长输天然气管道腐蚀检验与修复技术

石油化工安全环保技术 2013年第29卷第4期PETR O CH EM ICA LSA FETYA N DEN V I R O N M EN TA LPR O TEC TI O NTE C H N O L O G Y 长 输 天 然 气 管 道 腐 蚀 检 验 与 修 复 技 术 赵景星，席光峰，韩伟，张 皓 (山东省特种设备检验研究院，山东济南250101) 摘要：作为一种经济、有效、环保的运输方式，长输天然气管道在天然气运输中具 有独特的优势，但腐蚀泄漏是长输天然气管道主要的失效模式。简单阐述了腐蚀机理及危 害，介绍了国际上常用的长输天然气管道非开挖检测技术。现场选用国际上最先进的管道 外检测技术c- scan对一长输管道进行非开挖检测，并对发现问题进行分析后选用碳纤维复 合材料补强技术进行修复，通过现场检验案例验证了检验和修复技术的有效性和可行性。 关键词：长输天然气管道腐蚀检验修复 目前，作为天然气长距离输送的主要手段， 长输天然气管道的防护与检测越来越受到管道使 用单位的重视。由于长输天然气管道均为埋地敷 设，地域跨度大，敷设环境复杂，破损、泄漏不 易被发现，且埋地管道维修需要征地和大量土方 工程，劳民伤财、费时费力，因此，及时对长输 天然气管道进行检验，发现问题并整改，防止泄 漏，是维护管道安全使用的重要保障。 1长输天然气管道腐蚀机理、危害与检验 技术 腐蚀是管道本体与敷设环境间的物理一化学 相互作用，其结果使管体的性能发生变化，并常 可导致管体、环境或由它们作为组成部分的技术 体系的功能受到损伤，最终可能导致管道泄漏、 爆炸。腐蚀按腐蚀机理可分为化学腐蚀、电化学 腐蚀和物理腐蚀。 1) 化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发 生纯化学作用而引起的破坏。其特点是金属表面 的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原 反应，形成腐蚀产物。腐蚀过程中电子的传递是 在金属与氧化剂之间直接进行的，因而没有电流 产生。纯化学腐蚀的情况并不多。主要为管体在 无水的有机液体和气体中腐蚀以及在干燥气体中 的腐蚀。 2) 电化学腐蚀是指金属表面与导电的介质离 子发生电化学反应而引起的破坏。任何以电化学 47 机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极和一个 阴极反应，并以流过金属内部的电子流和介质中 的离子流形成回路。阳极反应是氧化过程，即金 属离子从金属转移到介质中并放出电子，阴极反 应为还原过程，即介质中的氧化剂组分吸收来自 阳极的电子的过程。如碳钢在酸中腐蚀时，在阳 极区铁被氧化为Fe2+离子，所放出的电子由阳极 ( Fe)流至钢中的阴极(Fec) H，被H+离子吸收 而还原成氢气，即：阳极反应：Fe=Fe2+2e， 阴极反应：2H +2e=H ：，总反应：Fe+2H += Fe2+H ：，从上述电化学机理可知，金属的电化 学腐蚀实质上是短路的电偶电池作用的结果。 3) 物理腐蚀是指管体金属由于单纯的物理溶 解作用而引起的破坏。熔融金属中的腐蚀就是固 态金属与熔融液态金属(如铅、锌、钠、汞等)相 接触引起的金属溶解或开裂。这种腐蚀不是由于 化学反应，而是由于物理溶解作用，形成合金， 或液态金属渗入晶界造成的。 2003年10月发布的中国腐蚀调查报告 中指出：我国腐蚀损失为5000亿形年，占我国 国民生产总值的5。据不完全统计，2011年我 收稿日期：20130508。 作者简介：赵景星，男，2002年毕业于山东建筑工 程学院建筑环境与设备工程专业，工程硕士，主要 从事承压类特种设备的检验检测工作，工程师。E m ai l 163con 石油化3-安全环保技术2013年第29卷第4期 国长输天然气管道因腐蚀发生泄漏40余起，直接 经济损失400余万元，而其中大多数腐蚀泄漏是 可以通过检验、修复避免的。 长输天然气管道多埋于地下，在其使用过程 中，主要受到来自内、外两个环境的腐蚀。因 此，针对不同的腐蚀原因，检测技术也相应地形 成了管道内、外检测技术两类。 管道内检测指的是应用各种检测技术真实 地检测和记录管道的基本尺寸、管线基本状况、 管道内外腐蚀状况、焊缝缺陷以及裂纹等情况。 其原理是通过装有无损检测( ndt)设备及数据采 集、处理和存储系统的智能清管器(pig)在管道 中的运行，完成对管体的逐级扫描，从而达到 对缺陷大小、位置的检测目的。目前，最常用 的内检测方法有漏磁腐蚀检测和超声波腐蚀检 测。但由于管道内检测技术的检验成本高，检 验可行性差，所以管道内检测技术在我国应用 较少。 