葛艾天 劉權(quán)

北京管道公司

摘要：處于服役中后期階段的天然氣管道逐漸接近事故浴盆曲線后端，開(kāi)始出現(xiàn)老化問(wèn)題。通過(guò)分析具體案例，指出服役中后期管道存在防腐層失效和管體疲勞開(kāi)裂等典型老化問(wèn)題，控制不當(dāng)會(huì)引發(fā)管道局部失效。提出了加強(qiáng)防腐層檢測(cè)和評(píng)價(jià)，實(shí)施精準(zhǔn)陰極保護(hù)，運(yùn)用內(nèi)檢測(cè)技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)管體缺陷，將服役中后期管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂直接評(píng)價(jià)納入完整性管理方案等四條管理建議。

關(guān)鍵詞：服役中后期管道；防腐層老化；補(bǔ)口；腐蝕開(kāi)裂；陰極保護(hù)；管道防腐

埋地天然氣管道腐蝕主要由電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致，防腐層加陰極保護(hù)是目前腐蝕控制的通用方法。相對(duì)于埋地管道面臨的其他風(fēng)險(xiǎn)，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)具有明顯的時(shí)間性，腐蝕控制效果需要不斷改進(jìn)和驗(yàn)證。管道運(yùn)行時(shí)間接近或超過(guò)20年，到達(dá)服役中、后期，逐漸接近事故浴盆曲線后端，開(kāi)始出現(xiàn)老化問(wèn)題。主要表現(xiàn)為：防腐層老化、管體腐蝕、管體累積疲勞損傷、應(yīng)力腐蝕裂紋、基礎(chǔ)或支撐結(jié)構(gòu)劣化等。其中防腐層老化是指在使用過(guò)程中，因受到環(huán)境因素的作用，防腐層質(zhì)地逐步下降的過(guò)程[1]，是不可抗拒的客觀過(guò)程。鋼質(zhì)管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）是管材在拉應(yīng)力和腐蝕聯(lián)合作用下引起的開(kāi)裂現(xiàn)象，是特定環(huán)境 、敏感材料、拉應(yīng)力三者共同作用的結(jié)果。這兩種現(xiàn)象都是典型的管道老化病，SCC通過(guò)非開(kāi)挖檢測(cè)難度大，有突發(fā)性特點(diǎn)，需要引起業(yè)界關(guān)注。

1  陜京一線熱收縮帶老化和帶下管體腐蝕案例

陜京一線管道建成投產(chǎn)于1997年，2018年對(duì)其中約100公里管道開(kāi)展了第三輪內(nèi)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)口帶下異常7385處，與上一次檢測(cè)相比，補(bǔ)口帶下異常位置明顯增加。對(duì)管道補(bǔ)口存在的異常位置和特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表 1。

表 1 補(bǔ)口處外部金屬損失信息統(tǒng)計(jì)

根據(jù)層次分析法和統(tǒng)計(jì)學(xué)抽樣方法，確定對(duì)其中180處補(bǔ)口現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證，并對(duì)開(kāi)挖后的管道陰極保護(hù)、土壤腐蝕性、補(bǔ)口帶服役情況和管體服役情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并取樣。結(jié)合20處典型樣本的土壤、補(bǔ)口材料、腐蝕產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果，綜合分析該段管道的陰極保護(hù)、土壤環(huán)境、補(bǔ)口帶服役性能和管體服役狀況，結(jié)果如下。

1.1  開(kāi)挖點(diǎn)土壤腐蝕性狀況

180處開(kāi)挖點(diǎn)，約76%的土壤電阻率檢測(cè)值大于50 Ω·m， pH值均在6.5～7.5范圍內(nèi)，可判斷土壤腐蝕性整體為“弱”。

1.2  開(kāi)挖點(diǎn)陰極保護(hù)狀況

180處開(kāi)挖點(diǎn)中， 177處管地電位滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求，管道整體陰極保護(hù)水平較好。約93.7%的檢測(cè)點(diǎn)交流干擾程度判定為“弱”。

