0 概述

到目前為止， 油氣管道的內(nèi)腐蝕幾乎都是在既成事實(shí)之后才進(jìn)行檢測的， 如漏磁檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、 渦流檢測技術(shù)、 射線檢測技術(shù)和導(dǎo)波檢測技術(shù)等， 這意味著公司收入的大量流失并使管道業(yè)主的管道停產(chǎn)檢修。 如何在內(nèi)腐蝕成為問題之前就提出解決辦法， 進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)就成了管道維護(hù)的關(guān)鍵所在。 油氣管道外腐蝕直接評價(jià)技術(shù)(ECDA)已日趨較成熟， 所以， 同樣需要開發(fā)管道內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)對管道的內(nèi)部腐蝕情況進(jìn)行評價(jià)， 國外即采用內(nèi)腐蝕直接評價(jià)方法(ICDA)。 這個(gè)方法適用于那些正常輸送干燥天然氣， 但可能遭受濕氣或液體水(或其它電解質(zhì))干擾的輸氣管道。 它通過計(jì)算預(yù)測沿線最有可能首先積聚電解質(zhì)， 如水及乙二醇的位置， 并進(jìn)行開挖驗(yàn)證， 以提供剩余管道的信息。 本文分析了內(nèi)腐蝕直接評價(jià)輸?shù)睦碚摶�礎(chǔ)及執(zhí)行步驟， 以期為我過開展內(nèi)腐蝕直接評價(jià)提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

美國西南研究院最早提出來的內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)主要是針對于那些不能進(jìn)行內(nèi)檢測的天然氣管道的內(nèi)腐蝕評價(jià)。 這個(gè)方法得到了美國完整性管理體系的大力推崇， 并于2006年美國腐蝕工程師協(xié)會形成了標(biāo)準(zhǔn)NACE SP 0206 干氣管道內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)“Internal Corrosion DirectAssessment Methodology for Pipelines CarryingsNormally Dry Natural Gas (DG-ICDA)”。 這個(gè)方法的最初目的是用來確定所選管道是否可能發(fā)生內(nèi)腐蝕。 如果說最有可能發(fā)生水分積聚的位置沒有發(fā)生內(nèi)腐蝕， 則其它位置也不太可能發(fā)生內(nèi)腐蝕， 無需再進(jìn)一步進(jìn)行檢測。

1.1 氣-液兩相流流態(tài)分析

對于天然氣管道， 液體積聚主要取決于氣體流速和管道傾角。 氣-液管道存在5種基本的流態(tài)形式， 如圖1所示， 光滑分層流、 波浪分層流、 間歇流(活塞流和栓塞流)、 液體分散環(huán)狀流、 氣泡分散兩相流。 輸氣管道中液體相非常的少， 而且無序間斷分布。 當(dāng)液體速率增加， 才會發(fā)生間歇流； 氣泡分散兩相流需要大量連續(xù)液體相； 液體分散環(huán)狀流需要大量液體覆蓋管道所有內(nèi)壁， 即使只有很少量被氣體帶走； 所以， 輸送管道只可能會產(chǎn)生分層流和分散液滴。

分層流是管道中最主要的液體水傳送機(jī)理，任何液滴都會被氣化。 相對于水分， 在氣相中的液滴是不飽和的， 在傳輸過程中會氣化。 液滴具有高的表面/體積比， 液滴表面的氣體流速非常大。 管道中薄膜流驅(qū)動力為流動氣體的剪切力和管道傾角產(chǎn)生的重力。 圖2列出了3種條件下的流動狀態(tài)。 氣液之間剪切力與重力的平衡關(guān)系決定了液體積聚的臨界傾角。 傾角大于臨界傾角的位置容易積聚水分， 傾角低于臨界傾角位置的積液易被帶走， 直到在傾角大于臨界傾角的位置處停留下來。 水分優(yōu)先在第一個(gè)傾角大于臨界傾角的位置積聚， 連續(xù)的水分進(jìn)入且沒有揮發(fā)， 使得水分充滿第一個(gè)臨界傾角， 然后帶到下一個(gè)傾角。

