输气管道内腐蚀直接评价方法.pdf
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1、6 8 焊管第2 9 卷第2 期2 0 0 6 年3 月输气管道内腐蚀直接评价方法赵学芬,姚安林,赵忠刚( 西南石油学院,成都6 1 0 5 0 0 )摘要:基于完整性管理的内腐蚀直接评价( I C D A ) 方法具有成本低且无须进入到管道内部等优点,叙述了管道I C D A 的重要性,并针对干气输送管道I C D A 的原理、评价过程和应用影响因素等方面以及I C D A 应用的局限性进行了较为详细的探讨。指出国内应该加强I C D A 技术的研究和应用。关键词:输气管道;管道完整性管理;内腐蚀直接评价( I C D A )中图分类号:T E 9 8 5 8 文献标识码:A 文章编号:1
2、0 0 1 3 9 3 8 ( 2 0 0 6 ) 0 2 0 0 6 8 0 50 前言随着我国各主要气田逐渐进入开采的中后期阶段,天然气的含水量、二氧化碳和硫化氢等腐蚀性介质的含量在逐渐增加,加速了集输管线的内腐蚀。内腐蚀是管道系统更加严重老化的因素之一,此外,内腐蚀也将导致泄漏,或造成结构强度降低,使输气系统的安全性和寿命受到威胁,因此,在内腐蚀发生前就检测出它们的位置并确定它们的量尤显必要。但内腐蚀是难以检测的,因为检测工具不易进入管道内部。通常采用在线检测和压力测试方法,但是二者无论是在成本上还是在使用上都存在着某种程度的局限性2J ,如在线检测不能应用于所有的输气管线,大概只有5
3、0 的输气管道可以在线清管检测 。此外,由于管线的机械和几何约束也阻碍了在线检测的应用,有些检测工具( 如超声波( u T ) 和射线拍照) ,要求在检测之前挖掘和清理管道表面,都使得全线检测不切实际。为了更加有效地使用直接检测方法,有必要利用新方法把由内腐蚀而导致管道恶化的位置等信息辨识出来,再对管道进行完整性管理提供依据。因此,进行内腐蚀直接评价( I C D A ) 的研究具有极大的现实意义。1内腐蚀直接评价的基本原理评价( D i r e c tA s s e s s m e n t ) 技术是一种结构方法。它是在在线检测( I L l ) 不适用的情况下,通过将流态模拟和管道倾角分布
4、结合起来,确定管道中最有可能发生腐蚀的位置,进而判断管段完整性的一种评价方法。内腐蚀直接评价是在外腐蚀直接评价研究的基础上发展起来的,其基本过程与外腐蚀直接评价一致,它综合利用收集的资料和检查、检测、计算等结果来判断内腐蚀是否已严重影响了管道的物理完整性,进而对腐蚀缺陷实施修补和防护措施。水是发生腐蚀的必要条件,而干气输送管道内的局部低洼点较易存在水聚集Ho ( 如图1 所示) ,其位置可以通过流动条件和高程分布来预测。I C D A 方法能够精确地识别最有可能聚集电解质( 如水) 的位置。如果沿着管长最有可能积累电解质的位置没有被腐蚀,那么其他不太可能积累电解质的位置也不可能遭受腐蚀。I C
5、 D A 方法就是把现有的检测管道方法结合起来,对发生内腐蚀的可能性进行评价的一种新方法。图1 液体在输气管道中的聚集2内腐蚀直接评价的步骤根据A S M EB 3 1 8 s - 2 0 0 1 的定义可知,直接内腐蚀直接评价包括4 个关键步骤:预万方数据第2 9 卷第2 期赵学芬等:输气管道内腐蚀直接评价方法6 9 评价;间接检测,直接检验,后评价。在预评价阶段,风险工程师必须量化潜在的风险威胁,并选择对特定风险直接评价的可靠方法;间接检测阶段,主要是使用各种无需实际接触管道的方法来了解管道的情况;直接检验阶段是利用直接与管道接触得到的数据( 比如超声波传递厚度计、I L l 等) 来评价
