油氣田在役管道檢測(cè)及安全可靠性研究

油氣田在役管道檢測(cè)及安全可靠性研究

隨著氣田的開(kāi)發(fā)，管道的安全運(yùn)行變得越來(lái)越受到重視。目前我國(guó)鋪設(shè)的輸油和輸氣管道已達(dá)30×105km,而且正在以1000~2000km/a的速度鋪設(shè)新管線,而現(xiàn)有的埋地管線大部分已服役了20多年,管道因腐蝕破壞而造成的穿孔泄漏事故時(shí)有發(fā)生。下面重點(diǎn)介紹漏磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和渦流檢測(cè)3種管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)方法的檢測(cè)原理、檢測(cè)方法以及油田應(yīng)用情況。1管道內(nèi)的腐蝕檢測(cè)技術(shù)1.1行業(yè)漏水法智能清管1.1.1鋼管漏磁通法檢測(cè)原理從1965年美國(guó)AMF公司研制出第一臺(tái)漏磁通法檢測(cè)器以來(lái),漏磁通法檢測(cè)器是目前應(yīng)用歷史較長(zhǎng)、技術(shù)較完善的檢測(cè)設(shè)備,其主要用途是在管道穿孔之前確定或描述因內(nèi)、外腐蝕引起的壁厚變化情況,同時(shí)也能檢測(cè)出管壁的凹痕、皺褶等腐蝕缺陷。漏磁通法檢測(cè)器一般由三個(gè)模塊組成,各模塊之間由聯(lián)軸節(jié)連接,如圖1所示。第一個(gè)模塊為電池模塊,中間為探測(cè)漏磁的傳感器模塊,第三個(gè)為儀器模塊。漏磁通法檢測(cè)的基本原理是建立在鐵磁材料的高磁導(dǎo)率這一特性之上的。其檢測(cè)的基本原理如圖2所示,鋼管中因腐蝕而產(chǎn)生缺陷處的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鋼管的磁導(dǎo)率;鋼管在外加磁場(chǎng)作用下被磁化,當(dāng)鋼管中無(wú)缺陷時(shí),磁力線絕大部分通過(guò)鋼管,此時(shí)磁力線均勻分布;當(dāng)鋼管內(nèi)部有缺陷時(shí),磁力線發(fā)生彎曲,并且有一部分磁力線泄漏出鋼管表面,檢測(cè)被磁化鋼管表面逸出的漏磁通,就可判斷缺陷是否存在。漏磁通法適用于檢測(cè)中小型管道,可以對(duì)各種管壁缺陷進(jìn)行檢驗(yàn),檢測(cè)的管壁不能太厚,干擾因素多,空間分辨力低;另外,小而深的管壁缺陷處的漏磁信號(hào)要比形狀平滑但很?chē)?yán)重的缺陷處的信號(hào)大得多,所以漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過(guò)校驗(yàn)才能使用,檢測(cè)過(guò)程中當(dāng)管道所采用的材料混有雜質(zhì)時(shí),還會(huì)出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù)。使用漏磁法檢測(cè)管壁厚度時(shí),檢測(cè)信號(hào)易受到管壁腐蝕缺陷的長(zhǎng)度、深度和缺陷形狀等因素的影響。當(dāng)腐蝕缺陷的面積大于探頭的靈敏區(qū)時(shí),管壁厚度的檢測(cè)精度高。但是,當(dāng)腐蝕缺陷的面積小于探頭的靈敏區(qū)時(shí),管壁厚度的檢測(cè)精度難以得到保證。因此,漏磁檢測(cè)裝置分為高分辨率和低分辨率兩種。高、低分辨率漏磁檢測(cè)裝置的劃分以所用探頭數(shù)的多少或各探頭間的周向間距而定。探頭數(shù)愈多,各探頭之間的周向間距愈小,分辨率愈高,則檢測(cè)精度愈高。高分辨率漏磁檢測(cè)裝置對(duì)槽型缺陷具有良好的檢測(cè)效果,對(duì)長(zhǎng)寬比大于2,寬度小于探頭周向間距的槽型缺陷而言,當(dāng)采用探頭周向間距為30~40mm的漏磁檢測(cè)裝置檢測(cè)時(shí),壁厚的檢測(cè)值明顯偏小。