管道外检测技术主要是指在不开挖的条件 下，对埋地钢制管道外覆盖层、阴极保护效果 以及管道腐蚀状况进行检测评价。目前，已有 许多先进技术及设备被广泛应用于国内的管道 外检测中。在实际操作中，经常运用的检测方 法有：标准管地( ps)电位测试、密间距电位 测量法(cips)、皮尔逊(person)检测、直流电压 梯度测试技术(dcvg)、多频管中电流衰减法 (pcm )以及C扫描埋地管线防腐检测系 统(cscan)。 2检验原理与检验案例 cscan是目前国际上最先进的管道外检测技 术。它的优势在于功率大，单次检验管道长， 操作简单，检验精度高且检验后可直接完成对 管道防腐层系统状况的评价。其检验原理是先 通过发射机给受检管道输入电流信号，然后利 用接收机沿管线接收信号。加在防腐层完好的 受检管道上的电流会沿着管道传输，并随着与 发射点之间距离的增大而逐渐衰减，电流穿过 防腐层泄漏到土壤中。如果防腐层厚度均匀地 将管道与土壤完好地分隔开，管道中电流信号 的衰减率应该是呈对曲线衰减。电流衰减率 主要决定于所使用的防腐层涂层绝缘电阻，和 单位长度的管道防腐层涂层表面积(也就是对 于给定的防腐涂层，衰减率与管道的周向面积 成比例)。因为土壤电阻的变化值与防腐层电阻 相比相差几个数量级，所以一般情况下可以忽 略小范围内的土壤电阻的变化。如果在管道上 的任意一点出现电导通而直接泄漏电流的情况， 管道中电流信号的衰减率必然就会增大。这种 防腐层电导通点可能会出现在以下情况下：没 有正常施工的防腐层；施工过程中或者投入使 用后，发生机械损伤的防腐层；因土壤状况而 老化的防腐层；已经剥离管道的防腐层(地下水 穿透缝隙所造成的电导通) ；或者因管道本身所 造成的防腐层泄漏点。因为像这样的电导通点 处的电阻比正常的没有破损的防腐层电阻小几 个数量级，所以此处电流信号的损失非常大。 即便是单个的只有几个平方毫米大小的破损点 所造成的电流衰减，通常也比相当长一段具有 正常防腐层的管道上的电流衰减要大。在生产 实践中，数百米长的管道上如果存在一个或两 个小防腐层破损点是可以容忍的，因为阴极保 护系统可以有效的阻止或延迟此处发生严重的 腐蚀现象。在这种情况下，并不需要马上找到 这些小破损点的位置。但是必须记录这两个调 查检测点之间的对数衰减率，作为将来调查检 测的参考，也可以保证有效的监控所有管道状 况较差的位置。如果所检测的管段对应的衰减 率明显较高，就说明该管段防腐层存在严重破 损点或者数量较多的小破损点。折中检测读数 的方法可以判断其中最差管段的位置，通过记 录和打印35m 的密间隔检测电流值，可以非 常清楚地发现电流衰减曲线中下降最快的位置， 并且对破损点精确定位。这样最严重的管道防 腐层破损位置就可以得到及时的开挖和修复。 2012年10月，我单位利用cscan对某燃气 公司所属长输天然气管道进行非开挖外防腐层检 测。该管道投用时间为2007年8月，管道规格 蝉064 m mX63 m m ，设计压力40M Pa，材质 为L360M B螺旋缝埋弧焊钢管，防腐层为三层 PE，全长168km 。检验发现防腐层破损点176 处，并对其进行开挖修复。开挖后发现一处管道 本体机械损伤，管道轴向损伤长度约为25m ， 管道损伤最严重处的壁厚损失约为39m m ，壁厚 损失为原壁厚的619，损伤部位位于管体侧上 ，见图1、图2。 型型鹾三喳星必一 一： 二二j 二：二二二：二立1I一： 49 图1开挖后管道防腐层破损状况 图2管道本体腐蚀状况 开挖验证坑 内腐蚀环境调查结果：土壤颗粒 为粉粒组，土壤松紧度为紧，土壤湿润无明显分 层，土壤电阻率为173Q m ，检验人员对腐蚀部 位进行磁粉检测，发现裂纹。通过调查了解，2010 年春天，附近村民曾对该处进行挖掘机挖土施工， 破坏了管道防腐层并对管道本体造成机械损伤。 3管道修补技术 作为一种新兴的管道补强技术，碳纤维复合 材料补强技术已在国内众多单位输油输气管线修 复工程中得到了广泛的应用。该技术采用的碳纤 维材料具有优异的力学性能，抗拉强度大于3500 M Pa，弹性模量大于200G Pa。该技术通过在受腐 蚀的管体外部缠绕高强度的修复材料，在不影响 生产的情况下对受损管体进行强度修复，保证补 强处理后的管道能够恢复其原设计运行压力，达 到最佳效果。此外，该技术还具有免焊不动火， 不停输，操作安全，施工人员少，无需大型设备 及施工迅速等优点。 具体修复方案及实施操作步骤如下： 1) 管道防腐层剥离与表面清理：对修复管段 进行喷砂除锈，处理质量应达到st 3级。 2) 缺陷尺寸测量：对缺陷长度、宽度及壁厚 进行测量。 3) 缺陷修补：填平树脂涂刷于钢管表面凹陷 部位(蜂窝、麻面、小孑L等) ，修补至缺陷部位表 面平整。 4)碳纤维布粘贴：用环氧粘浸胶将绝缘纤维片 和碳纤维片粘贴在修复部位，碳纤维修复区域