基于內檢測數據的管道完整性評價

孫霄，張亦白，李杭俞

1.國家管網集團東部原油儲運有限公司 資產完整性管理中心（江蘇 徐州 221008）

2.國家管網集團東部原油儲運有限公司 徐州輸油處（江蘇 徐州 221008）

0 引言

完整性評價作為管道完整性管理的核心環節之一，是管道運營企業和管道檢測單位不斷探索、研究的關鍵技術[1]。管道完整性評價主要有3種方法：內檢測、直接評價和壓力試驗方法[2]。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》中明確指出：“宜優先選擇基于內檢測數據的適用性評價方法進行完整性評價”。目前該方法在國內外得到廣泛應用。

從內檢測數據的管道完整性評價各個環節，即評價數據收集、內檢測數據分析、缺陷評價和腐蝕剩余壽命預測等方面進行分析和研究，并結合實際評價工作中遇到的案例進行分析說明。

1 評價數據收集

數據收集作為管道完整性管理的第一環節，其收集數據的準確性和全面性直接影響著后續完整性評價的結果。在檢測評價前需要明確所評價的對象和范圍，并最大限度地獲取評價相關數據（表1）。

表1 評價所需數據內容（除內檢測數據外）

評價所需數據的收集工作盡量在檢測評價前完成，且在現場檢測期間核實數據的準確性、現場收集未獲取的重要數據，可采取相應的檢測手段。

2 內檢測數據分析

2.1 內檢測技術選擇

國內外應用較普遍的管道內檢測技術主要包括幾何變形內檢測技術、漏磁內檢測技術、超聲波內檢測技術、遠場渦流內檢測技術等[3]。目前開展的管道內檢測主要應用幾何變形內檢測技術和漏磁內檢測技術。

幾何變形內檢測技術是利用可伸縮的機械探臂測量管道內徑，根據探臂改變的角度來獲得管道的變形量。該技術可用于檢測在役管道凹陷、橢圓變形、褶皺等幾何變形[4]。

漏磁內檢測技術是利用磁敏元件接收管道缺陷處泄漏出來的漏磁通原理來獲取漏磁信號[5]。該技術具有無需耦合劑、受環境影響小、檢測速度快、對體積型缺陷敏感等優點，十分適合長距離輸送管道的檢測。目前可識別出的缺陷特征有腐蝕、焊縫異常、制造缺陷、機械損傷等。

2.2 數據統計分析

為了直觀分析判讀得到內檢測數據，需要對各類缺陷數據進行統計，分析缺陷各特征沿里程的分布，再結合收集的數據信息，探尋缺陷形成的原因或可能性。

通過對缺陷的長度、寬度、深度、時鐘位置分別沿檢測里程的分布情況進行綜合分析，從分布規律中可以發現管道存在的問題。筆者統計分析近5年儲運公司20多條管道的內檢測數據后，發現管道存在內腐蝕集中分布于管道底部或高程低洼段、出站內腐蝕缺陷密集、石方段凹陷分布集中等典型問題，還有水線內腐蝕、大面積外腐蝕、螺旋焊縫失效等特殊缺陷。下面對幾種典型問題和特殊缺陷分別進行分析。

2.3 典型問題與特殊缺陷分析

2.3.1 典型問題分析

1）內腐蝕集中分布于管道底部或高程低洼段。某檢測段腐蝕缺陷數目沿時鐘方位和檢測里程的分布如圖1所示。

圖1 內腐蝕集中分布于管道底部典型圖

從圖1 中可以明顯發現內腐蝕大多集中在5:00~7:00 方向管道底部，分析其可能產生的原因，出站管段有水從油中分離出來，集中在管道底部形成內腐蝕；在管道高程的低洼段也會出現有水的腐蝕環境形成內腐蝕聚集。

2）出站內腐蝕缺陷密集。某檢測段腐蝕缺陷數目沿檢測里程分布如圖2所示。

圖2 出站10 km內腐蝕密集典型圖

從圖2可以看出該管段在整個檢測里程范圍內都存在腐蝕缺陷，但內腐蝕缺陷較多，且在首站和中間站出站10 km 范圍內較為集中。分析其原因，可能是出站壓力高、溫度高，導致內腐蝕加劇。

