（油气储运工程专业论文）输油管道的腐蚀检测与剩余强度评价.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： c o r r o s i o ni n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya n dr e s i d u a ls t r e n g t ha s s e s s m e n tf o ro i l t r a n s p o r t a t i o nc o r r o d e dp i 雌 a bs ，i r a c t n o wi nc h i n at h em o s to fo i lp i p e l i n e sh a v eb e e nu s e d2 0y e a t s ，s o m et i m e sp i p e l i n e s c o r r o s i o nl e a dt ol e a ka c c i d e n ta n de c o n o m i cl o s s ，e v e nh a r mp e o p l e sl i f e n o wp e o p l e a t t a c hi m p o r t a n c eo ft h ep i p e l i n e ss a f e t y s oi n s p e c t i n gp i p e l i n e sa n df i n d i n gp r o b l e m sf o r p r o l o n g i n gp i p e l i n e sl i v e sa n dr a i s et h es a f er e l i a b i l i t yb e c o m et h ek e yw h i c hp r o t e c tp e o p l e s l i f ea n dc u td o w nt h ec o s to fo i la n dg a sp r o d u c t i o n n o wt h e r ew e r em u c hs t u d ya n d i n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya b o u tt h ec o r r o s i o no fb u r i e dp i p e l i n e si nt h ew o r l d a l s ot h es c i e n t i f i c a n dr a t i o n a le v a l u a t ea n dt h es u c c e s so fr e m a i n i n gs t r e n g t ha c c o u n t ，w h i c hm a k e st h e i m p o r t a n tr o l eo fa s s e s s i n gp i p e l i n e su s et i m ea n dd r a w i n gu pt h ep r o g r a mo fr e p a i ra n d m a n a g e m e n t t h e r eh a sd e e pr e s e a r c ha b o u ta s s e s s m e n to fp i p e l i n e sr e m a i n i n gs t r e n g t hi n a b r o a d ，y e tc h i n aj u s tb e g i n i nt h i sp a p e r ，t h em o s ti nc o m m o nu s eo fi n s p e c t i o nw a yi nt h ew o r l dw i l lb ei n t r o d u c e d a n dr e s e a r c hs i t u a t i o na l s os u m m a r i z e d t h ek e yp o i n ti st oa n a l y z et h en e w w a y o fp i p e l i n e s c o r r o s i o ni n s p e c t i o n t h e ya r c “p i p e l i