1.2 流動模型計(jì)算結(jié)果

通過一系列多相流模擬計(jì)算確定了壓力、溫 度 、 氣 體 流 速 和 管 徑 對 水 分 積 聚 臨 界 傾 角的影響。 參數(shù)界限為， 壓力3.4~7.6Mpa， 溫度16~54℃， 氣體表觀速度低于7.6m/s， 管徑0.51~1.2m。 圖3為壓力對臨界傾角的關(guān)系。 壓力越高， 液體越容易帶走， 所以臨界傾角隨壓力的增大而增大。 圖4所示為管徑與溫度對臨界傾角的影響。 相同氣體流速下， 管徑越大， 臨界傾角越小。 溫度越低， 臨界傾角越小， 但溫度的影響相對較小。

Moghissi等人還用改進(jìn)的弗勞德常數(shù)F用于計(jì)算臨界傾角， 其公式如下：

式中， ρ為密度； g為重力加速度； V為氣體表觀速度； θ為臨界傾角。

當(dāng)傾角小于0.5度時(shí)， F=0.33±0.07； 當(dāng)傾角大于2度時(shí)， F=0.56±0.02。 傾角在0.5度至2度之間， 與層流與湍流的轉(zhuǎn)變有關(guān)。 壓縮因子可以通過下面公式計(jì)算，

式中， P為壓力； V為體積； n為摩爾數(shù)； R為氣體常數(shù)； T為溫度。

流動模型計(jì)算的結(jié)果就是預(yù)測最先積水的位置， 通過下面公式計(jì)算管道走向的傾角變化圖，與模擬計(jì)算的臨界傾角值對比， 得出管道最先積水的位置。

2 內(nèi)腐蝕直接評價(jià)執(zhí)行步驟

2.1 預(yù)評價(jià)

天然氣管道內(nèi)腐蝕直接評價(jià)仍是一種基于風(fēng)險(xiǎn)(risk-based)的評價(jià)方法， 所以在預(yù)評價(jià)階段需收集管道的基本運(yùn)行數(shù)據(jù)(包括歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù))， 進(jìn)行綜合分析和風(fēng)險(xiǎn)量化， 確定DG-ICDA是否可行， 并對評價(jià)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。 其需收集的資料包括設(shè)計(jì)資料， 建設(shè)記錄， 運(yùn)行與維護(hù)歷史， 線路圖， 腐蝕調(diào)查報(bào)告， 氣質(zhì)分析報(bào)告以及以前的完整性評價(jià)報(bào)告和維修記錄等， 具體可參見NACE SP 0206。

2.2 間接檢測

間接檢測的目標(biāo)是在一定的DG-ICDA管段區(qū)間內(nèi)， 用流動模擬結(jié)果預(yù)測最可能發(fā)生內(nèi)腐蝕的位置。 間接檢測的理論依據(jù)是基于管道內(nèi)部介質(zhì)為分層流(氣體和液體單獨(dú)流動)， 通過對可能積水位置的識別， 預(yù)測出內(nèi)腐蝕的高風(fēng)險(xiǎn)位置。 其主要內(nèi)容包括以下三個(gè)方面：

1) 使用所收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行多相流計(jì)算，確定持液的最大臨界傾角。

2) 繪制管道高程剖面圖和傾角分布圖。

3) 對比分析流動模擬計(jì)算結(jié)果和管道高程剖面和傾角分布圖， 判斷內(nèi)腐蝕可能出現(xiàn)的位置。NACE SP 0206-2006 內(nèi)腐蝕直接評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用的臨界角計(jì)算式就是該經(jīng)驗(yàn)公式， 即

式中， 臨界傾角(度)； 液體密度 ； 氣體密度(與溫度和壓力相關(guān))； 重力加速度； 管道內(nèi)徑；氣體表觀速度。

在計(jì)算過程中， 液體和氣體的密度單元必須保持一致， 氣體流速、 重力加速度和管道內(nèi)徑的單位要始終一致。 還需要考慮非理想氣體的壓縮因子Z， 利用非理想狀態(tài)下的氣體狀態(tài)方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3 詳細(xì)檢查