3）石方段凹陷分布集中。某檢測段凹陷數目沿時鐘方位和檢測里程分布如圖3所示。

圖3 凹陷分布集中典型圖

從圖3可以看出，該段凹陷數目較少，但集中分布在130～140 km，周向上集中在3:00～7:00的管道下半部。通過與該段GIS圖像數據對比和現場核查發現，130～140 km剛好位于山區石方段，分析該段管道凹陷為山區石方段巖石頂擠所致。

2.3.2 特殊缺陷分析

1）水線內腐蝕。某檢測段腐蝕缺陷數目沿時鐘方位和檢測里程的分布出現了內腐蝕，整體上呈垂直對稱分布的情況。根據收集到的信息，該管道建成后注水封存7年多，封存用水為普通淡水，未添加緩蝕劑。查看內腐蝕集中區域的內檢測信號（圖4），可以明顯看出水和空氣的分界線。

圖4 水氣分界線內腐蝕內檢測信號圖像

在檢測評價中還發現類似的水線內腐蝕現象，分析其原因主要有注水封存期間管道內存在空氣—水的分界線、水壓試驗后水未清干凈、建設期管道長期存放于有水環境等。

2）大面積外腐蝕。某檢測段腐蝕缺陷寬度沿檢測里程有寬度較大的外腐蝕集中分布，查看內檢測信號，最寬的一處外腐蝕的內檢測信號圖像如圖5所示。

圖5 典型大面積外腐蝕內檢測信號圖像

從圖5 可以看出，該管段存在整管的大面積外腐蝕。針對該問題，應綜合其他相關信息對缺陷成因進行分析，同時，應對防腐層質量和陰極保護有效性進行檢測，確保管道陰極保護系統有效，有效控制管道外腐蝕。

3）螺旋焊縫失效。老舊管道螺旋焊縫失效頻發，如魯寧管道，在其中一根鋼管上就有9處螺旋焊縫異常，其內檢測信號圖像如圖6 所示。其原因主要是當時制管水平不高，造成螺旋焊縫焊接質量差。

圖6 螺旋焊縫異常內檢測信號圖像

3 管道完整性評價

管道完整性評價是在了解管道缺陷分布情況后，根據不同缺陷特征和管材屬性，選擇合適的缺陷評價方法，計算缺陷處管道的剩余強度，找出超標缺陷，提出維修建議，確定下次檢測時間[6]。

3.1 評價參數確定

在進行缺陷評價前，首先要確定管道材質的力學性能參數，也是評價所必須的參數，包括管體、環焊縫和螺旋焊縫的屈服強度、抗拉強度和沖擊功。若出現采用分段設計的管線，各段設計壓力不同、材質不同等，應根據收集得到的實際管材分布情況，采用相應的力學性能參數，分段進行評價。

當管道材質的力學性能沒有下降時，一般參考標準值，也可參考檔案資料中管材證明書中管材的機械性能數據綜合考慮。但當老舊管道材質的力學性能不足時，就達不到標準值，應利用維修換下的管子開展管材的力學性能試驗，采用試驗值進行評價，其結果更接近管道的真實情況。

3.2 金屬損失評價

管道金屬損失為體積型缺陷，包括內外腐蝕、制造缺陷或機械損傷。腐蝕是由于管道外部或內部存在腐蝕環境而產生的缺陷，這類缺陷會隨時間變化而不斷增長變化，在評價時需要考慮腐蝕增長速率；而制造缺陷或機械損傷是在鋼管制造或施工過程中產生的缺陷，這類缺陷一般不會隨時間增長，但可能會在缺陷附近產生應力集中或組織改變。因此這兩類不同的缺陷應采用不同的評價方法：腐蝕適合采用RSTRENG 0.85dL方法，而制造缺陷適合采用SHANNON方法。

3.2.1 腐蝕缺陷評價

3.2.1.1 RSTRENG 0.85 dL方法

RSTRENG 0.85 dL（ASME B31G 修正版）方法是ASME B31G 方法的改進[7]，選取缺陷深度和長度兩個參數，將增加的流動應力定義為最小屈服強度（SMYS）+68.95 MPa。由于腐蝕的不規則性，該腐蝕面積取值為實際腐蝕面積的近似值，雖然較有效面積法的準確性差，但是該方法計算簡便易實現。

