基于局部橢圓變形的長輸管道內檢測的實踐應用

姜緒彪

(惠州市大亞灣華德石化有限公司,惠州 516081)

長輸管道內檢測是管道完整性管理的核心技術,更是確保管道本質安全的重要技術手段之一。定期對管道開展清管作業,清除管線中雜質、積蠟和鐵磁性物質,開展幾何變形檢測和漏磁檢測,精準發現管道存在的幾何變形、金屬損失缺陷和焊縫異常,及時制定金屬損失點修復計劃,有計劃有步驟消除管道存在的缺陷,對開展管道完整性風險評價和適用性評價,保障管道安全運行[1-2],具有積極而深遠的意義。

長輸管道地下狀況較為復雜,針對局部橢圓變形的長輸管道,在無法實施局部換管的特定條件下,確保內檢測工作順利完成的前置條件是實施幾何變形檢測,根據幾何變形狀況來核算原先設計的內檢測設備的通過能力是否滿足要求。例如原檢測器按照直徑600 mm 的標準型進行常規設計,若無法通過管道變形處,需對檢測設備進行改造,以期實現該項目標。

1 基本情況

某長輸管道于1997 年3 月投用,設計壓力6.276 MPa,總長174 km,直管尺寸為φ610 mm×8(9)mm,彎管尺寸為φ610 mm×12.7 mm,采用螺旋焊埋弧鋼管。長輸管道內檢測工作主要分為兩個階段,即清管工作階段和檢測工作階段[3]。清管工作包括測徑清管和強化清管兩部分,測徑清管階段采用泡沫清管器、鋁板測徑清管器;強化清管階段采用直板清管器、鋼刷清管器、磁力清管器。檢測工作包括幾何變形檢測和漏磁檢測。每道工序必不可少且密不可分,需嚴格按照上述順序開展各項工作。清管器和檢測器都應具有跟蹤定位儀,以確保儀器在管道內安全運行。

電子幾何變形檢測器的原理如下:使用機械臂和渦流傳感器相結合的檢測技術,如圖1所示,檢測時機械臂在管道內可自動伸縮,安裝在機械臂上方的渦流傳感器發出的信號經過傳送系統,進入智能儀器的數據存儲系統,可100%覆蓋管道內徑全區域,并實時掃描內徑變形。若管道沒有變形,對應的藍色線條是直線;若管道有凹陷、橢圓等變形,對應的藍色線條就會顯示波谷或曲線。檢測完畢后通過軟件分析,獲得準確的管道輪廓形狀掃描和量化的變形量。

圖1 幾何變形檢測器的檢測原理示意Fig.1 Schematic diagram of the detection principle for geometric deformation detector

由圖2可見:漏磁檢測是利用漏磁檢測器自身攜帶的強磁鐵產生磁力線通過鋼刷耦合進入管壁,在管壁的全圓周產生一個磁回路。如果管道沒有缺陷,磁力線就會均勻分布;如果管道存在缺陷,缺陷處通道變窄,磁力線變形,部分磁力線穿過管壁兩側產生漏磁場,通過安裝在磁化單元之間的探頭傳遞管道缺陷信號。

圖2 漏磁檢測原理示意Fig.2 Schematic diagram of magnetic leakage detection principle

若上所述清管工作質量達到技術指標,可按計劃進入檢測工作階段,投放電子幾何變形檢測器,結果發現在里程142 940.00～142 941.99 m 處橢圓度較大,采用模擬仿真建立模型,仿真結果見圖3。該段管線內徑最小處為528 mm、最大處為624.4 mm,此處橢圓度為15.8%,管道橢圓變形示意見圖4,可見管道實際橫截面近似橢圓形狀。原計劃安排的漏磁檢測設備無法通過。

圖3 142 940.00 m 處管段的仿真圖Fig.3 Simulation diagram of pipe section at 142 940.00 m

圖4 142 940.00 m 處管段橢圓變形圖Fig.4 Elliptical deformation diagram of pipe section at 142 940.00 m

2 漏磁檢測設備的改造

2.1 漏磁檢測設備的改造原因

分析管道的幾何變形檢測數據及模擬仿真圖,該段管線里程142 940.00～142 941.99 m 處的最小內徑為528 mm,該處屬于3D(內徑)彎管,原漏磁檢測器無法通過此橢圓變形處。具體風險如下:

(1) 若繼續發送原漏磁檢測設備,在管道運行中極有可能會產生停滯、偏磨甚至卡球,若發生卡球事故,將導致下游煉化生產裝置被迫停產,造成無法估量的損失。

(2) 由于該處管道埋設深度近5 m,管道上方側向填土高度近7 m,如圖5所示。即使以最快速度開展搶修,包括土建施工、封堵連頭和局部換管,也至少需要30 d。且管道左邊的側向填土部位已建成住宅小區,在開挖過程中若發生側向護坡滑落,無法確保施工人員安全、管道本質安全和建筑物安全。