詳細(xì)檢查的目的主要有兩方面， 一是在前兩步驟識別的內(nèi)腐蝕位置通過檢測確認(rèn)是否存在內(nèi)腐蝕； 再者就是通過檢驗(yàn)結(jié)果對整個(gè)DG-ICDA區(qū)段的內(nèi)腐蝕情況進(jìn)行評價(jià)。

首先找到第一個(gè)大于由操作條件和流動模擬結(jié)果確定的最大臨界角的管道傾角， 然后進(jìn)行開挖驗(yàn)證。 如果實(shí)際傾角都不大于臨界傾角， 則選取最大傾角的位置進(jìn)行驗(yàn)證。 如果該位置發(fā)現(xiàn)了腐蝕， 則選擇下游毗鄰的最大傾角部位進(jìn)行檢驗(yàn)。 如果該位置沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕， 則選擇下一個(gè)毗鄰的最大傾角位置進(jìn)行驗(yàn)證， 應(yīng)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)位置都沒有內(nèi)腐蝕的時(shí)候才算完成評價(jià)。 詳細(xì)檢查時(shí)開挖驗(yàn)證應(yīng)采用無損檢測方法(NDT)， 如射線、 超聲波檢測等。 而且應(yīng)注意對一些較嚴(yán)重位置安裝監(jiān)測工具， 對最易發(fā)生腐蝕的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.4 后評價(jià)

后評價(jià)的目標(biāo)主要有兩個(gè)， 一為評價(jià)DG-ICDA過程的有效性； 二為確定再次評價(jià)的時(shí)間間隔。后評價(jià)是通過發(fā)現(xiàn)腐蝕的位置與DG-ICDA預(yù)測的位置進(jìn)行對比分析， 評價(jià)DG-ICDA的有效性， 并進(jìn)行記錄， 作為再次評價(jià)的背景資料。 如果在任意位置都發(fā)現(xiàn)大面積的腐蝕， 則證明DGICDA對這管段是無效的。 依照相關(guān)檢測頻率規(guī)定、 監(jiān)測結(jié)果、 腐蝕速率模型和室內(nèi)流體性質(zhì)測試等來確定再次評價(jià)時(shí)間間隔。

3 全面風(fēng)險(xiǎn)管理中的內(nèi)腐蝕直接評價(jià)方法

ICDA可用來評價(jià)一定長度天然氣輸送管道腐蝕的可能性。 圖6為ICDA在全面風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的作用。 ICDA沒有包含腐蝕減緩或修復(fù)內(nèi)容， 但可以根據(jù)內(nèi)腐蝕直接評價(jià)的結(jié)果， 結(jié)合預(yù)測信息作出修復(fù)或腐蝕減緩決定， 并作為管道完整性管理的一部分。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明， 內(nèi)腐蝕直接評價(jià)方法能有效識別 一般干氣系統(tǒng)的管道內(nèi)腐蝕， 而且還能對那些由于物理和幾何條件的制約條件不能進(jìn)行內(nèi)檢測的管道進(jìn)行內(nèi)腐蝕評價(jià)， 能節(jié)約人力和物力， 同時(shí)還能在內(nèi)腐蝕未發(fā)生之前識別出管道的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)段， 進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。國外在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果， 并且現(xiàn)已開始研究濕氣管道的內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)(WG-ICDA)與液體管道的內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)(LP-ICDA)， 國內(nèi)在這方面還剛剛起步。 我國應(yīng)重視并發(fā)展內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)， 以補(bǔ)充現(xiàn)有的管道內(nèi)檢測方法， 提高管道的內(nèi)腐蝕的預(yù)防性管理和維護(hù)水平。 ◢

（作者單位：中石油管道公司管道處）

《管道保護(hù)》2012 年第 6期（總第 7 期）