1.3  開(kāi)挖點(diǎn)補(bǔ)口帶服役狀況

補(bǔ)口帶外觀形貌普遍完好。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果表明，補(bǔ)口帶的拉伸強(qiáng)度、脆化溫度和維卡軟化點(diǎn)檢測(cè)值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求范圍（表 2），且補(bǔ)口帶存在斷層現(xiàn)象，綜合檢測(cè)結(jié)果表明補(bǔ)口帶老化程度較為嚴(yán)重。

表 2 補(bǔ)口帶實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

1.4  開(kāi)挖點(diǎn)管體服役狀況

180處開(kāi)挖點(diǎn)中，109處存在不同程度的管體腐蝕現(xiàn)象，占整個(gè)開(kāi)挖數(shù)量的61%，問(wèn)題嚴(yán)重處均靠近壓氣站下游出站位置。原因是由于壓縮機(jī)運(yùn)行導(dǎo)致出站管道溫度較高，加快了金屬電化學(xué)腐蝕速率，加速防腐層老化。綜合檢測(cè)結(jié)果判斷，管體極有可能是在服役過(guò)程中，土壤中的離子和水進(jìn)入剝離的補(bǔ)口防腐層，加上陰保屏蔽作用，導(dǎo)致管體腐蝕。

2  儲(chǔ)氣庫(kù)注采管線(氫致+疲勞)開(kāi)裂案例

2016年1月，大港儲(chǔ)氣庫(kù)群板828儲(chǔ)氣庫(kù)井場(chǎng)采氣管線一個(gè)45°熱煨彎管發(fā)生泄漏。該管線2005年投產(chǎn)，材質(zhì)為16 Mn無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)15 MPa，規(guī)格為Φ273 mm×16 mm。管段外表面裂紋長(zhǎng)度25 cm，內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度18 cm，裂紋起裂于管段外表面，并由外表面向內(nèi)表面和兩側(cè)擴(kuò)展。以下對(duì)該彎管開(kāi)展失效分析。

2.1  材質(zhì)分析

開(kāi)裂管段的沖擊性能符合要求。但是金相組織表明，經(jīng)過(guò)熱煨彎制后的鋼管外表面出現(xiàn)了硬度較高的馬氏體，馬氏體組織一方面提高了管材本身的硬度，另一方面也提高了管材的強(qiáng)度，開(kāi)裂彎管抗拉強(qiáng)度高達(dá)805 MPa（表 3），已經(jīng)超出了原始16 Mn鋼管強(qiáng)度，達(dá)到高強(qiáng)鋼范疇，具有較強(qiáng)的氫脆敏感性。

表 3 彎管拉伸試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值

2.2  腐蝕產(chǎn)物及斷口分析

（1）腐蝕產(chǎn)物及斷口分析。裂紋表面氧元素含量較高，說(shuō)明該區(qū)域發(fā)生了氧腐蝕。

裂紋源斷口呈氫脆形貌，裂紋擴(kuò)展斷口呈疲勞形貌（圖 1），這與管線軸向承受的交變載荷相關(guān)。管體外壁首先產(chǎn)生氫致裂紋，儲(chǔ)氣庫(kù)冬采夏注的周期性導(dǎo)致管線內(nèi)部溫度和壓力波動(dòng)，產(chǎn)生了高應(yīng)力低疲勞載荷，形成疲勞載荷來(lái)源。

圖 1 板828彎管開(kāi)裂斷口形貌

（2）綜合結(jié)論。氫脆是由陰極保護(hù)電位下土壤中的水分產(chǎn)生的氫在鋼中的擴(kuò)散和累積造成的。對(duì)于該彎管高于正常水平的拉伸強(qiáng)度，陰極保護(hù)的析氫直接導(dǎo)致管道外壁氫致裂紋的萌生。管道外表面產(chǎn)生氫裂紋后，在儲(chǔ)氣庫(kù)注采工況變換所形成的交變載荷作用下，裂紋發(fā)生縱向擴(kuò)展直至開(kāi)裂。