n ec u r r e n tm a p p e r a n d “m e t a lc o r r o s i o nl o s s m e a s u r e t h ek e yp o i n to fi n s p e c t i o nw o r ki st oi n s p e c tt h ep r o t e c t i o nf u n c t i o no fp r o t e c t i v e c o a t i n ga n dr e m a i n i n gt h i c k n e s so fp i p e l i n e s a n ds o m ew a yo fa s s e s s m e n ti nc o m m o nu s e a b o u tr e m a i n i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n tw i l lb ei n t r o d u c e d ，a n d m a i n l yr e s e a r c h i n g a p i a s s e s s m e n ts y s t e mw h i c hr e a c ha s s e s s m e n tp r o c e s sa n ds t e p t h i sp a p e rp e r s i s ti nc o n n e c t i n gt h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n dc o n t a c tm yi n s p e c t i o n e x p e r i e n c ei ns o m eo i lf i e l d h o wi n s p e c t i o nw a ya p p l yc o n c r e t ew o r kw h i c hi l lu n f o l d b e f o r er e a d e r s se y e s i ，l la l s os c i e n t i f i c a l l ya n a l y z et h ep r o t e c t i v ec o a t i n gd a t aw h i c hih a v e i n s p e c t e da n dg i v es o m ee v a l u a t ev i e w t h e ni tp r o v i d ed e p e n d e n c ef o rd r a w i n g 叩i n s p e c t i o n c y c l e i fc o n n e c tt h er e m a i n i n gt h i c k n e s sd a t aw h i c hh a v er e c e i v e di tw i l la c c o u n tt h e r e m a i n i n gs t r e n g t ht h e ne s t i m a t ep i p e l i n e sr e m a i n i n gl i v e s t h e ni tp r o m i s et h ep i p e l i n e s s a f e t y a tl a s to ft h i sp a p e r i tc l a s s i c a l l ya s s e 鹞p i p e l i n e sw h i c hc o v e re q u l i t yc o r r o s i o n w e a k n e s sp i p e l i n e sb yv b 6 0 ，a n da c c o r d i n gt om a k ea s s e s s m e n ts o f t w a r ew h i c hp r o v i d e o p e r a t ef i a tr o o ff o rp i p e l i n ea s s e s s m e n t s k e yw o r d s ： t h e s i st y p e ： p r o t e c t i v ec o a t i n g , r e m a i n i n gt h i c k n e s s , p i p e l i n ec o r r o s i o n , r e m a i n i n g s t r e n g t h , e q u l i t yc o r r o s i o n ，c l a s s i f i c a t i o na s s e s s m e n t a p p l i c a t i o ns t u d y 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 2 马鑫! 