6、管道的情况;后评价阶段是利用检测方法来量化潜在威胁,以评价前些阶段的可靠性。2 1 预评价I C D A 预评价阶段主要作用是收集历史和当前的数据,以确定评估区,并对I C D A 方法的可靠性进行评估。这些数据通常是从施工记录、操作和维护记录、校正表、具有覆层厚度的高程图、检测记录以及前面完整性评估或维护操作的检测报告中得到的。输气管道I C D A 方法的可靠性是由I C D A 所依据的管道特征来确定的:当输送的介质是干气时,水的任意短期扰动最终会蒸发成气相。这种特征可以认为允许水的短期聚集,但是不允许在下游聚集,也就是说导致腐蚀的水应位于流动模拟所预测的位置而不是下游位置。此外,在保证
7、清管频率应该低于扰动频率的约束条件下,腐蚀通常会发生在沿线的孤立位置,所以流动模拟参数的范围包括输气管道预测的大多数参数,而不仅仅基于技术性约束。于是满足上面条件的范围可以确定如下:表观气体速度低于7 6 m s ,管道直径0 1 1 2 m ,压力3 4 7 6 M P a ,管线的温度相对恒定。对于I C D A 而言,我们认为“游离”水是腐蚀电解质的主要腐蚀源,乙二醇和湿气是次要的腐蚀源。另外,含烃冷凝液的液态烃、液压油、润滑油可能影响腐蚀速率,因此也要考虑这些因素对I C D A 有效性的影响。I C D A 方法的应用与管长及距离无关,除非新的介质输入和输出改变了电解质注入的可能性或
8、相对稳定的管流特征。2 2 间接检测I C D A 方法的可靠性取决于利用流动模拟结果来识别最有可能聚集电解液位置的能力,即确定管道系统具有高持水趋势区域的能力。在输送干气的管道中,层状薄膜流动是液态水传送的主要机制,并且任意可能夹带到气体中的液滴都要汽化。至于水,未饱和气相中水滴汽化的原因是液滴有较大表面积和体积比,水直接与气相接触,近液滴的气体速度较高;薄膜流动具有较差的传质特征,管道底部的液体和弥散成的液滴相比,管道底部的液体具有较小的表面积与体积比,于是液体表面的气体速度比较低,低挥发性液体可能遮盖水抑制蒸发。比较而言,层状膜流动条件比薄膜流动有更好的汽化传质特征,即引发内腐蚀的可能性
9、很小。可以进行一系列稳态流动模拟计算来预测水聚集的临界参数。M o g h i s s i 等人1 根据参数研究,把致使液体向后流动的重力和造成液体沿着流动方向向前流动的气体与液体之间的剪应力之间的平衡定义为液体在管道中聚集的临界角,并建议把改进的弗劳德数( F r o u d en u m b e r ) 用于倾角为p ,内径为d ;的管道上,用来估计临界角。当气体密度由总压力和温度确定后,将模拟结果用改进的弗劳德数表示:F :堕丑哗s i n 0 ,( 1 ) P s秽g 式中P P s 一液体和气体密度,k g m 3 ;g 一重力加速度,m s 2 ;一表观气体速度( 对于单相流,该相
10、的表观速度即为该相的平均速度) ,m s ;d i 一管道内径,m ; 萨嘲角,( o ) 。p 小于0 5 。时,临界弗劳德数是0 3 5 ( 标准偏差为0 0 7 ) ;秽大于2 0 时,为0 5 6 ( 标准偏差为0 0 2 ) ;当p 位于二者之间的时,F 需要进行线性插值。对于气体密度的计算MJ ,在理想状态下,由系统的状态方程可以求得:P = p R T 。( 2 )实际气体密度的计算需要引入一个修正系数,即压缩因数z ( 它表示实际气体与理想气体的偏离程度) ,此时系统的状态方程为:P = z p R T ,( 3 )根据系统的状态方程,压缩因数可以表示为P y,、z 2 n R
