董紹華¹ 王東營(yíng)² 董國亮³ 費凡²

1 中國石油大學(xué)（北京）

2 中石油北京天然氣管道有限公司

3 昆侖能源有限公司 

摘要：內腐蝕的直接評價(jià)（ICDA）是用于評價(jià)通常輸送干氣、但可能短期接觸濕氣或游離水（或其他電解液）的輸氣管道完整性的系統方法，適用于對于不能開(kāi)展內檢測的管道，其包括四個(gè)步驟，預評價(jià)、間接檢測、直接檢測、后評價(jià)，ICDA 評估管道水聚集和內腐蝕的可能性，從而找出首個(gè)最有可能的腐蝕區域位置，如果這個(gè)區域位置通過(guò)驗證沒(méi)有發(fā)現腐蝕，則其他下游部位則可能出現水聚集或腐蝕的可能性很小。本文提出了ICDA的步驟和方法，對陜京天然氣管道一線(xiàn)陜西段馬場(chǎng)閥室至金雞灘閥室段進(jìn)行了ICDA評估，評價(jià)管道全長(cháng)52.09公里，按照冬夏季輸量不同，計算得出了臨界角冬季為4.36o，夏季數量是為2.05o，分析沿線(xiàn)高程數據，得出全線(xiàn)傾角分布圖，選擇多個(gè)傾角（大于臨界角）較大的高風(fēng)險區域位置開(kāi)挖，發(fā)現管道無(wú)明顯壁厚減薄，管道狀況良好。通過(guò)內腐蝕評估可進(jìn)一步確定管道的內部狀況，對于不能實(shí)施內檢測的管道安全狀況評估具有重要意義。

關(guān)鍵詞：管道  內腐蝕  臨界角  直接評估  完整性 

1.  概述

油氣介質(zhì)具有易燃、易爆的特性，隨著(zhù)輸送管線(xiàn)埋地時(shí)間的增長(cháng)，由于管道材質(zhì)問(wèn)題或施工期間造成的損傷，以及管道運行期間第三方破壞、腐蝕穿孔、自然災害、誤操作等因素造成的管道泄露、穿孔、爆炸等事故時(shí)有發(fā)生，直接威脅人身安全，破壞生態(tài)環(huán)境，并給管道工業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。

經(jīng)統計表明，管道內腐蝕造成的事故比重占50%以上，內腐蝕評估最有效的方法是通過(guò)管道內檢測器檢測出腐蝕缺陷，但由于其特點(diǎn)是管道段落必須具備可檢測性，對于不具備內檢測的管道，開(kāi)展管道內腐蝕直接評估，也是管道完整性評估方法之一，其目的是通過(guò)物理建模，分析游離水的吸出位置，找出管道內部最危險的區域，進(jìn)行開(kāi)挖驗證后，再逐步進(jìn)行腐蝕性評估。

 本文闡述了干氣內腐蝕直接評估的方法步驟，明確了DG-ICDA干氣內腐蝕直接評估方法廣泛應用范圍，即對于輸送干氣管道，短時(shí)間內存在游離水、試壓水的析出，同時(shí)氣質(zhì)在一段時(shí)間內水露點(diǎn)超出標準范圍，該運行條件下可能引起管道內部腐蝕，依據干氣管道腐蝕直接評估的特點(diǎn)，在陜京管線(xiàn)高程起伏山區段得到應用，取得良好效果，開(kāi)挖結果表明，評估結果準確，陜京管道評價(jià)段未發(fā)現腐蝕跡象，其狀況表現良好。 

2 干氣管道ICDA直接評估技術(shù)

干氣管道內腐蝕的直接評價(jià)（ICDA）是一個(gè)評價(jià)通常輸送干氣、但可能短期接觸濕氣或游離水（或其他電解液）的輸氣管道完整性的結構性方法。通過(guò)局部檢查電解質(zhì)（如水）最易積聚的管道沿線(xiàn)的傾斜段，可了解管道其他部分的情況。如果這些位置沒(méi)有腐蝕，那么其下游管段積聚電解液的可能性就更小，因此可以認為沒(méi)有腐蝕。不需要檢查這些下游管段。