圖5 橢圓變形處管道埋設示意Fig.5 Diagram of pipeline burial at elliptical deformation

(3) 若在對該處管道實施局部更換之后再實施內檢測,無法及時掌握全線(174 km)的內、外腐蝕狀況,會對管道的安全運行產生較大的風險。

需對漏磁檢測器進行結構改進,以確保其能安全通過該處橢圓變形的管道。

2.2 漏磁檢測設備的改造方法

待檢測管道的橢圓變形位于3D彎管處,漏磁檢測設備的改造目標是確保改造后檢測設備能安全通過3D彎管,實現預定的檢測精度。改造后的漏磁檢測設備示意見圖6,主要的改造措施有:(1) 采用壓縮性更好的連接臂;(2) 采用較小的皮碗法蘭,并降低皮碗間距;(3) 減小探頭厚度,并采用較小的探頭環。改造前漏磁設備型號為C24-1.B,3D彎管通過能力為542 mm;改造后漏磁檢測設備型號為C22-1.J,3D彎管通過能力為508 mm。

圖6 改造后漏磁檢測設備示意Fig.6 Schematic diagram of modified magnetic leakage detection equipment

待檢測管道的橢圓變形位于3D彎管處,最大橢圓度15.8%,其最小內徑為528 mm,通過模擬仿真和理論計算,可以確保檢測器順利通過該處橢圓變形管道。漏磁檢測設備改造前、后參數對比見表1。

表1 漏磁檢測設備改造前、后的參數對比Tab.1 Parameters of magnetic flux leakage testing equipment before and after the renovation

2.3 漏磁檢測設備的改造后的檢測精度

改進后漏磁檢測器具備如下檢測能力[4-5]:內外缺陷區分;金屬損失(包括均勻損失、點蝕、溝槽、機械損傷、焊縫或凹陷處金屬損失、套筒內金屬損失、環焊縫等)檢測,其中凹陷包括單純凹陷、與焊縫或金屬損失相關的凹陷;制造缺陷、壁厚變化、內徑變化、焊縫異常檢測;彎管曲率半徑、角度、方向等檢測;鋼制套筒、偏心套筒和修復套筒鑒別。焊縫異常情況檢測,包括環焊縫、螺旋焊縫和直焊縫,以及環焊縫和上下游螺旋焊縫相交點的時鐘方位。

本次檢測采用德國Rosen公司高清漏磁設備,檢測內容涵蓋幾何變形以及金屬損失,其金屬損失尺寸量化精度見表2。當缺陷檢出率為90%時,金屬損失檢測最小深度為0.10t(壁厚)。

表2 金屬損失尺寸量化精度Tab.2 Quantitative accuracy of metal loss size

Rosen公司幾何變形檢測的尺寸量化精度如下:外徑(OD)變化1.5 mm,橢圓度長度方向10%OD、橢圓度2%OD。凹陷變形時鐘方位±20°、深度1.5%OD、長度10%OD、寬度20%OD。

本次漏磁檢測器的運行介質為原油,為確保檢測精度達到表2所示的預期目標,從以下四個方面確保檢測精度。

(1) 為檢測器提供連續穩定的運行速度,通過理論計算預測最佳速度。

(2) 檢測探頭如圖6所示,選用高清探頭,實現預期的目標。

(3) 清出鐵磁性物質質量達到Rosen公司技術指標要求(小于1.6 kg)。

(4) 開展牽拉試驗,確保改造后檢測設備的靈敏度和精度。通過牽拉試驗確定數據量化模型,同時再結合現有缺陷數據庫進行識別量化,以實現表2所列的精度指標。本次待檢測管道壁厚最大為12.7 mm,具體試驗情況見表3。

表3 主探頭拾取缺陷能力Tab.3 The ability of the main probe to pick up defects

在12.7 mm 壁厚管道上,通過預支缺陷,實施牽拉試驗,分別模擬三種不同牽拉速度。結論如下:改造后檢測設備對于點蝕缺陷的檢測閾值為9%,對于均勻腐蝕缺陷的檢測閾值為9%。根據本次牽拉試驗結果,改進后檢測器可實現表2所列的檢測精度指標。

3 改進后檢測器的實際檢測結果

對管道進行強化清管,經過10次磁力清管,最后一次清出鐵磁性物質質量為1.25 kg,符合Rosen公司的技術標準,完全具備投放漏磁檢測設備的條件。

為取得最佳的漏磁檢測數據,投放漏磁檢測器前,需進行理論計算。因管道壁厚最大為12.7 mm,為了全覆蓋磁化,使漏磁檢測器保持流量穩定,以便采集到最佳的數據,先期開展理論計算,預測流量約1 400 m3/h,平均速度約1.41 m/s。實際運行工況如下:管道出站運行壓力4.3 MPa,溫度33.0℃,流量1 350 m3/h。