因i 同期： 垫1 7 ：! 壁 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发 表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 迅趋鼬 勉 ， 只期：丝丑：扩 i - t 辫t ：磁：! 厂 r 一 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 目前世界上5 0 以上的管网趋于老化，我国的原油管道也有近一半运营了2 0 年以 上，由于管体腐蚀、磨损、意外损伤等原因导致的管线泄漏事故时有发生。近年来，国 内管道因腐蚀造成的事故只趋严重，因跑油、停输、污染、抢修等造成的经济损失，每 年都以亿元计算。为保证管道运输安全，2 0 0 0 年4 月，国家颁布了相关法令，规定主 干线油气输送管道三到五年必须进行管道在线检测。 长期以来，我国的埋地管线一直处于重建设轻管理的状况，这是我国管道寿命普遍 低于国外的重要原因之一。实际上，一条报废管道的大部分管段仍具有较大的使用价值， 对一条管道有计划修复的经济效益远比重建一条管道大得多【1 1 ，尤其对于集输管线更是 如此。同时，由于管道腐蚀以及管理不善造成的管道泄露，不仅造成严重的资源浪费， 也对管道沿线的生态环境造成恶劣的影响，严重污染周边环境。在油田生产中，往往是 管道被腐蚀泄漏或突然爆裂造成事故以后，才去抢修和更换，而并不是完全了解管道的 内、外腐蚀整体状况。管道腐蚀的检测及安全评估技术能够获得管道腐蚀现状的有关信 息，并对管道整体腐蚀程度进行判断，如果能及时的改善腐蚀环境，采取控制措施，可 以使管道更有效地运行，从而达到延长管道寿命、减少投资的目的。 在役输油管道的适用性评价是当前国内外管线工程研究领域的热点问题，它包括管 道剩余强度评价和剩余寿命预测两个方面。剩余强度评价的目的是确定带缺陷管道当前 的工作能力；而剩余寿命预测是在剩余强度评价接受准则的基础上，估算其使用寿命， 确定复检周期。 1 2 研究目的与意义 定期的腐蚀检测与适时的维修保养是及时发现和消除管道事故隐患的关键，尽管这 样做需要一定的费用，然而它对避免重大事故的发生，保证管道长期安全生产，有着巨 大的经济意义。在检测技术的选取上，应尽量选择无损检测技术，这样就可以避免因检 测造成的停工停产。 带腐蚀缺陷的管道在其后的运行过程中，有可能产生破裂、泄漏，如果不做好预防 工作，则往往会导致恶性事故的发生，造成巨大的财产损失，甚至人员伤亡。腐蚀缺陷 的存在会降低管道的强度，对管道的安全运行产生隐患，限于财力、人力、物力因素的 两安t i 油大学硕十学位论文 影响不可能也不必要对所有缺陷管道进行更换和返修，因为，对有缺陷的管道盲目地进 行更换或维修则会带来巨大的浪费。因此，需要对管道剩余强度进行评价。对含有腐蚀 缺陷的管道进行剩余强度评价可以避免因腐蚀所导致的爆裂等恶性事故的发生。输油管 道剩余强度评价的目的就在于研究管道缺陷是否能在某一操作压力下允许存在，以及在 某一缺陷下允许存在的最大工作压力，从而科学的指导管道的维护和管理1 2 l 。 1 , 3 管道检测技术国i 内) i - 研究现状 目前国l 彤 l - 在埋地管道腐蚀检测方面已做了大量的研究，开发了各种各样的检测技 术，这些技术包括管道外腐蚀检测技术和管道内腐蚀检测技术两大类。现在国内外使用 较为广泛的管道腐蚀检测方法是漏磁通法和超声波检测法，他们也有各自的缺点，要根 据不同的条件选用不同的方法。 腐蚀检测工作有两方面内容是检测的关键：一是防腐层防护性能检测，二是管体会 属腐蚀程度的检测，最重要的就是检测剩余壁厚的值。在这两方面检测工作中都有相对 应的检测方法。 1 3 i 防腐层防护性能检测 a 电流一电位法电流电位法是最直接的检测手段，可在检测防腐层的防护性能的 同时可以查找防腐层破损点。