內腐蝕最有可能出現在最易積水的地方。預測積水位置可以作為進(jìn)行局部檢查優(yōu)先級排序的方法。預測最易積水的位置，需要有管內多相流特征方面的知識。ICDA方法適用于管道任意兩個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)之間的管段，除非有新的輸入或輸出氣體改變了液體進(jìn)入的可能性或流動(dòng)特性。

在預測有電解液積聚之處要進(jìn)行局部檢測。對于大多數管道，估計需要進(jìn)行開(kāi)挖檢查和進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測，以測定該處的剩余壁厚。管道某處一旦外露，可采用內腐蝕監測法（如掛片、探針和超聲波傳感器）進(jìn)行檢查，這種方法可以使運營(yíng)公司延長(cháng)再檢測的時(shí)間間隔，并有利于對最易發(fā)生腐蝕的部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。某些情況下，最有效的方法是對部分管段進(jìn)行內檢測，并利用檢測結果對下游清管器不能運行的管段進(jìn)行內腐蝕評價(jià)。如果最易發(fā)生腐蝕的部位檢查發(fā)現沒(méi)有受損，則可保證該管道的大部分完整性良好。

ICDA流程圖如圖1所示（同時(shí)也考慮了可積聚液體的其他管道部位）：

 

 圖1 ： ICDA評估流程圖

2.1 預評價(jià)

預評價(jià)確定ICDA是否適用于評價(jià)管道的內腐蝕情況。ICDA方法適用于通常輸送干氣、但可能短期接觸濕氣或游離水（或其他電解液）的輸氣管道。預評價(jià)要求對設施進(jìn)行描述，并收集有關(guān)操作和檢測（包括管道破壞和修補）的相關(guān)歷史數據。

如果可以證明某一管段從未有過(guò)水或其他電解液，那么該處的下游直到下一個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)之前的管段，都不必進(jìn)行ICDA。如果經(jīng)ICDA發(fā)現整條管道都有嚴重的腐蝕，對該條輸氣管道，ICDA就不適用，應采用內檢測或水壓試驗之類(lèi)的其他完整性評價(jià)技術(shù)。 

2.2  局部檢查點(diǎn)的選擇

內腐蝕損傷最有可能出現在水最先積聚的地方。預測積水位置是確定局部檢查點(diǎn)的主要方法。根據多相流計算，可預測積水位置，多相流的計算又取決于包括高程變化數據在內的幾個(gè)參數。ICDA適用于新輸入量或輸出量改變環(huán)境之前的任何管段。只有在電解液存在時(shí)，才有可能腐蝕，腐蝕的存在又表明在該處有電解液。應當注意：沒(méi)有腐蝕并不表明沒(méi)有液體積聚。對于氣流方向定期改變的管道，在預測水積聚的位置時(shí)，應考慮氣流的方向，也就是說(shuō)，液體可能在進(jìn)氣點(diǎn)的任何一側或兩側積聚。

輸氣管道中液體含量較少時(shí)，電解液一般呈膜狀或滴狀形式存在。膜狀流動(dòng)被視為主要輸送機理，因為大多數時(shí)間輸氣管道通常都輸送干氣，預計水滴會(huì )因良好的傳質(zhì)條件而蒸發(fā)。在含不飽和水的氣相中，估計水滴會(huì )蒸發(fā)。流動(dòng)氣體產(chǎn)生的剪應力和管道傾斜產(chǎn)生的重力致使薄膜沿管道流動(dòng)。在重力大于剪應力作用時(shí)，會(huì )發(fā)生水滯留。通過(guò)多相流的計算，可以預測電解液積聚的管道臨界角度。

 

