穿越河流段管道檢測方法研究

浦哲 任彬 石生芳 趙番 王潔璐 李瑋

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 （上海 200062）上海壓力管道智能檢測工程技術研究中心 （上海 200062）

石油是重要的戰略物資和化工原料，石油石化工業是發達國家、產油國家的基礎產業和支柱產業。如今石油、天然氣資源已打破國界，產油國和消費國的利益平衡，影響著世界經濟甚至全球的穩定。管道運輸是油氣資源的最佳輸送方式，長輸管道是指產地、儲存庫、使用單位間用于輸送商品介質的管道，一般具有以下特點：輸送距離長，常常穿越多個行政區劃，甚至國界；輸送商品介質；大多設有中途加壓泵站；一般有穿越、跨越工程；絕大部分管道為埋地敷設；管線的設計和施工驗收均遵循GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》、GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》以及GB 50369—2014《輸油輸氣管道線路工程施工及驗收規范》。當管道穿越河流時，一般采用跨越管道或者穿越管道的方式。穿越管道與跨越管道的區別在于穿越管道是管道從障礙物下通過，而跨越管道是從障礙物上部通過。穿越河流在長輸管道工程中占有相當比例，一般可以采用大開挖穿越、定向鉆穿越、鉆爆隧道穿越、盾構隧道穿越、頂管穿越等。但是由于埋地管道敷設在地下，容易受到土壤、地下水、雜散電流等復雜的外腐蝕環境帶來的危害。同時，輸送的介質可能含有硫化氫等腐蝕性物質，形成管道內的腐蝕環境。管道一旦出現泄漏，因不易被發現，容易引發事故，因此，需要對該部分管道進行重點檢測。

我國部分管道修建于20世紀70年代，受當時管道建設的技術水平、設計水平等條件的限制，服役過程中出現一些預想不到的情況。近幾年來，埋地壓力管道事故屢有發生，2013年11月22日，中石化東黃輸油管道與排水暗渠交匯處管道因腐蝕減薄發生破裂，原油泄漏進入市政排水暗渠，油氣在形成密閉空間的暗渠內積聚，遇到火花就發生爆炸[1]。目前，我國部分地下管道已經處于管道的老齡化階段。

管道受到土壤重力、水底浮力、溫度變化、內部壓力等波動，導致受力非常復雜，一旦管道應力超出標準值，將會造成管道材料破壞，產生嚴重后果。因此在特殊敷設地段及特殊運行工況下，管道的應力分析評價工作必須開展，對于長輸管道設計的規范，國內通常依照GB 50253—2014的要求，國外通常遵循ASME B31.4-2016的標準，這兩種標準對于應力校核的方法基本一致。

1 穿越管道應力分析

1.1 應力分析判別標準

某長輸管道采用定向鉆方式穿越河道，設計參數如表1所述。埋地管道受力較架空管道更為復雜，因此，綜合考慮各種主要荷載因素，建立合理的管土相互作用模型，計算管道上所受到的應力和變形非常重要。設計中地區等級劃分方式為1級2類，設計系數為0.72。

表1 管道參數表

埋地管道的特點在于土壤對管道的約束。管道因一次應力和二次應力與土壤建立約束關系，埋地管道因為溫差變化發生膨脹收縮變形，但是由于土壤的作用，阻礙這種變形的發生，主要表現為土壤對管道的軸向摩擦力和橫向推力。管道的軸向應力包括熱膨脹應力、泊松效應力以及介質壓力產生的軸向分力。由于管道軸向應力在一定的溫度、壓力下不變，但是在管道的出土、入土端，土壤的軸向摩擦力不夠，因此上述位置為活動端；隨著管道埋入地下的長度不斷增加，土壤軸向摩擦力不斷增大，當管道的軸向應力和土壤摩擦力相等時，管道產生了自然錨固點。發生熱位移的管段稱為錨固段；埋地管道的彎頭、三通等處，管件因為溫差變化容易產生橫向變形，為過渡段。管道在受熱后的力學區域分布如圖1所示。

圖1 埋地管道各區域受力分布

雖然錨固段和過渡段的判別方式各不相同，但計算的管道應力數值不應超過表2數據。

表2 管道系統應力最大允許值

其中：E為焊縫接頭系數；Sy為管道材料的最小屈服強度，MPa；f為應力減小系數；Sc為在安裝溫度或工作溫度二者較低溫度下的許用應力，MPa；SH為在安裝溫度和工作溫度二者較高溫度下的許用應力，MPa。CAESARⅡ軟件是國際通用的管道應力分析軟件，廣泛應用于石油、石化、電力等領域。CAESARⅡ是以梁單元模型為基礎把管道模擬為剛性桿的有限元分析軟件，它可以按照ASME B31系列進行應力校核。

1.2 模擬土壤模型

管道埋到土壤里，其移動要克服土壤的約束力。因此，對于土壤模擬的準確性直接關系到應力計算的結果。埋地管道分析的一個重要內容是弄明白土壤與管道的相互作用。CAESAR II常用的建立土壤模型的方法有Peng理論[3]、American Lifelines Alliance （ALA理論）[4]。Peng理論認為土壤支撐運用具有初始剛度、極限載荷和屈服剛度的雙線性彈簧來模擬，通常將屈服剛度設為接近于0，即一旦達到極限載荷，即使位移不斷增加，載荷也不會進一步增大。埋地管道分析需要計算橫向和軸向極限載荷，極限載荷除以屈服位移得到該方向上的剛度。