11、 T ,L 斗,式中P _ 系统压力,k P a ; 卜系统体积,m 3 ;万方数据7 0 焊管2 0 0 6 年3 月n 一气体的物质的量,k m o l ;R 一气体常数,8 3 1 4 k J ( k m o l K ) ; 卜系统温度,K ;p 一气体密度,k g m 3 。任何气体的压缩因数可由试验来确定。在理想状态条件下,z 的值为1 ;对于实际气体,彳是状态的函数。文献 6 更加详细地介绍了压缩因数z 的多种确定方法。水一旦进入管道,就可以利用流动模拟结果预测水开始聚集的位置。水很可能在倾斜管道处聚集,因为剪切应力和重力正好在这点达到平衡。此外,模拟发现当存在大倾角的管道或者当气
12、体速度变化具有不确定性时,识别管段内液体聚集的位置将更为困难。管道倾角0 通常是按照度数或弧度给出的,倾角的正弦值表示管道高程A h 相对管道长度出的变化,其简图如图2 所示。用倾角的反正弦值来表示一定长度管道的高程变化:p = a r c s i n 酉A h 。图2 倾角口的示意简图( 5 )将所求得的倾角和流态模拟所预测的水聚集临界角进行比较,大于聚集临界角的第一个倾角即是水将首先聚集的位置,也就是说这个位置最有可能先遭受腐蚀。图3 表示I C D A 评价过程。其中第一个子计算步骤表示间接评价过程,即识别电解质可能首先聚集的位置。2 3 直接测试对于I C D A ,尚不能用最严格的定
13、义进行直接检测。这是因为挖掘后通常也不能达到管道内表面,但可以进行包括射线、超声波检测和腐蚀监测等在内的多种检测方法详细测试。应注意将临界角和实际管道倾角进行比较后,开挖探坑并安装内腐蚀直接评价循环直到表明 不可能发生腐蚀识别沿线游离 水聚集的位置评价各位置 确定是否腐蚀将缓蚀作为完整性 管理程序的一部分 ( 直接评价范围之外的内容)图3 给定管道长度的I C D A 流程图腐蚀检测工具,操作人员可增加检测时间间隔,并最好在最易发生腐蚀的位置进行实时监测。对于I C D A ,最经济有效的方法就是在部分管道上安装一种在线检测工具,然后根据这个结果评估清管器无法运行的下游内腐蚀。这是因为I C
14、D A 预测的腐蚀更可能是上游的而不是下游的,上游位置的完整性检验会考虑到下游位置得到结论。如果确定出最易发生腐蚀的位置没有发生破坏,就保证了大部分管道的完整性;反之如果发现腐蚀,也能辨识出潜在的完整性问题。为了提高内腐蚀检测的可信度,选择多个冗余位置是非常有用的,将会得到更多的经验以利于今后类似工作的展开。对于在恒定气体速度下运行的管道,第一个比临界角大的倾角代表水首先聚集的位置。一般情况下,下游位置不接触水( 因为水在上游聚集并蒸发) ,而当上游充满液体且流下来时,下游才会接触水。在这种情况下,上游位置与液体接触期间更长,因此腐蚀最严重。对于所有倾角都小于临界角的管道,选择最大的倾角可以确
15、定需内腐蚀检测的管段长度。当然,气体速度恒定仅仅是理想情况,大多数管道都经历了从零到最大的气体速度,于是使得评价程序更加复杂化。图3 的第二个子计算步骤代表I C D A 直接评价,在这个过程中,详细检验了问接评价所确定的位置。对于I C D A 方法,我们可以参照如下步骤一一一一一一 蓦万方数据第2 9 卷第2 期赵学芬等:输气管道内腐蚀直接评价方法进行:( 1 ) 找到第一个大于由操作条件和流动模拟结果确定的最大临界角的管道倾角。( 2 ) 详细检验检测目标位置,如果没有发现腐蚀,结论是腐蚀不可能发生。如果速度范围( 或其他相关参数) 已知,那么在某段时间内聚集液体的临界角有可能更小,此时
16、上游管道的完整性不能通过检测下游管道确定。( 3 ) 返回第一步,再次详细检验检测比最大临界角次之的倾角位置。I C D A 方法的程序如图4 所示,图中“k ”代表的数字将根据实际和经验进行调整。内腐蚀直接评价识别沿线第一个倾角 大于临界角的k 位置否检验检测下游管道不 可能发生腐蚀T _识别小于以前角度 的最大倾角的位置l 是!l:一管道不发生内腐 蚀或内腐蚀已知识别沿线下一个 更小倾角的位置图4I C D A 评价过程流程图2 4 后评价后评价过程是I C D A 的第四步。它包括分析前三个阶段收集的数据,目的是评价直接评价方法的有效性并确定再评价的时间间隔。输气管道的I C D A 是