它是在丌挖的情况下测出p 点和p 2 点的电流值，再根据 两点的电位差就可以求出p l 段的绝缘电阻f 3 l o 缺点是评价准确性受采样率的限制且往 往成本( 包括开挖损失等赔赏) 较高，尤其是在建筑物密集地段难以实旅。电流一电位 法检测示意图见图i - 1 。 1 一管道；2 一直流电位差计 图i - i 电流一电位( t f 挖) 法示意图 b 变频一选频法通过被测管道的某个标桩向管体和大地之间加载一定功率的交 2 第一章绪论 流信号，在另一标桩处接收管体与大地之间同一频率的衰减信号，同步地改变发、收频 率直到接收功率是发射功率的5 以下即可认为电流信号“损耗殆尽”，然后利用两标 桩之问的管体长度、管道直径、管壁厚度、土壤特性阻抗等有关物理量计算两标桩之间 管道防腐层的绝缘电阻。该方法自1 9 9 0 年问世以来经多次改进后由石油天然气总公司 确定为评价防腐层防护性能的首选方法。由于评价是以段为单位进行的，实际上给出的 是段内平均绝缘电阻，不能指出具体破损位置，又难于给出防腐层防护性能详细评价资 料。 c 多频管中电流法( 又称电流衰减法)多频管中电流法是目前国外应用较多的一 种埋地管道防腐层防护性能检测技术。它所采用的是等效电流原理，评价防腐层绝缘电 阻。所用仪器为英国雷迪公司生产的r d p c m 检测仪，p c m 是p i p e l i n ec u r r e n tm a p p e r 的简称，p c m 检测仪由一台发射机、一个接收机和一个a 字架组成。 由p c m 发射机向管道发射不同频率的信号电流，电流沿管道向远方延伸，用接收 机可以接收到管道中任何一点的衰减的信号电流，电流在沿管道传送的过程中逐渐衰 减，衰减变化与管道防腐层的绝缘电阻有关。防腐层绝缘电阻是指单位面积防腐层法线 方向上的电阻，单位是q 秆，它是综合反映防腐层状况的重要指标i 卿，该项指标不仅与 防腐材料有关，而且与施工质量有关。施工中对防腐层的任何损坏或防腐材料老化等性 交以及防腐结构发生浸水、剥离、破损、开裂等现象，都将表现为绝缘电阻下降。即防 腐层的质量越高，绝缘电阻越高，管道中电流衰减的越慢1 5 l 。 多频管中电流法属于非开挖检测法，通过检测管道内电流衰减变化，判断防腐层的 状况。可长距离检测管道防腐层状况，也可对管道防腐层破损点进行定位。 d 直流电位梯度法从原理上看，直流电位梯度法与电流衰减法并无二致。不同之 处在于本方法是在地面测量由管道防腐层破损刨面漏入大地电流的分布状态，通过变向 点( 地表电位零值点) 确定破损位置在地表的投影并根据等位线形状判断创面大小和范 围，仔细分析等位线和等梯度线特征还可以确定破损创面的空间位置。此种方法不能对 防腐层性能做分级评价，但与多频管中电流法共同使用可以得到较好的效果。 1 3 2 管体金属探测技术 a 管体电位测量技术直接测量管体上的腐蚀电位，根据管体上腐蚀电位的分布特 征判断腐蚀( 阳极) 部位。一方面由于测量电极直接与埋地管体保持良好的电性接触存 在着实际上的困难，也不可能做到“连续观测”；另一方面，管体上的各种干扰电位往 往大于腐蚀电位，使该方法的应用范围受到局限，特别是在人文活动程度较高的地区更 加难以实施。 b 管地电位测量技术通常测量管地之间的直流电位和纵、横向电位梯度，也可以 3 西安石油大学硕十学位论文 测量交流电位和电位梯度。在没有防腐层( 例如铸铁管道) 的情况下，可以通过管地电 位测量来查明管体上的腐蚀阳极区( 段) ；在有防腐层的情况下管地电位测量更多地用 于检测阴极( 牺牲阳极) 保护作用和计算管地之间的电压降值，除了作为调整阴极保护 电流大小的依据以外，还可以定性地分析管道防腐层防护性能的好坏。美商制造的c i p s 检测仪( 如d v m3 3 0 0 ) 配有g p s 卫星定位系统和相应的应用软件，应是当前最先进 的管地电位测量系统，其应用条件是系统而完整地建立管网阴极电流保护两( 站) ，一 次性投资费用大，国内还很少有使用者。 c 超声波测量技术超声波测量可分为内检测和外检测两种，而内检测是将超声波 探测器置于待测管道内并向前推进，超声波发生源向管壁发射波长极短的声波，检波元 件拾取管壁两个侧面的反射信号，经处理后给出管壁疵点展开图，从中可以辩识管体内、 外壁腐蚀位置、腐蚀面积、蚀坑深度等，是一种较直观的检测手段。问题在于检测速度 慢，不仅需要对在线管路事先做清管处理，而且要求管路平直，难以做到“不中止管道 正常运行作业”，实质上的检测成本往往使人望而却步。