    傾斜角通常以角度給出，高程變化也給出，傾斜角的SINE值即通過(guò)距離和高程的變化得出：

                                 （1）

傾斜角可計算出：

                        （2）

 

穩流流體模型是模擬水聚集的關(guān)鍵參數，為了將模擬的結果，使用一個(gè)表達式，一個(gè)改進(jìn)得到FROUDE（弗羅德）參數F被推薦（代表重力與慣性應力作用在流體上單位面積上的比）

                      （3）

                       （4）

                      （5）

                      （6）

和是液體和氣體密度，g 是重力，是氣體速度，θ是傾斜角，管道內徑，氣體的密度由壓力和溫度確定，在角度小于0.5時(shí)關(guān)鍵的Froude參數經(jīng)計算是0.35
（有0.07的誤差），在角度大于2度時(shí)，F是0.56（有0.02的誤差），在角度大于0.5小于2時(shí)，多相流是層流到紊流的轉變，F在這個(gè)轉變區域內線(xiàn)形插值。

壓縮因子Z被用來(lái)計算氣體密度。

                               （7）

      P是壓力、V是體積、R是常數、T是溫度，對于氣體標準狀態(tài)，Z是缺省值為0.83.

氣體密度：

                          （9）

式中MW 為氣體的分子量；P 為管道內壓力，MPa；R 為理想氣體常數，8.314J•K•mol；T 為管道內溫度，K。

 

       操作壓力下的流速：

                               （10）

  

表觀(guān)氣速：

                  （11）

臨界角：

 

                （12）

其中參數見(jiàn)前面。

    流體模擬結果可用來(lái)預測水開(kāi)始積聚的位置，如果水是被輸入到管道內部的，水積聚在管道上坡的位置，這是因為剪應力與重力達到平衡， 對小范圍區域管道明顯特征（如，穿路段）而言，水的積聚將產(chǎn)生在短的上坡區域段，因此需要指出的是這段需要檢測和檢查。在有大的高程起伏的區域，管道經(jīng)過(guò)高山和陡坡地段，這里氣體流速是變化的，在這段內確定液體積聚的位置更加困難。

    傾斜角與水積聚的臨界角對比可通過(guò)流體模型得出，第一個(gè)傾斜角要比水首次積聚的臨界角大得多，與其他管長(cháng)范圍內的區域相比，這個(gè)位置最可能是遭受腐蝕的區域，電解液首次積聚的地點(diǎn)被識別出來(lái)。

 

2.3  局部檢測

要在電解液最有可能積聚之處進(jìn)行局部檢測。對于大多數管道，往往要求開(kāi)挖，并采用超聲波壁厚測定法進(jìn)行檢查。這些方法和其他監測方法可以用于局部檢測。某些時(shí)候，腐蝕監測方法（如試片或電子探針）也可作為局部檢測方法。

如果最有可能腐蝕的位置經(jīng)檢查未發(fā)現腐蝕，則可保證大部分管段完整性良好，這就可以把資源集中用于更有可能產(chǎn)生內腐蝕的管道上。如果發(fā)現腐蝕，對管道完整性的潛在危險得到確認，則可采取減緩腐蝕的措施。這也說(shuō)明這種方法是有效的。

 

2.4  后評價(jià)

后評價(jià)的作用是驗證對特定管段進(jìn)行ICDE的有效性，并確定再評價(jià)的時(shí)間間隔。傾斜角度大于電解液積聚臨界角的管段，運營(yíng)公司必須在預測有水積聚地點(diǎn)的下游位置，再進(jìn)行一次或多次開(kāi)挖。如果最有可能腐蝕的部位，經(jīng)檢查未發(fā)現腐蝕，則可保證管道的大部分管段完整性良好。如果在管道傾斜角度大于電解液積聚臨界角的地方發(fā)現腐蝕，則應對電解液積聚的管道臨界傾斜角度進(jìn)行重新評價(jià)，并另選幾處地方進(jìn)行局部檢測。