陳俊文等[7]利用CAESARⅡ軟件研究土壤對埋地管道錨固的規律，并用軟件驗證公式計算自然錨固段長度的正確性；丁清一等[8]利用CAESARⅡ軟件對蘇丹輸油管道進行應力分析以及對固定墩推力進行計算，目前該管道已經運行10多年，未發生任何管道應力損傷或者固定墩傾覆事故，說明該軟件模擬的土壤約束是真實可靠的。同時他認為手工計算無法較真實地模擬土壤約束，無法進行細致的應力分析，所以手工計算結果相對保守，且增加了成本。

本研究采用Peng理論模擬土壤約束，該理論在CAESAR II中按照 “CAESAR II Basic Soil Model”來建立。模型建立完成后保存退出，回到CAESAR II初始主界面，點擊菜單欄中 “Underground Pipe Modeler”選項，進入埋地管道土壤模型輸入界面。土壤模型編號 （SOIL MODEL NO.）中的 “0“表示地面以上管道， “1”表示用戶自己定義剛度， “2”或者大于2的數字表示CAESAR II軟件中的土壤模型。

一般來說,管道的工況包含了設計、安裝、試壓、運行各種工況，每種工況下的壓力、溫度等均有差別，管道試壓時采用潔凈水，軟件工況組合如表3所示。其中：T1為操作溫度，T2為設計溫度，P1為操作壓力，P2為設計壓力，W為管道及介質重量，WW為充水重量，HP為水壓試驗壓力，U1為分布載荷，F1為集中載荷。為了校驗管道應力情況，按照表3進行了工況選定，對各種工況進行劃分并計算所有工況的應力值。結果表明一次、二次應力校驗合格，滿足ASME B31.4-2016的要求。通過軟件計算各工況最大應力所在節點位置以及所占需用應力的百分比，如表4所示。

表3 工況選取一欄表

表4 各工況最大應力一欄表

2 穿越河段管道外腐護層檢測

2.1 外防腐層檢測設備優化

外防腐層是確保管道不產生腐蝕的第一道屏障，是最重要的防護措施。按照TSGD 7003—2010《壓力管道定期檢驗規則——長輸（油氣）管道》的要求，應進行防腐層不開挖檢測，同時也可對位置埋深與走向進行調查。目前，在役檢測外防腐層的主要設備是PCM，其檢測原理如圖3所示。但是受檢測設備外型等因素影響，對穿越河段長輸管道無法實施檢測。經過研究開發，通過優化設備外型、性能等參數，可對穿越河段長輸管道實施在役檢測。

圖3 測量原理圖

交流地電位梯度法 （ACVG）中，埋地管道電流測繪系統 （PCM）與交流地電位差測量儀 （A字架）配合使用，測量步驟為：將A字架的2個電極插入地面靠近發射機的接地極附近，對可疑管段進行前后左右多次檢測，直到發現最大信號位置。一般在破損點上方時，接收機面板讀數在35～65 dB之間，接近破損點時dB值增大，大一點的漏點信號可能會大于65 dB；以一定間隔沿著管線走向進行檢測，箭頭反轉表明有破損點，當離開破損點時，箭頭立即反向指向破損點，這時候需要反向移動，減小間隔重復測量，直到將A字架向前或者向后稍微移動，箭頭即刻變回反向時為止。當A字架正好位于破損點正上方時，顯示的箭頭為2個方向，同時顯示的dB值讀數最小，將A字架旋轉90°，并沿垂線進一步定位，至A字架向前或者向后稍微移動箭頭即刻變回反向。這樣A字架的中點即為管道防腐層的破損點位置。但是對于特殊檢測區域，如穿越河流段，無法用現有A字架插入地面獲得檢測信號。經過優化，分別配置兩根長鐵棍，并用連接線將它們分別連接在A字架上，這樣就可以達到檢測效果。

2.2 外防腐層檢測結果

利用優化的設備進行了穿越河段埋地管道的檢測，并對數據按照相關標準進行外防腐層分級評價，檢測結果如表5所示。

表5 外防腐層檢測結果

通過對該穿越河段長輸管道檢測可知：該段穿越管道檢測總長約為41 m，實際可評價長度為41 m；質量為1級的防腐層長度為30 m，占實際可評價長度的73.1%；質量為2級的防腐層長度為10 m，占實際可評價長度的26.9%。外防腐層電流衰減率均值Y≤0.013；防腐層綜合等級為1級。

3 結語

應用CAESARⅡ軟件對長輸管道穿越河段進行應力分析，為管道全線提供應力分析報告，從應力方面證明管道的安全性和科學性。計算結果表明埋地管道彎頭在改變方向處，由于膨脹導致的橫向位移受到約束，容易造成應力過大。因此，對于埋地管道中的彎頭、三通等存在橫向位移的區域需要特別注意。

通過改造優化現有設備，對穿越河段埋地管道外防腐層進行檢測，達到了預期效果，為這種處于特殊區域的管道提供了一種可行的檢測方案，保證了全覆蓋埋地管道的安全運行。