而采用探頭周向間距為8mm的漏磁檢測(cè)裝置再次對(duì)這種缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí),則能精確測(cè)量壁厚。1.1.2通法分離器的優(yōu)缺點(diǎn)a.操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、檢測(cè)費(fèi)用較低;b.對(duì)管道輸送的介質(zhì)不敏感,可以測(cè)量油氣水多相流管道的腐蝕檢測(cè);c.可以覆蓋管道的整個(gè)圓周;d.用于中小型管道的細(xì)小缺陷檢測(cè)。(2)漏磁通法檢測(cè)器的缺點(diǎn)a.容易產(chǎn)生虛假信號(hào)漏磁通法檢測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)不僅與管道缺陷的嚴(yán)重程度有關(guān),還與管道缺陷的幾何形狀有關(guān),這就使得腐蝕不嚴(yán)重但邊緣陡峭的局部腐蝕所產(chǎn)生的信號(hào)比腐蝕嚴(yán)重但邊緣平滑的腐蝕所產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng),則必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確解釋,以確切評(píng)價(jià)腐蝕的程度;b.檢測(cè)靈敏度低漏磁通法檢測(cè)器的檢測(cè)結(jié)果易受管材的影響,檢測(cè)精度隨管壁厚度的減小而提高,有關(guān)缺陷都能檢測(cè)出來(lái),但不能可靠地確定缺陷的大小;c.測(cè)厚方面不如超聲波裂紋檢測(cè)儀簡(jiǎn)便;d.不能檢測(cè)軸向缺陷漏磁通法檢測(cè)器對(duì)腐蝕坑和三維機(jī)械缺陷最為敏感,而對(duì)軸向缺陷則檢測(cè)困難。1.1.3檢測(cè)管道的信息PTC漏磁通法檢測(cè)器分析系統(tǒng)用于顯示、分析和處理由管道漏磁檢測(cè)器記錄儀采集的管道腐蝕數(shù)據(jù),最終生成管道上所有腐蝕點(diǎn)及管件的詳細(xì)報(bào)告。PTC漏磁通法檢測(cè)系統(tǒng)能夠提供被檢測(cè)管道上所有腐蝕點(diǎn)的里程、周向位置、距最近參考點(diǎn)的距離、腐蝕深度、腐蝕面積、距上下游焊縫的距離等信息,并可對(duì)管道上的管件和維修點(diǎn)進(jìn)行定位,是管道大修和管材鑒定的基本依據(jù)。該系統(tǒng)以類似示波器曲線的顯示方式顯示檢測(cè)器檢測(cè)到的管道信息。正常管道的圖形顯示為平滑的直線,異常情況的圖形為波動(dòng)的曲線。曲線的形狀代表管道上存在的異常點(diǎn)和管件,曲線的波動(dòng)幅度代表腐蝕點(diǎn)的腐蝕深度。PTC數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與漏磁通法檢測(cè)器配合,可以完整準(zhǔn)確地反映管道現(xiàn)狀,為管道業(yè)主提供第一手管道材料,為輸送工作的安全運(yùn)行提供重要依據(jù)。1.2超聲波裂紋檢測(cè)器1.2.1超聲波聲速t管內(nèi)超聲波在役檢測(cè)原理見(jiàn)圖3所示。垂直于管道壁的超聲波探頭對(duì)管道壁發(fā)出一組超聲波脈沖后,探頭首先接收到由管道壁內(nèi)表面反射的回波(前波),隨后接收到由管道壁缺陷或管道壁外表面反射的回波(缺陷波或底波)。于是,探頭至管道壁內(nèi)表面的距離A與管道壁厚度T可以通過(guò)前波時(shí)間以及前波和缺陷波(或底波)的時(shí)間差來(lái)確定:式中,tf為第一次反射回波(前波)時(shí)間,tb為第二次反射回波(底波或缺陷波)時(shí)間,νf為超聲波在介質(zhì)中的聲速,νs為超聲波在管道中的聲速。不過(guò),僅僅根據(jù)管道壁厚度T曲線尚無(wú)法判別管道屬內(nèi)壁缺陷還是外壁缺陷,還需要根據(jù)探頭至管道壁內(nèi)表面的距離A曲線來(lái)判別。