 

3、ICDA 應用案例

3.1 算例1

     某天然氣運行管線(xiàn)，管道外徑30寸/76cm，壁厚0.328’’/8.33mm，內徑29.344’’/74.5cm，管道走向由北向南，流量是雙向的取決于用戶(hù)需求，過(guò)程邊界條件見(jiàn)圖6-45所示，壓力和輸出是變化的，但最大量是已知的，最高壓力是442psi/3.05MPa，這個(gè)壓力要在計算液體最大積聚臨界傾斜角時(shí)使用，最高流量是從北到南方向每天490Km³/h，最高流量是從南到北方向每天/145Km³/h，溫度是常溫55F/13攝氏度，使用改進(jìn)的FROUDE公式計算臨界角與流量的關(guān)系，最大壓力圖計算的臨界角和流量的關(guān)系圖顯示在圖5中。從這個(gè)結果圖中，發(fā)現由北向南輸送的最大流量的臨界角是8度，相應的由北到南的臨界角是0.4度。

 

                        

圖5：臨界角與輸出流量的關(guān)系

 

管道走向高程剖面由手持GPS確定，確定管道的埋深，高程剖面在圖6中顯示，相對于其他點(diǎn)最北的點(diǎn)設置為零，從高程剖面圖可以看出，計算出傾斜剖面圖傾斜角，在雙向與最大臨界角相比較，圖7為結果的描述。

 

圖6： 高程剖面圖

 

圖7  計算的高程傾斜角剖面

對于從北向南的流量，向上的傾斜角數據顯示在圖8之中，與8度的點(diǎn)劃線(xiàn)相對比，立刻表明，第一個(gè)44feet/13m包含的傾斜角要比臨界角大得多，在所有可能的速度和壓力下要積水（按最大壓力和速度確定），沿著(zhù)管段常溫下，水將積聚在第一個(gè)上游位置，當充滿(mǎn)上游位置向下繼續向下游流動(dòng)，腐蝕最可能發(fā)生在44 feet/13m處，該位置表現的沒(méi)有腐蝕現象證明了腐蝕不可能在下游發(fā)生。

 

                     圖8  氣體從北到南流動(dòng) 傾斜角剖面

即使腐蝕現象發(fā)生在44 feet/13m的位置，或如果在入口溫度不為常數，下一個(gè)位置大于臨界角8度，位于大約3840 feet/1170m點(diǎn)處，如果沒(méi)有腐蝕在該位置出現，那么下游腐蝕是不可能的發(fā)生的。然而，管道承受一定的壓力范圍，上游腐蝕問(wèn)題必須考慮，這是因為在一段時(shí)間內的增壓和減壓或總流量的增減，在低的臨界角位置處，一次水積聚的腐蝕干擾現象可能發(fā)生。下一個(gè)最高的上游角度在2050 feet/625米的位置（3.8度傾斜角），任何液滴到達這個(gè)位置時(shí)，可能會(huì )積聚也可能會(huì )傳輸到下一個(gè)位置3840feet/1170m處，在2050 feet/625m位置沒(méi)有腐蝕出現則在2050 feet/625m至3840 feet/1170米處是不可能出現腐蝕的。下一個(gè)上游能夠積聚水的位置是125 feet/38m處（0.72度傾斜角），任何不能到達38m處的液滴將被輸送到2050 feet/ 625m處，125 feet /38m處無(wú)腐蝕出現則125 feet/38m和2050 feet /625m之間管段不可能出現腐蝕。

對于天然氣流體從南到北，向上的傾斜角用圖9顯示，與0.4度的傾斜角點(diǎn)劃線(xiàn)一起，該線(xiàn)代表臨界角。立刻表明，第一個(gè)50 feet/15m（從南部測量23030 feet/7020m）包含的傾斜角要比臨界角大得多，在所有可能的速度和壓力下要積水（按最大壓力和速度確定），沿著(zhù)管段常溫流下，水將積聚在第一個(gè)上游位置，當充滿(mǎn)上游位置向下繼續向下游流動(dòng)，腐蝕最可能發(fā)生在50 feet/15m處，該位置表現的沒(méi)有腐蝕現象證明了腐蝕不可能在下游發(fā)生。