該算法評價計算用到的公式：

式中：P'為最大安全壓力，小于等于設計壓力，MPa；P為設計壓力，MPa；SMYS為最小屈服強度，MPa；t為管材壁厚，mm；d為腐蝕缺陷深度，mm；M為鼓脹系數。

M取值按公式（2）計算：

式中：D為管道外徑，mm，Ltotal為腐蝕的軸向長度，mm；。預測的爆管失效壓力Pburst為：

3.2.1.2 腐蝕增長速率計算

在進行腐蝕缺陷評價時可利用腐蝕增長速率來預測腐蝕缺陷的擴展情況，從而得出計劃修復時間和再檢測時間。腐蝕增長速率可通過兩次內檢測數據對比計算得到。

腐蝕增長速率的計算公式：

式中：GRc為腐蝕增長率，mm/a；d2為最近一次檢測的腐蝕深度，mm；d1為上一次檢測的腐蝕深度（若沒有，視為無腐蝕），mm；T2為最近一次檢測的時間，a；T1為上一次檢測的時間（若沒有，采用管道投產的時間），a。

3.2.1.3 腐蝕缺陷評價案例

以某檢測段為例，最大允許運行壓力選用設計壓力5.5 MPa進行計算，安全系數取1.39，評價結果如圖7所示。

從圖7 的評價結果得到，在安全運行壓力線上的缺陷需要立即維修。按照全壽命腐蝕增長速率預測5年內該段需要修復的腐蝕缺陷統計情況見表2，可以給管道運營企業提供維修建議，也可為再檢周期的確定提供參考。

圖7 RSTRENG 0.85dL方法的腐蝕缺陷評價結果

3.2.2 制造缺陷評價

制造缺陷評價方法主要采用SHANNON方法進行評價。以某檢測段為例，最大允許運行壓力按照4.0 MPa進行評價，安全系數取1.39，評價結果如圖8所示。

圖8 SHANNON方法的制造缺陷評價結果

在圖8 制造缺陷評價結果中，沒有超過安全運行壓力線的缺陷點，因此該檢測段沒有需要修復的制造缺陷。

3.3 焊縫異常評價

目前漏磁內檢測技術還無法對焊縫缺陷進行定性，通過內檢測數據得到的焊縫異常可能是過度打磨、未焊滿等體積型缺陷，也可能是未熔合、未焊透等平面型缺陷，甚至可能是裂紋等面積型或線性缺陷，在無法確定缺陷類型的情況下，出于安全性考慮，經常保守地將焊縫異常作為平面型缺陷使用BS 7910—2013、SY/T 6477—2014 中的評價方法進行評價。

以某檢測段環焊縫異常評價為例，采用BS7910—2013 方法，最大允許壓力采用設計壓力5.5 MPa進行評價，評價結果如圖9所示。

圖9 BS 7910—2013方法的環焊縫異常評價結果

在圖9 環焊縫異常評價結果中，有部分不可接受缺陷，需要立即響應。

在進行螺旋焊縫異常評價時，需要綜合環向和軸向兩個方向的投影評價結果，得出最終結論。若某檢測段的螺旋焊縫異常在環向投影評價結果中沒有不可接受缺陷，而在軸向投影評價結果中存在缺陷，綜合考慮，該段存在立即響應的螺旋焊縫異常。

3.4 凹陷評價

目前凹陷評價主要執行標準SY/T 6996—2014《鋼質油氣管道凹陷評價方法》，變形量達到6%及以上的凹陷，變形量達到2%及以上且變形處存在焊縫、腐蝕等的凹陷，均需要立即響應，具體修復方案根據開挖情況確定。

需要注意的是：GB/T 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》的附錄K 中指出，對凹陷、扭曲等變形缺陷的解除約束應力后尺寸減少的缺陷，宜按照原尺寸評價結論修復。