3  服役中后期管道防腐管理建議

資料表明，北美2000年以后發(fā)生多起管道開(kāi)裂事故，均是運(yùn)行超過(guò)30年的管道，原因都起自老化造成的防腐層破損或剝離[2]。一旦陰極保護(hù)覆蓋不充分，防腐層破損處會(huì)形成管體腐蝕。防腐層剝離則會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)時(shí)間局部陰極保護(hù)不足，進(jìn)而增加了近中性pH值應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。綜上分析可知，服役中后期管道腐蝕管理應(yīng)更加重視防腐層的性能評(píng)價(jià)和管體缺陷檢測(cè)，特別需加大管體裂紋缺陷的檢測(cè)應(yīng)用研究力度。

3.1  加強(qiáng)防腐層檢測(cè)和評(píng)價(jià)

對(duì)于服役時(shí)間超過(guò)15年的管道，應(yīng)分析陰極保護(hù)電流密度等參數(shù)的變化情況，對(duì)外防腐層的整體絕緣性能進(jìn)行定性判斷，必要時(shí)加密開(kāi)展外檢測(cè)，及時(shí)掌握防腐層狀況。

3.2  精準(zhǔn)實(shí)施陰極保護(hù)

應(yīng)有針對(duì)性地開(kāi)展管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，及時(shí)評(píng)價(jià)和調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，控制腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。

3.3  及時(shí)開(kāi)展內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管體缺陷

對(duì)于運(yùn)行年限較長(zhǎng)的管道，應(yīng)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，加密實(shí)施內(nèi)檢測(cè)，采用常規(guī)漏磁檢測(cè)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)體積型缺陷。針對(duì)管道可能出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，除了目前國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的高清漏磁檢測(cè)器外，還應(yīng)推廣超聲、EMAT和渦流檢測(cè)等技術(shù)以提高裂紋檢測(cè)的針對(duì)性。

3.4  將服役中后期管道SCC直接評(píng)價(jià)納入完整性管理

對(duì)于運(yùn)行年限較長(zhǎng)的管道，陰極保護(hù)屏蔽、壓氣站工作溫度、壓力累積影響、長(zhǎng)期陰極保護(hù)造成管道周邊環(huán)境的pH值升高和氫的析出，加上管道內(nèi)部工況和外部環(huán)境造成的疲勞、應(yīng)力集中等因素，都增加了管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。為此有必要將管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）直接評(píng)價(jià)納入服役中后期管道的完整性管理方案。

4  結(jié)語(yǔ)

服役中后期管道隨著運(yùn)行年限增長(zhǎng)，面臨著不斷增加的防腐層老化破損、管體腐蝕開(kāi)裂等風(fēng)險(xiǎn)，需要全面加強(qiáng)管道腐蝕管理工作。提高認(rèn)識(shí)、加強(qiáng)檢測(cè)、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、及時(shí)防控是解決管道老化問(wèn)題的重要手段。同時(shí)，針對(duì)服役中后期管道特點(diǎn)，除開(kāi)展檢測(cè)、預(yù)防和修復(fù)等工作，后續(xù)還應(yīng)在開(kāi)發(fā)和推廣新技術(shù)、新材料和新工藝上加大投入，使進(jìn)入服役中后期管道仍能夠安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]寇杰，梁法春，陳婧.管道防腐層設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：55.

[2]馮慶善，戴聯(lián)雙.油氣管道事故啟示錄[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2016：23.

作者簡(jiǎn)介：葛艾天，教授級(jí)高級(jí)工程師。畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)腐蝕與防護(hù)專業(yè)，現(xiàn)任北京管道有限公司高級(jí)技術(shù)專家。聯(lián)系方式：13601297046，atge@petrochina.com.cn。