 

圖9  氣體從南到北流動(dòng)的傾斜角剖面

 

圖10  臨界角與高程剖面圖

即使腐蝕現象發(fā)生在50 feet/15m的位置，或如果在入口溫度不為常數，下一個(gè)位置大于臨界角0.4度，位于大約22525 feet/ 6866m點(diǎn)處，如果沒(méi)有腐蝕在該位置出現，那么下游腐蝕是不可能的發(fā)生的。然而，管道承受一定的壓力范圍，上游腐蝕問(wèn)題必須考慮，這是因為在一段時(shí)間內的增壓和減壓或總流量的增減，在低的臨界角位置處，一次水積聚的腐蝕干擾現象可能發(fā)生。下一個(gè)最高的上游角度在22740 feet/6931米的位置（0.1度傾斜角），任何液滴到達這個(gè)位置時(shí)，可能會(huì )積聚也可能會(huì )傳輸到下一個(gè)位置22525 feet/6866m處，從實(shí)踐的觀(guān)點(diǎn)看，在22525 feet 6866m位置沒(méi)有腐蝕出現則在22455 feet/ 6844m至22885feet/ 6975米處是不可能出現腐蝕的。例如，這段使用清管器，430 feet/131米段很容易檢測，然而，通過(guò)開(kāi)挖后使用UT和射線(xiàn)檢測發(fā)現腐蝕的工作較困難，對于水積聚而言，低臨界角位置造成水的積聚依次按順序到充滿(mǎn)以后全部流到下一個(gè)位置。

對于一條管道的管段來(lái)講，ICDA方法的優(yōu)點(diǎn)是針對在整個(gè)長(cháng)度上不能進(jìn)行內檢測的管道進(jìn)行的一種評價(jià)，將有限管段的檢測作為整個(gè)管段的評價(jià)，即使在最有可能發(fā)生腐蝕的位置沒(méi)有發(fā)現管道的腐蝕，管道評價(jià)完成，則整個(gè)管道的完整性有保證。即使腐蝕在幾個(gè)位置被發(fā)現查出，修復完成后，可能存在的問(wèn)題將被調查，完整性也可被保證。即使在所有的位置發(fā)現了腐蝕，在潛在的事故前，對完整性的威脅因素被識別。對于其他評價(jià)工具來(lái)講，可作為一種優(yōu)化排序管道危險性的方法。

 

3.2 算例2

     以神木分輸站-府谷壓氣站一段為例，根據調研數據首先繪制管線(xiàn)高程圖，如下圖11所示，從整段管線(xiàn)高程圖中可以清晰的得到此段管道的高程隨里程的變化趨勢。

 

圖11  神木分輸站-府谷壓氣站高程圖

 

表1  府谷壓氣站-神池輸送數據

 

 

              圖 13 府谷壓氣站-神池管段不同月份臨界角和內腐蝕敏感位置示意圖

以2011 年為例，取最大臨界角值作為2011 年臨界角，臨界角大于管道傾角的位置即存在積液風(fēng)險和內腐蝕敏感位置有62 處，

 

圖 14 高程和坡度與位置關(guān)系（紅色線(xiàn)為此年度的臨界角值，當表示坡度的藍色線(xiàn)