當能獲得更多的凹陷數據時，也可采用基于應變的評價方法或有限元分析的方法，對凹陷做進一步的評價分析，以獲取剩余強度、預測疲勞壽命[8]。

3.5 特殊管段安全分析

針對穿跨越、改線、高后果區、防腐補口等特殊管段和重點關注區域，需要根據標準、收集的信息及檢測的數據來單獨評價或進一步分析。

1）穿跨越管段。由于穿跨越管段結構、承載及環境與一般管段不同，評價時采用的設計系數也不同。GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》規定：輸油站外一般地段應取0.72，城鎮中心區、市郊居住區、商業區、工業區、規劃區等人口稠密地區取0.6，I、II 級公路、高速公路、鐵路取0.6，水域大、中型穿越取0.5，沖溝穿越取0.6；GB 50459—2017《油氣輸送管道跨越工程設計規范》也規定，根據跨越工程甲類和乙類，工程等級（大型、中型和小型）來確定設計系數，所以針對穿跨越管段要利用檢測結果單獨進行安全分析評價。

2）改線段。由于改線段較一般管段運行時間短，其腐蝕增長速率與一般管段不同，需要對改線段單獨分析和評價。改線段與新建管道類似，一般缺陷較少、程度較低，如出現較大缺陷應進行單點評價，并開挖驗證，分析原因。

3）高后果區管段。高后果區是管道完整性管理的重點區域，除了部分穿跨越高后果區進行單獨評價外，其余高后果區管段也應進行重點分析，提高該區域內缺陷修復的優先級別。根據區域內缺陷情況，制定有針對性的防控措施。

4）防腐層補口。若管道防腐層補口的質量不高，很容易造成漏點，破壞管道的整體陰極保護，并在漏點處形成外腐蝕。為了分析防腐層補口質量，可對環焊縫中心線兩側各200 mm 范圍內的外腐蝕點進行統計，并計算單位長度防腐層補口區的腐蝕點數量與單位長度該管段的腐蝕點數量的比值，若比值遠大于1，就需要重點關注防腐層補口質量，必要時進行開挖修復。

3.6 剩余壽命預測

剩余壽命預測主要依據GB/T 30582—2014《基于風險的埋地鋼質管道外損傷檢驗與評價》中的壁厚法。該方法適用于直管段均勻腐蝕與局部腐蝕剩余壽命預測。結合《石油天然氣管道安全監督與管理暫行規定》、以及TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗規則長輸（油氣）管道》的相關規定，最后再綜合考慮腐蝕缺陷狀況和腐蝕防護系統情況，提出下次檢測日期的建議。

4 影響評價結果的關鍵因素

在開展基于內檢測的完整性評價時，下列問題的出現會影響評價結果：

1)數據收集不全、不準確。有些老舊管線，歷史檔案資料收集較困難，經常遇到數據收集不全等問題；還有部分管線采用分段設計，而對于具體分段位置、管道規格等信息又不夠明確；穿跨越管段、高后果區范圍出現偏差，特殊管段的壁厚等信息與設計不符。這些都會增加評價難度、影響評價結果。因此全面收集準確數據是順利開展評價工作的前提。

2）內檢測數據質量不高。在評價前，要對內檢測數據質量進行評估：探頭損壞造成的數據丟失率是否在標準要求范圍內；檢測器運行是否平穩；開挖驗證結果中，缺陷位置、尺寸等的偏差是否在標準要求范圍內；缺陷類型、尺寸是否判讀正確等。內檢測數據的準確識別是得出正確評價結果的關鍵。

3）評價方法存在局限性。任何評價方法都有其局限性，受各種條件限制，為了確保管道安全，一般會采用較保守的評價方法。要得到更準確的評價結果，需要不斷提高內檢測技術，研究內檢測數據對比方法，綜合多種先進的檢測技術，以獲取更多有價值的缺陷數據，并在依據標準的基礎上，探索更有效的評價方法。

5 結束語

基于內檢測數據的管道完整性評價中的關鍵環節進行了分析，首先明確了在評價前全面收集內檢測數據相關方面；然后對通過內檢測判讀得到的管道缺陷數據統計分析，并對發現的典型問題和特殊缺陷進行了例證分析。在完整性評價重點內容中，對評價參數的確定、腐蝕增長率的計算、評價方法的選擇進行了分析研究，重點對金屬損失、焊縫缺陷、凹陷的評價方法進行了研究；并對特殊管段進行了深度安全分析；研究了管道剩余壽命和再檢周期的確定方法；最后提出了影響評價結果的關鍵因素，形成了一套較成熟的基于內檢測數據的管道完整性評價模式，從而提出可靠的維修維護建議，保障管道本質安全。