當(dāng)外壁腐蝕減薄時(shí),距離A曲線不變;而當(dāng)內(nèi)壁腐蝕減薄時(shí),距離A曲線與壁厚T曲線呈反對(duì)稱。于是,根據(jù)距離A和壁厚T兩條曲線,即可確定管道壁缺陷,并判別管道是內(nèi)壁腐蝕減薄缺陷還是外壁腐蝕減薄缺陷。1.2.2b.適用于大直徑、厚厚度管道的檢測(cè)。ba.測(cè)量精度高,檢測(cè)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單,且無(wú)需校驗(yàn),檢測(cè)數(shù)據(jù)非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計(jì)算,為檢測(cè)后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便;b.適用于大直徑、厚管壁管道的檢測(cè);c.能夠檢測(cè)出管道的應(yīng)力腐蝕破裂和管壁內(nèi)的缺陷如夾雜等;d.超聲波檢測(cè)具有檢測(cè)成本低,現(xiàn)場(chǎng)使用方便,特別適用于檢驗(yàn)厚度較大的管道。(2)缺點(diǎn)a.檢測(cè)時(shí)一般要有聲波的傳播介質(zhì),如油或水等;b.需液體耦合劑,可靠性有待于提高;c.對(duì)薄壁管道環(huán)縫缺陷的檢測(cè)有一定難度。1.2.3探傷檢測(cè)及檢測(cè)注意事項(xiàng)以滄州至天津原油管道全長(zhǎng)84公里,材質(zhì)為L(zhǎng)360,規(guī)格為559mm×6.4mm,559mm×7.9mm雙面埋弧焊螺旋管中超聲波腐蝕檢測(cè)為例,說(shuō)明超聲波檢測(cè)技術(shù)在油田腐蝕管道中的應(yīng)用情況。(1)探傷儀的選擇標(biāo)準(zhǔn)a.選擇水平線性誤差小的儀器,以滿足定位準(zhǔn)的要求;b.選擇垂直線性好,衰減精度高的儀器,以滿足定量準(zhǔn)的要求;c.選擇盲區(qū)小,分辨力好的儀器,可以有效地發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和區(qū)分相鄰缺陷;d.選擇重量輕,熒光屏亮度好,抗干擾能力強(qiáng)的便攜式儀器。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較篩選,數(shù)字式超聲波探傷儀以其良好的綜合性能取代了傳統(tǒng)的模擬式超聲波探傷儀,成為滄津線超聲波檢測(cè)的主力機(jī)型,其基本參數(shù)是水平線性誤差不超過(guò)0.4%,垂直線性誤差不超過(guò)3%,步進(jìn)級(jí)為0.1dB。(2)探頭的選擇標(biāo)準(zhǔn)a.探頭頻率應(yīng)較高,在保證探傷靈敏度和分辨力的同時(shí),縮短近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度;b.探頭晶片尺寸應(yīng)較小,保證與探測(cè)面耦合良好,縮短近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度,提高缺陷定位和定量精度;c.薄壁管應(yīng)選用較大的K值(聲波進(jìn)入管內(nèi)的斜率)以便增加一次波聲程,避免近場(chǎng)區(qū)探傷。滄津線采用的是8mm×8mm和8mm×12mm兩種方晶片斜探頭。(3)檢測(cè)前的準(zhǔn)備a.在SGB-5和CSK-1型試塊上測(cè)定探頭入射點(diǎn),近場(chǎng)分辨力、主聲束偏移及主聲軸雙峰;b.測(cè)定K值,按照水平1∶1的比例調(diào)節(jié)掃描速度;c.用SGB-5試塊上孔徑為2mm×20mm的橫孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,繪制出距離和波幅曲線,如圖4所示。d.