而外检测比较简单实用即应用 超声波检测仪在管道外壁进行检测，但它的缺点是检测的点位数受限制，不可能连续开 挖检测，而且开挖成本及费用巨大，效率也低。 d 漏磁测量技术利用漏磁原理检测管体对电磁波的“吸收”程度，继而分析管体 导电、导磁特性的变异及其分布并作出腐蚀状况评价。不同于超声波测量的是漏磁测量 只能确定管体腐蚀位置而不能区分腐蚀发生在管体内壁还是外壁。与超声波测量一样， 漏磁测量也存在检测条件的局限，检测速度慢、成本高。 e 金属蚀失量检测技术金属蚀失量法是检测管体金属腐蚀损失程度的一种方法， 简称t e m 检测法，它是利用脉冲瞬变( m ) 原理观测地下管道金属腐蚀损失量，根 据金属相对损失量，结合相应软件能够计算出管体“等效平均剩余壁厚的值”( 以后简 称剩余壁厚) t e m 检测法是一种轻便、快速、有效的无损检测方法，最早用于地矿部 门探测地下金属矿，现扩展用来检测在役埋地金属管道的剩余壁厚，是目前企业常用的 一种检测方法。 这项埋地管道腐蚀无损检测技术在2 0 0 0 年通过了规模性工程应用的检验并通过国 家冶金局的技术鉴定。业内专家认为：在不开挖的情况下通过观测埋地管道的金属蚀失 量，进而计算金属管道的剩余壁厚，此项技术具有很好的实用价值。 1 3 3 检测方法的比较 通过对防腐层检测方法的综合比较( 见表1 - 1 ) ，发现多频管中电流法和电位一电流法 都可以查找防腐层破损点和对防腐层防护性能进行分级评价，然而电位一电流法最大的 缺点就是需要开挖，降低了工作效率，提高了成本。直流电位梯度法、变频一选频法与 4 第一章绪论 多频管中电流法都不需要开挖，同时具备效率高成本低的特点不足的是直流电位梯度 法不能对防腐层防护性能进行分级评价，变频一选频法不能查找防腐层破损点。对最小 检测间距来说，多频管中电流法1 米的8 j 距可以适用于绝大部分管线。 比较结果表明：多频管中电流法不开挖，具备实用、经济的特点，同时又能兼顾查 找防腐层破损点和对防腐层防护性能进行分级评价，在实际检测中经常应用此方法检测 防腐层。尤其对于服役时间较长的集输管线，采用该方法效果更佳。 表i - 1 防腐层检测方法的比较 电位电流多频管中电流 直流电位梯度法变频选频法 法法 点源电位梯度理单线传输函数管地同路 理论依据 欧姆定律 论理论等效电路理论 查找防腐层破损点 可以可以不能可以 防腐层防护性能分级 可以不可以可以可以 评价 根据需要设 最小检测间距 0 2 柴2 0 1 米 定 是否开挖 是否否否 效率 低高较高较高 成本 高 低较低较低 对管体金属采用漏磁测量技术检测速度慢、检测成本高，用超声波检测往往需要开 挖检测某一点的壁厚，检测范围受限制，检测效率低。如果对管体金属采用金属蚀失量 法探测，得到管道平均剩余壁厚的值，然后用超声波法开挖验证，这样既保证了检测结 果的准确性，也提高了工作效率。由于是在不开挖的情况下得到管道剩余壁厚的值，具 有很好的经济性。由于在役管线尤其是集输管线不具备停产检测和大范围开挖的特点， 将金属蚀失量法应用到服役已久的在役埋地管线效果更佳。 1 4 剩余强度评价方法国内外研究现状 管道剩余强度评价是管道完整性评价的主要内容之一，世界各国对管道剩余强度的 评价工作十分重视，已形成一系列的标准和规范。美国，英国，加拿大等发达国家早在 5 腑安j i 油大学硕十学位论文 2 0 世纪7 0 年代初就开始重视管道腐蚀剩余强度评价研究工作，在长期的管道运营管理 中建立了一套定期的常规监测和管道腐蚀剩余强度评价模型，各种类型的腐蚀检测工具 广泛地用于各类管道中，用先进的装备技术跟踪检查腐蚀状况，并建立数据库，依此作 为决策依据，这是国内目i ；i 难以做到的 国外将管线的腐蚀问题视为管道可靠性的主要影响因素，并且从8 0 年代开始逐步 形成了较全面较深入的理论研究模式，并进行了大量的现场调查和实验室试验，提出了 一些可用于腐蚀预测和评价剩余强度的方法。 1 4 1a s m e a n s ii d i g 准则及其优缺点1 6 - 7 i 6 0 年代末7 0 年代初，得克萨斯州东部运输公司和a g a 的管道设计委员会提出了 b 3 1 g “腐蚀管线剩余强度评价方法”，是目前西方国家流行的评价方法，它的理论基 础是中低强度材料的弹塑性断裂力学，其目的是力求采用解析式来表达材料不连续时管 道的强度或应力，其手段是采用实验的归纳综合和理论的分析研究相结合，其结果实际 上得到的是半经验半理论的表达式。