高于紅色線(xiàn)時(shí)，表示此處有積聚水的可能性）

3.3 開(kāi)挖驗證

對于ICDA，尚不能用最嚴格的定義進(jìn)行直接檢測。這是因為挖掘后通常也不能達到管道內表面，但可以進(jìn)行包括射線(xiàn)、超聲波檢測和腐蝕監測等在內的多種檢測方法詳細測試。首先找到上章節中確定的候選開(kāi)挖樁，通過(guò)實(shí)地考察，確定腐蝕區域中間部分，開(kāi)挖深坑，將管段3PE 防腐層剝離，采用超聲波探測管段周邊管體情況，分析導波結果，判斷腐蝕高風(fēng)險點(diǎn)具體位置，然后再次開(kāi)挖，使用超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚測量。

開(kāi)挖點(diǎn)選擇F1-0420 樁附近。下面第一幅圖是開(kāi)挖位置周邊環(huán)境及管段走勢，在一座山的爬坡段。開(kāi)挖長(cháng)度為1.5m，除去涂層且使用鋼絲輪清洗工具對管道表面進(jìn)行處理，超聲波測厚網(wǎng)格 5×127，每環(huán)之間相差10cm。相關(guān)人員實(shí)測記錄。在選定開(kāi)挖位置同時(shí)，方對F1-0421、F1-0422 樁走勢進(jìn)行了確認，和高程數據相符。

 

 

                             圖15  檢測位置

 

圖16   壁厚測量網(wǎng)格 

表3  開(kāi)挖點(diǎn)壁厚測量原始數據表

 

確認開(kāi)挖位置管道設計規格為Ф660×7.1mm�？紤]到國家標準，壁厚允許存在±15%偏差。因此將測量的每個(gè)環(huán)向管體中最大壁厚定義為管道在此環(huán)向的原始壁厚。通過(guò)整理上表，得到第1 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.24mm；第2 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.24mm；第3 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.27mm；第4 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.35mm；第5 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.39mm。同時(shí)對其壁厚減薄率進(jìn)行了計算整理，其中最大壁厚減薄率為5%。

  評估后結果表明，ICDA 未見(jiàn)腐蝕性異常。

4、結論

（1）ICDA的優(yōu)點(diǎn)是適用于不能內檢測的管道，有限的開(kāi)挖檢測可對整個(gè)管段進(jìn)行評價(jià)，如果在最可能發(fā)生腐蝕的點(diǎn)沒(méi)有明顯的腐蝕發(fā)生則整個(gè)管道的完整性有保證；即使發(fā)現了腐蝕位置，修復完成后，通過(guò)有效性驗證評價(jià)確保完整性；即使在所有的位置發(fā)現了腐蝕，也會(huì )在潛在的事故發(fā)生前，將完整性的威害因素徹底識別和消除。

（2）如果操作運行環(huán)境全天候變化，氣體輸送量在年、月、日時(shí)段內均不是常數，本文按照月平均量計算，給出內腐蝕直接評估計算模型，如果其他運行和環(huán)境參數假設為常數，則可給出第一個(gè)高于臨界角的管道傾斜角位置，檢測這個(gè)位置可確定其他腐蝕可能性較高的部位。

（3）如果操作運行環(huán)境全天侯無(wú)變化，在選擇檢測位置時(shí)，流量和氣流方向的改變應優(yōu)先考慮，確定一個(gè)氣體流動(dòng)速度范圍，通過(guò)對最大傾角的上游位置開(kāi)挖檢測，可充分證明其他位置存在內腐蝕可能性。

（4）內腐蝕直接評估技術(shù)在陜京天然氣管道成功應用，計算了臨界傾角，確定了管道內腐蝕狀況，研究表明，對于大氣量（滿(mǎn)負荷）狀況下的輸氣管道，其內腐蝕的可能性大大減少。

（5）分析表明，ICDA方法的精確度在于前期數據的收集和分析，特別是高程數據的分析，直接涉及傾角的計算，對于選擇低點(diǎn)的開(kāi)挖點(diǎn)位置非常重要，同時(shí)其他數據（如氣體流量、溫度、排液、清管腐蝕產(chǎn)物)的物理對齊，對于開(kāi)挖點(diǎn)選擇也具有重要參考價(jià)值。

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