在SRB試塊(人工制作)上測(cè)定人工矩形槽的反射波幅度,作為評(píng)定管道環(huán)焊縫未焊透的依據(jù)。(4)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及波形辨析焊縫兩側(cè)應(yīng)打磨干凈,探頭移動(dòng)區(qū)內(nèi)應(yīng)無(wú)飛濺、無(wú)銹蝕、無(wú)污物,耦合劑(機(jī)油)應(yīng)涂刷均勻,探頭在焊縫兩側(cè)做前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等運(yùn)動(dòng),對(duì)于出現(xiàn)在熒光屏焊縫區(qū)域的波形,應(yīng)重復(fù)1~2次,觀察其重復(fù)性,并分析具體的結(jié)構(gòu)形狀(如錯(cuò)口、凹凸等),排出可能產(chǎn)生的耦合劑反射波和表面溝槽反射波。長(zhǎng)輸管道焊接易產(chǎn)生的主要缺陷有未焊透、夾渣、氣孔等,其波形辨析如下。a.未焊透。此類缺陷產(chǎn)生在焊縫根部,其反射波類似端角反射,探頭在平移過(guò)程中,未焊透波形穩(wěn)定。b.夾渣。此類缺陷在根焊及熱焊道中均易產(chǎn)生,主要由于清根不凈或手法不妥而形成,其回波多呈鋸齒狀或樹(shù)枝狀,并且回波高度不是很高,探頭平移時(shí),波幅有變動(dòng),轉(zhuǎn)角時(shí),反射波幅不相同。c.氣孔。此缺陷一般為球形或橢球形。單個(gè)氣孔回波高度低,波形較穩(wěn)定,轉(zhuǎn)角時(shí),反射波高度大致不變。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的復(fù)雜性,可采用對(duì)比試管、未焊透對(duì)比塊、射線檢測(cè)復(fù)驗(yàn)等方式相結(jié)合的綜合檢測(cè)方法,可以大大提高聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確性。1.3渦流式檢測(cè)法渦流檢測(cè)技術(shù)的原理是:在渦流式檢測(cè)器的兩個(gè)初級(jí)線圈內(nèi)通以微弱的電流,使鋼管表面因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生渦流,用次級(jí)線圈進(jìn)行檢測(cè)。若管壁沒(méi)有缺陷,每個(gè)初級(jí)線圈上的磁通量均與次級(jí)線圈上的磁通量相等;由于反相連接,次級(jí)線圈上不產(chǎn)生電壓。有缺陷時(shí),磁通發(fā)生紊亂,磁力線扭曲,使次級(jí)線圈的磁通失去平衡而產(chǎn)生電壓。通過(guò)對(duì)該電壓的分析,檢測(cè)出腐蝕情況。渦流式檢測(cè)器可檢測(cè)出輸送氣體和液體的多相流管道。不少國(guó)家能生產(chǎn)渦流式檢測(cè)器,圖5是日本的NKK公司生產(chǎn)的檢測(cè)器。NKK渦流式檢測(cè)器由三個(gè)模塊組成:電池模塊、紀(jì)錄模塊、渦流電子和傳感器模塊。其中,電池模塊和紀(jì)錄模塊與該公司生產(chǎn)的超聲波檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)和功能一樣。渦流電子和傳感器模塊是渦流檢測(cè)器的核心,用于處理傳感器檢測(cè)出的信號(hào)。在渦流電子和傳感器模塊的圓周上安裝160個(gè)傳感器。此外,還裝配有用于檢測(cè)輔助數(shù)據(jù)的傳感器和電子裝置。檢測(cè)器的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自介質(zhì)壓差。在直管段,驅(qū)動(dòng)力是5kN,在彎管段,驅(qū)動(dòng)力是5kN。2國(guó)外管道檢測(cè)裝置的發(fā)展目前國(guó)外的工程技術(shù)人員結(jié)合漏磁通法和超聲波法已研制出了各種管道內(nèi)智能檢測(cè)裝置。這類裝置從結(jié)構(gòu)上可分為有纜型和無(wú)纜型兩種。