美国建立的“腐蚀管道剩余强度的简明评价方法” a s m e a n s ib 3 1 gi s j ，可用于处理单片腐蚀对管道承压能力的影响，但该规范因简化和 假设条件的不足而过于保守，低估了腐蚀管道的极限承压能力。后来针对b 3 1 g 的保守 性，在进一步研究的基础上，形成了美国石油协会服役适用性评价推荐做法a p i 5 7 9 1 9 1 。 1 4 2a p l 5 7 9 准则i 城u _ 2 1 a p l 5 7 9 是根据炼化企业对压力设备服役适应性评价( f i t n e s s f o r - s e r v i c e ，f f s ) 标 准的需要而形成的。它是在a p i s 5 1 0 、a p l 7 5 0 和a p l 6 5 3 的基础上。根据工程需求进 行了补充，目的是：( 1 ) 使长期服役的结构和设施能继续运行的同时，确保人员、公众 和环境的安全：( 2 ) 从技术上提供一个完善的适应性评价步骤，以保证对不同的服役结 构和设施能提供其寿命预测方法：( 3 ) 有助于在役设备的最优维护保养和运行，保持结 构和设施的可用性，以及提高结构和设施的长期经济运行的可行性。 该评价是在改进的b 3 1 g 基础上，按照缺陷类型和损害机理加以组织的，它考虑了 相邻缺陷的相互影响和附加载荷的影响，为腐蚀缺陷的剩余强度评价提供了更为直接的 方法。a p l 5 7 9 服役适应性评价的基本思路是：建立含有缺陷管道的剩余承压能力、缺 陷的尺寸及有关材料强度参数三者之间的关系，只要其中两者是确定的，那么另一项的 极限值也就可以计算得到。服役适应性评价对腐蚀缺陷的剩余强度采取分级评价，建立 了三级评级体系。一级评价提供保守的评价和审查准则，需要最少的检查数据和人力资 6 第一章绪论 源。二级评价提供一个更为详细的评价，得出的评价结果比一级评价水平更精确，它需 要由工程师们或在服役适应性( f f s ) 评价方面有丰富经验的工程专家完成。三级评价提 供一个最详细的评价，得出的评价结果比二级评价水平更精确。但是，在三级评价中， 需要最详细的检查和构件资料。推荐使用诸如有限元分析等数值分析方法。三级的分析 评价，基本上都应由在服役适应性( f f s ) 评价方面有丰富经验的工程专家完成。 1 4 3 有限元分析方法 近年来，很多学者采用有限元方法分析腐蚀管线的剩余强度，取得了很大的进展。 有限元分析主要有弹性分析和非线性分析两种方法。弹性分析就是以材料的弹性极限为 根据分析管线失效。y u n g - s h i hw a n g 对腐蚀管线进行了弹性分析，提出了一种用弹性极 限原则来评价管线剩余强度的方法1 1 3 1 。推导出了在受内压、轴向载荷和弯瞌载荷的情况 下管线腐蚀区应力集中系数的计算公式。 非线性分析就是采用三维弹塑性大变形单元，用有限元方法对腐蚀管线进行塑性失 效分析，分析中应考虑几何形状和材料的非线性。加拿大的c h o u c h o a u i 、p i c k 、b i n f u 和m g k i r k w o o d 等都对腐蚀管线进行了非线性有限元分析，并进行了试验验证1 1 4 t 。【切。 应用有限元方法对腐蚀管线的剩余强度进行研究，可以考虑多种载荷的联合作用，同时 可以模拟复杂的腐蚀形状，使得分析模型更接近于实际，所得结果的精确度和可信度较 高。通过有限元分析，证实了b 3 1 g 准则中一些结论的正确性，同时还得出了一些很有 价值的结论，如腐蚀日j 的相互作用，轴向载荷和弯曲载荷对剩余强度的影响等1 1 8 l 。应用 非线性有限元法对具有内、外腐蚀管线的剩余强度进行分析。分析结果表明，具有相同 腐蚀尺寸的内、外腐蚀模型，所得结果非常接近，说明内、外腐蚀可以用相同的方法评 价。 1 4 4 弹塑性理论分析方法 弹塑性理论分析方法主要是以弹塑性力学理论为基础，建立适当的力学模型，分析 管线的剩余强度。k l e v e r 以弹塑性力学理论为基础，先后提出了连续力学分析模型和平 面应变薄膜圆弧模型，并推导出简单的公式【伸i 。研究结果表明，由于模型的简化，对不 同的腐蚀情况，所得结果不稳定，这方面还需进一步的研究。 i a 5 可靠性评价方法 可靠性评价是基于可靠性理论，建立适当的可靠性模型，考虑腐蚀缺陷尺寸和载荷 7 两安石油大学硕十学位论文 等变量的随机特性，对腐蚀管线进行可靠性分析是一种评价腐蚀管线剩余强度的新方 法。