責內外缺陷的識別及系統的供電功能。這種檢測系統以發現管道截面上的體積缺陷為主、也能夠發現與其截面呈一定角度的體積缺陷。在目前管道企業中，絕大多數管道進行的智能內檢測都是指這種檢測[4]。

圖7　1219超高清軸向漏磁內檢測器結構示意

常用的漏磁檢測大都采用軸向勵磁,但軸向勵磁達不到全覆蓋，且精度較低(高清或標清)、只能發現7 mmX5 mm及以上的傷，不能發現裂紋。為彌補當前漏磁檢測的不足,必須研究超高清軸向、周向、45O勵磁漏磁內檢測系統，真正做到管道體積型缺陷的三軸三維檢測。即其精度均要達到4 mmX4 mm及以上，檢測脈沖達到1 500 Hz或2 000 Hz及以上，以實現宏觀缺陷包括內外開口裂紋的全面檢測。

1.5綜合評價技術

1.5.1管材力學性能評價

對于管道生產廠不只是生產合格的鋼管，還要提供鋼管材料的力學性能、焊接接頭力學性能、水壓試驗數據、破壞性試驗數據、檢驗數據等基礎資料，以建立管材制造數據庫，為制定布管方案提供依據和建議。

對于制造監理不只是監造鋼管合格與否，還要掌握每批管材力學性能及概率分布、水壓試驗、破壞試驗等信息，并與標準規定的管材最小要求屈服強度(SMYS)進行比較，制定合理布管方案。對新建管道鋼管的服役性能進行基礎性評價，主要確定不合格鋼管的概率及分布、試壓建議等，供設計研究與參照、業主決策、建造實施。

管材力學性能評價的目的：① 合理布管。性能較高的布在高壓地段，性能較低的布在低壓地段。② 合理確定試驗壓力。合理確定每段管道的強度試驗壓力，充分暴露管材的制造缺陷、釋放管材的富裕性能。

1.5.2檢測數據綜合評價

按照資產完整性評價方法進行綜合評價(驗證性評價)是非常必要的。依據布管方案、建造監造信息資料即基于管道本體建造基礎數據，綜合試壓信息即P-V監視信息、變徑檢測、弱磁檢測、漏磁檢測等信息數據，開展綜合評價工作。

①P-V壓力容積圖監測：對每個試壓段開展P-V壓力容積圖監測是必要的。其重點是監視試壓段有否塑性變形，初步驗證管材性能和布管、試壓方案的正確性。若有不可接受的塑性變形現象發生，通過后序的檢測(如弱磁檢測)方法設法找到塑變(段)，用試壓合格的鋼管更換即可。一般此類情況很少發生，但不能杜絕。

② 變徑檢測：對每個試壓段試壓前后開展變形檢測是必要的。根據變徑檢測數據的變化，確定有否變形超標的現象發生。若有不可接受的缺陷必須換管；若有P-V壓力容積圖監視的塑性變形特別是屈服點之后的塑性變形，原則上必有變形超標，這是充分必要的依據；變形信息還要作為塑性變形(屈服點及以前的)的重要依據之一；對凹坑、其他變形等缺陷，作為評價依據與其他檢測信息進行對照，綜合評價后，有結論再做處理。

③ 弱磁檢測評價：對新建管道試壓前后開展弱磁檢測是非常必要的，重點是觀測應力分布、應力變化及應力集中等規律。一般在彈性范圍內的管段，其應力分布比較均勻、試壓前后應力變化呈現變小的規律，亦或是應力釋放了。對于應力變大的應力集中區域、應力相對變大與變形變大同時存在的區域、有P-V壓力容積圖監視塑性變形同時又有應力相對變大與變形超標的區域，要用矯頑力儀等進行外部應力驗證核對，但都要換管，這些是不可接受的缺陷。對于凹坑、劃痕、金口及死口等有應力存在的區域，還要結合漏磁檢測等進行評價，再做處理。

④ 漏磁檢測：對新建管道進行三個方向勵磁(軸向、周向、45°)、超高清的漏磁檢測是非常必要的，重點是發現裂紋，特別是未參與試壓的管段和焊縫。漏磁檢測完全可以作為基線檢測與評價，或說是將基線檢測與評價提前進行。對于檢測出來的焊縫(環、直、螺旋焊縫)異常，特別是裂紋要高度重視。對有深度超過10%T、深度沒超過10%T但有應力集中、深度沒超10%T但有變形等的裂紋(顯性、隱性)，均需進行超聲檢測、射線檢測驗證核對，且都必須要換管，這些是不可接受的缺陷；對于有應力集中或有變形存在的凹坑、機械劃傷等缺陷，也必須換管，這也是不可接受的缺陷；對于其他缺陷，按照相關標準進行評價。

以上這些判據只是基礎的，還需要進一步豐富完善，并形成業內統一的評價標準。 綜合評價(驗證性評價)目的：① 確定管道合格與否，消除不可接受的缺陷。是否做到本質安全、從零開始，避免不必要的、更大的損失。② 確認管道性能好與壞、指標高與低的結論。對設計、建造等質量有評價，是否做到物有所值、物盡其用。③ 提交綜合評價報告，作為交接、驗收、投產及運行管理的重要依據，完整性管理從零做起。④ 建立新的驗收標準體系。管道試壓不是最后一道質量關口，完整性綜合評價才是最后一道質量關口。

2　結語

隨著我國新建油氣管道的加速，如何做好投產前最后一道質量把關和驗收工作至關重要，應加快完善新建管道檢測及評價技術的研究及應用，及時排查和發現管道不可接受的缺陷，形成油氣管道新建與運行交接(檢測、判斷、評價)驗收標準，對提高管道質量安全意義重大，同時也為運行期管道的完整性管理提供依據。

[1]楊理踐,劉斌，高松巍.弱磁場中漏磁檢測技術的研究[J].儀表技術與傳感器，2014(1):89-92.

[2]楊勇，尹春峰，姬杰.金屬磁記憶技術在埋地金屬管道應力集中區檢測中的應用[J].石油工程檢測，2012,38(5):54-57.

[3]張蘭，張來斌，樊建春.基于磁記憶方法的油氣管道內檢測試驗研究[J].石油機械，2010,38(5):1-4.

[4]楊理踐，邢磊，高松巍.三軸漏磁缺陷檢測技術[J].無損探傷，2013,37(1):13-16.

The Technology of Inspection and Acceptance Evaluation in New Oil Gas Pipeline

MIN Xi-hua, RAO Xin

(Western Pipeline Company of China Petroleum, Urumqi 830011, China)

In this paper, the existing defects, acceptance criteria and feasible detection technology of the new oil gas pipeline are analyzed. The method of detection and evaluation named 22112 is proposed. A series of standards for checking the quality of the pipeline are established by the varying diameter before and after applying pressure to the pipe, the weak magnetism and magnetic flux leakage test. In order to improve safety of the pipeline, it is necessary to investigate and discover defects of pipeline timely and eliminate the potential and unacceptable risk or danger before running, meanwhile the handover of quality and construction of pipeline must be ensured.

New oil gas pipeline; Weak magnetic detection; Detection of variable diameter; Detection and evaluation method

2015-05-28

閔希華(1959-)，男，教授級高工，主要從事生產管理及科技信息工作。

10.11973/wsjc201603002

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0004-04