17、基于间断扰动这个假设,并且具备这种假设条件的管道会有较小程度的腐蚀或无腐蚀。如果在任意位置都发现大面积腐蚀,则假设不成立,也就是说I C D A 是无效的。文献 7 对两段管道进行了评价验证,对于第一条管段,I L I 所确定的内腐蚀位置有8 5 可以通过I C D A 预测出来,如果管道高程分布( 也就是道路或河流道口) 是精确的,I C D A 还可能再识别出5 的异常。对于第二条管段,I C D A 可识别出的异常占I L l 检测的7 8 。在评估的过程中,液体流动的不确定性、电解质的滞留情况以及缺少I L I 识别出的内腐蚀异常的资料等都极大的增加了识别内腐蚀位置的不确定性。3 影响
18、I C D A 方法可信度因素的分析下面简要讨论进行I C D A 分析时要避免的一些常见问题。( 1 ) 管道高程数据的精度当应用G P S 或校正表信息时要确保管道满足陆地的地形。风险工程师经常需要将管道覆层厚度信息结合到分析中。很多情况下,诸如当遇到一条封闭式高速公路或无明显特征的地形和河道时,可能会产生大量的局部倾角。( 2 ) I C D A 边界条件将I C D A 用于极低流速和非干气输气管道意义不大。如果管道有频繁的水扰动趋势,I C D A 的可靠性也将降低。湿气或水含量变化趋势应该包含在综合的风险评估数据库中,这将有助于确定I C D A 的有效性。( 3 ) 操作条件了解
19、整条管道的操作情况对精确的I C D A 分析来说是必要的。临界角对改变流速和压力非常敏感。为了更好地了解沿线的变化情况,沿线系统应附加监测装置。同时,当计算持液率趋势时,也必须评估季节变化对流速变化的影响。( 4 ) 需要考虑的最小变量大量文献表明,仰角分布图有助于确定水聚集的位置;操作条件有助于压力、温度和流速的确定;阀和支线的位置影响流速、压力变化的位置;二氧化碳分压可能影响腐蚀速率;低洼地点和滴液的位置、河床和道口、锐弯管、突然的直径改变等等可能影响I C D A分析的可信度。4 应用I C D A 的局限性( 1 ) 湿气系统( 也就是存在饱和水的系统) 包括存储和集气系统,存储集输
20、系统内腐蚀的大多万方数据7 2 焊管2 0 0 6 年3 月原因都与液态水有关,因此限制了I C D A ,所以现有干气管道的I C D A 方法通常不适用于湿气系统。( 2 ) 对于气体速度恒定,流量小的系统,通过现在的I C D A 方法可以预测水聚集的位置然后对其进行检验。然而,湿气系统含有大量的水,所以所有大于临界角的角度都应该聚集水直到充满为止。因此挖掘点的数目变得更大。另外,水不断沿着聚集点之间的管道流动,也加大了内腐蚀检测结果的不确定性。( 3 ) 假定随时间变化的非稳态流速的管道已经在所有上坡的倾角处都聚集了水,这意味着所有上坡部分都具有圈闭水( 大约占管道的一半) 。对于在双
21、向运行的管道,据此推算管道的另一半可能也聚集了水。故如果没有附加的信息是木可能识别腐蚀的位置的。( 4 ) 腐蚀速率模型本身( 以气体性质为基础的) 的应用是受限的,因为腐蚀的位置是不确定的,且老化系统的气体环境通常是随着时间变化的。如果认为沿着管段的腐蚀是均匀的,沿着管段任意位置上的单个检测点将完全可以代表整条管道,此时使用预测方法对管道进行评价显然是不必要的。5 结语I C D A 方法的优势是在整条管线上对不适合进行在线检测的管段进行评估,检验有代表性的部分管段从而起到评估整条管段的作用。在程序不存在问题的前提下,如果在最有可能发生腐蚀的位置根本就没有发现有效腐蚀,那么管道完整性是可以得
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