英国的d g d a w s o n 和s j d a w s o n 等提出了一种基于可靠性理论的方法，可以计算 腐蚀管线的失效压力和失效时间。加拿大的i r o r i s a m o l u 等用概率的方法对腐蚀管线 剩余强度进行了研究1 2 0 1 ，基于b 3 1 g 标准提出了3 个概率模型来计算腐蚀管线的可靠度。 近年来，国内对腐蚀管线的可靠性也进行了研究，基于现存的剩余强度评价方法，建立 了相应的可靠性模型，考虑变量的随机性，用蒙特一卡洛数值模拟和一阶二次矩方法分 析腐蚀管线的可靠性，得出了随机变量与可靠度的关系【2 1 1 ，从而找出影响管线可靠度的 主要因素。 剩余强度是评价管线的当i j f 状况，剩余寿命则是预测管线的未来发展。由于后者还 应考虑管线防腐层的有效保护寿命和缓蚀剂的有效保护寿命问题，因此剩余寿命预测的 难度远大于剩余强度，目的的研究也确实没有前者成熟。 国内在开展腐蚀管道剩余强度评价、剩余寿命预测研究方面起步较晚。近几年，随 着国际上剩余强度、剩余寿命及缺陷检测的服役适应性( f f s ) 研究高潮的到来，国内对 腐蚀管道剩余强度、剩余寿命的研究日益增多，但总的来看，还仅仅只是处于一个探索 起步阶段。 1 5 主要研究的内容 本文主要研究内容如下； 1 通过国内外输油管道检测技术的对比，找出适宜油用集输管道最简洁和最经济， 并能保证安全运行的可靠检测方法和评价准则。 2 从管道检测原理出发，通过理论分析，对油田集输管道防腐层防护性能和管体 金属腐蚀状况的现有检测技术进行全面的分析研究，对检测的可靠程度作出评估。 3 熟悉检测仪器，参加现场实地检测，收集相关数据和资料。结合工程实际，利 用研究的理论、方法和准则解决工程实际问题。 4 对输油管道完整性中的剩余强度进行理论结合实际的探讨，对其检测方法、数 据采集、数据处理、评价准则进行全面的分析研究。 5 根据评价准则编制输油管道剩余强度评价软件并对检测结果进行评价。 8 第二章在役输油管道防腐层检测技术分析 第二章在役输油管道防腐层检测技术分析 对在役输油管道进行腐蚀检测的目的就是要判断所检测的管段是否还能继续使用， 是否需要维修或更换，如果能继续使用，在什么情况下使用，多长时问需要进行复检。 所以检测的目的概括的说就是：第一要发现问题管段，第二要判断所发现的问题管段是 否属实，第三评价问题管道是否可以继续服役，第四找出影响管道腐蚀的相关因素，制 定解决方案，参见图2 - 1 本文按照以上四点展开叙述，再结合实例进行分析。 图2 - 1 管道检测过程思路分析框图 管道检测的首要问题是发现问题管段。在役管道由防腐层和管体金属两部分组成， 选取相应的检测技术分别对防腐层与管体金属进行检测，问题管段就表现为防腐层防护 性能的减弱和管体金属腐蚀导致的管体壁厚减薄。防腐层检测技术选取在某油田参与过 实地应用的多频管中电流法，将在本章做重点叙述。管体金属检测技术选取金属蚀失量 法，将在第三章做重点介绍。 2 1 多频管中电流法 在役管道防腐层检测采用多频管中电流法，检测工作的重点就是检测防腐层防护性 能。通过防腐层防护性能的减弱可以找到问题管段，进而对问题管段防腐层进行评价。 防腐层也叫防腐绝缘层是埋地管道腐蚀控制技术中重要的组成部分。防腐层的质量 关系到管道的使用寿命，也是管道运行中必须关注的问题。目前使用的管道防腐层种类 较多，在检测项目及检测方法上也不尽相同。现在的集输管道仍以石油沥青玻璃布为主， 对集输管道的防腐层防护性能检测以检测防腐层的连续性、厚度，粘结力、绝缘电阻等 性能为主l z ”，最重要的检测指标就是绝缘电阻的值，上一章已经提到绝缘电阻是综合反 映防腐绝缘层状况的重要指标。目前，随着新型检测仪器的出现，多频管中电流法应用 的p c m 检测仪就是其中典型的一种，防腐绝缘层的绝缘电阻已实现了不开挖的地面检 9 西安石油人学硕十学位论文 测，绝缘电阻的检测结果将为制定维修方案或更换某管段防腐绝缘层提供科学依据。 2 1 i 多频管中电流法原理概述 多频管中电流法应用的设备是英国雷迪公司生产的r d p c m 检测仪。主要是测量管 道中的衰减电流。p c m 系统主要由一台发射机、一个接收机和一个a 字架组成，多频 管中电流法是由p c m 发射机向管道施加多个频率( 常用的为4 h z 和1 2 8 h z ) 的电流信 号，使用接收机接收相同频率的电流衰减信号，该设备不受管道埋深的限制，追踪检测 管道的信号电流，能自动存储检测数据。 