2.1管道移動(dòng)檢測(cè)最初研制的智能檢測(cè)裝置都是有纜型的。有纜型的檢測(cè)裝置一般由配有各種檢測(cè)儀的管內(nèi)移動(dòng)部分、設(shè)置在管外的遙控裝置、電源、數(shù)據(jù)記錄處理、電纜供給控制裝置以及連接管內(nèi)移動(dòng)檢測(cè)部分和管外裝置的電纜組成。電纜的任務(wù)主要是用來(lái)供電、遙控和傳輸成像及檢測(cè)數(shù)據(jù)等。管內(nèi)移動(dòng)部分就是指在管道內(nèi)行走的智能檢測(cè)爬行機(jī)部分。起初的爬機(jī)主要用來(lái)清除管道內(nèi)的殘余雜物。進(jìn)入20世紀(jì)60年代以后,由于輸送管道深埋于地下,且管道中充滿油氣等介質(zhì),常規(guī)的檢測(cè)方法難以勝任,為此,一些發(fā)達(dá)國(guó)家又將爬機(jī)技術(shù)引入了管道的檢測(cè)。由于有纜型檢測(cè)裝置的電源和數(shù)據(jù)處理部分設(shè)在管外,所以其爬機(jī)部分結(jié)構(gòu)緊湊,可以應(yīng)用于中小管徑管道。此外這種檢測(cè)裝置還能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)移動(dòng)檢測(cè)部分的影像數(shù)據(jù),可對(duì)安在河流、鐵道、道路下面特殊管道的重要位置進(jìn)行有選擇的檢測(cè)等特點(diǎn)。但有纜型檢測(cè)裝置的使用范圍受電纜長(zhǎng)度和管斷面等的限制,盡管有的爬機(jī)采用了光纜,其檢測(cè)管道的長(zhǎng)度依然很有限,并且有纜型爬機(jī)多用于停運(yùn)管道的檢測(cè)。2.2無(wú)纜型管道檢測(cè)裝置隨著爬機(jī)行走技術(shù)的進(jìn)一步成熟,為了檢測(cè)長(zhǎng)距離管道的腐蝕狀況,一些發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)人員又研制了無(wú)纜型的管道內(nèi)檢測(cè)裝置。目前,這種裝置的研究,無(wú)論是檢測(cè)精度、定位精度、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,還是數(shù)據(jù)分析均已達(dá)到了較高的水平。在所有的管道內(nèi)檢測(cè)裝置中無(wú)纜型的爬機(jī)應(yīng)用最為廣泛,這類檢測(cè)裝置在管道中是由液體推動(dòng)前進(jìn)的,其主要由主機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和輔助設(shè)備三部分組成。3空管道的檢測(cè)相比較而言,我國(guó)的地下管道檢測(cè)技術(shù)仍處于起步探索階段,大部分管線不僅沒(méi)有使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,而且各種檢測(cè)管道腐蝕技術(shù)也大都停留在管外檢測(cè),方法傳統(tǒng)落后。管道的各種智能檢測(cè)爬機(jī)仍在研究中,成熟的產(chǎn)品尚未開(kāi)發(fā)出來(lái),盡管某些科研單位已研制出了幾種功能樣機(jī),但它們只能對(duì)空管道進(jìn)行檢測(cè),很難滿足實(shí)際要求。由于國(guó)外的智能檢測(cè)爬機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,通常是幾百萬(wàn)元一套儀器,現(xiàn)在我國(guó)的大部分油田都沒(méi)有引進(jìn)這種設(shè)備,而只是采用傳統(tǒng)的管道外檢測(cè)方法,這就無(wú)法對(duì)埋地管道腐蝕受損情況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè),從而造成了一些重大損失。此外,從國(guó)