本次漏磁檢測的金屬損失點分布示意見圖7,金屬損失點共1 193個,其中內部金屬損失點597個、外部金屬損失點596個。

圖7 金屬損失點的分布示意Fig.7 Distribution diagram of metal loss points

4 開挖驗證

4.1 開挖數據

針對內檢測報告的數據,選取10處金屬損失點和1處幾何變形點進行開挖驗證。表4和表5為內檢測結果,其中時鐘方位表示從介質上游流向下游。

表4 金屬損失的內檢測結果Tab.4 Internal detection results of metal losss

表5 幾何變形點的內檢測結果Tab.5 Internal detection results of geometric deformation points

現場進行開挖時,金屬損失開挖驗證點的實測數據包括里程、缺陷軸向長度、缺陷環向寬度、徑向深度、時鐘方位和金屬損失類型,具體見表6。幾何變形開挖驗證點的實測數據包括里程、凹陷軸向長度、凹陷環向寬度和時鐘方位信息,具體見表7。

表6 金屬損失的開挖驗證結果Tab.6 Excavation verification results of metal loss

表7 幾何變形點的開挖驗證結果Tab.7 Excavation verification results of geometric deformation points

4.2 數據對比

對內檢測報告數據和現場實測數據進行分析比對,結論如下:

(1) 缺陷的特征名稱、檢測里程、定位點、內外部缺陷等信息,內檢測報告數據和現場開挖數據完全吻合;

(2) 開挖驗證現場實測數據表明,缺陷的軸向長度、環向寬度、時鐘方位和變形量均在Rosen公司給出的量化精度范圍以內;

(3) 開挖驗證的10處金屬損失點,其中9處金屬損失的深度精度在Rosen公司給出的量化精度范圍以內,另1處金屬損失的深度精度超出Rosen公司給出的量化精度范圍。

4.3 偏差原因分析及修復方案

對于里程3 208.48 m 處的凹陷進行分析,其產生原因是管道回填時沒有嚴格落實回填土技術要求,底部有石頭擠壓,管道發生塑性變形后產生凹陷變形,移走石頭后,實測凹陷長度、寬度、深度分別為360,181,18 mm,凹陷處沒有腐蝕,凹陷周邊進行無損檢測,沒有裂紋,凹陷深度為管道外徑的2.95%。按照GB/T 36701-2018《埋地鋼質管道管體缺陷修復指南》中關于凹陷修復的條件[6],若同時具備以下4個條件,無需對凹陷進行修復:

(1) 凹陷為普通平滑凹陷;

(2) 凹陷深度小于管道外徑的6%;

(3) 凹陷長度L與深度d的比值(L/d)不小于20;

(4) 凹陷處腐蝕深度不大于管道公稱壁厚的10%。

對照以上4個條件,該處凹陷無需維修,對管道打磨后采用黏彈體材料進行防護即可。

對于里程13 704.35 m 處金屬損失點,內檢測報告顯示深度為16%,現場檢測數據為32.1%,該金屬損失點位于長輸管道3D彎管直管處,金屬損失類型屬于外腐蝕,現場實測該缺陷處管道最大外徑φ620 mm、最小外徑φ587 mm,橢圓度為5.4%,已超出3D彎管直管段的橢圓度應不大于0.8%的技術指標。此橢圓度的彎管直管段雖然能夠使幾何變形檢測器和漏磁檢測器順利通過,但探頭在圓周方向壓縮不均勻,產生的實際曲線和理論曲線模型有一定差異。該處橢圓度超技術指標,是該處腐蝕缺陷現場實測數據大于內檢測數據的核心原因。針對此處腐蝕缺陷,采取B 型套筒修復方案,以保證管道的安全。

5 結論與建議

針對局部橢圓變形的長輸管道,在無法實施局部換管的特定條件下,通過對漏磁檢測設備的連接臂、皮碗法蘭和探頭進行改造,提升了檢測設備在3D彎管處通過能力,如期實現了改造的兩大目標。

(1) 改造后檢測器沒有發生卡球事故的安全目標。

(2) 改造后檢測數據量化精度達到Rosen公司標準。缺陷的特征名稱、檢測里程、定位點、內外部缺陷等信息和現場開挖數據完全吻合;缺陷的軸向長度、環向寬度、時鐘方位和變形量均在Rosen公司給出的量化精度范圍以內,但是有1處金屬損失的深度精度超出Rosen公司給出的量化精度范圍。進行了偏差原因查找分析,實施了缺陷修復,并給出了預防措施。

建議落實對壓力管道元件的出廠監督檢驗。彎管直管段距管端100 mm 范圍內橢圓度應不大于0.8%,彎管彎曲段的橢圓度應符合不同曲率半徑的橢圓度指標要求(2.5%～3.7%),這也是確保檢測量化精度的重要手段之一。