p c m 的工作原理是根据管一地回路等效电路理论向管道施加一定的电流后，电流沿 管道向远方延伸，接收机可以直接接收到管道中任何一点的电流强度。电流在沿管道传 送的过程中逐渐衰减，衰减变化与管道防腐层的绝缘电阻有关，即防腐层的质量越高， 绝缘电阻越大，电流衰减的越慢。反映电流衰减变化的关系式为1 5 l ： 1一oe。(2-1) 式中： ，- 一在管道上方读取的任意一点电流值，a ： j 。一发射机向管道发射的电流值，a ； 工一测量点到发射机发射点的距离，m ： a 一衰减系数。 同一条管道，如果管道防腐层的绝缘电阻大，衰减系数就小，即检测电流值下降就 慢。如果管道的防腐层质量较好且分布较均匀，那么单位距离的电流衰减就是电流变化 率y ，它与距离x 之间的关系是一条水平直线( 如图2 - 2 ( a ) ) ，y 值的单位为d b k m 或 m b m ，电流变化率的公式为： y 生二生( 2 - 2 ) t 一毛 式中： ，。经对数转换后得到的以毫分贝( m b ) 表示的电流值，转换的关系为： j 1 2 0 1 0 8 1 + k ( 2 3 ) 式中： k 一常数。 可见：y 是实用单位下的电流衰减系数，因为它可通过管道上方一系列葺点上的电 流读数，。而测定获得。它与衰减系数口有一定的关系： y t 8 6 8 6 a( 2 4 ) 当管道防腐层出现破损时，电流会通过破损点流向大地，该点处电流变化率( y 值) l o 第一二章在役输油管道防腐层检测技术分析 突然增大( 如图2 - 2 ( b ) ) ，由此可以判断管道防腐层的异常位置，即防腐层的破损点位 置。 ( - h i ) 距离( - ) 图2 - 2 ( a ) 正常防腐层的电流衰减曲 衰减系数a ，它与管道的电特性参数r 、 知：口及y 是如下各参变量的函数，即： 图2 - 2 ( b ) 防腐层缺陷的电流衰减曲线 g 、c 、l 密切相关，由数学物理分析可 y 一8 6 8 6 a = f ( f ，r ，g ，c ，) 2f ( 中，p , p ，f ，r ，r s ，c ，l ) ( 2 - 5 ) 式中： 尺一单位管长的纵向电阻，单位为q m ： g 一横向电导，单位为1 ( q m ) ，它的倒数是横向绝缘电阻，它是防腐层好坏的重 要标志； 滞道与地间的分布电容，单位为z f m ； l 管道的自感，单位为m h m ； 西管道外径，m i l l ： 尸管壁厚度，m m ： p 一管道钢材的电阻率，它是可测知的常数，o m ； ，一频率，单位为h z ； r 一防腐层绝缘电阻，q m 2 。 防腐层绝缘电阻r 是指单位面积防腐层法线方向上的电阻。当管道直径为中时， 管道一平方米上的绝缘电阻r 为： 心一詈 ( 2 _ 6 ) 1 l 电漉变化军 两安l i 油大学硕十学位论文 可见：横向电导g 能反映防腐层状况的信息量一防腐层绝缘电阻，也叫管地绝缘电 阻。 公式( 2 5 ) 表明g 是口及y 函数的一个参量，根据管一地回路等效电路理论，已知 口的函数为【l ： 孙2i ( r g - - ( 0 2 工c ) + ( r 2 + 1 0 2 f f x g 2 + 2 c 2 ) ( 2 - 7 ) 进一步化简： 口- - 2 ( r g 一珊2 工c ) + 如瓦磊甄万孑巧 ( 2 8 ) 式中； 一测试角频率，在国际单位制中，角频率的单位也是弧度秒，与频率的关系是： 珊- 坷 ( 2 - 9 ) 式( 2 培) 中，g 包含着能反映防腐层状况的信息量一防腐层绝缘电阻，当由( 2 2 ) 和( 2 4 ) 式计算出的衰减常数口后，该横向电导g 即可被求出。解公式( 2 8 ) 中g 的 一元二次方程得到： g 。丝! 竺：墨：竺至：丝! 竺兰至竺：! 兰= 垫：墨= 竺：丝 ( 2 1 0 ) i 一 - i ， t o r 将公式( 2 1 0 ) 代入公式( 2 。6 ) 就得到了最终需要的防腐层绝缘电阻( r 。) ： r 。竺竺! (2z 1 1 ) 一2 口口2 r 2 + 珊2 r 2 l c + a2 2 r + 4 r c 一2 a 2 r m 2 r l c 由于得到的防腐层绝缘电阻( r ) 的值比较烦琐，还可以采用近似值求解，即将 公式( 2 7 ) 中等式右边的两项假设相等： ( r g 一甜2 l c ) - ( j r 2 + n ，2 l ：x g 24 - 0 ) 2 c 2 ) ( 2 1 2 ) 可以得到： 口2 - ( r g 一2 l c ) ( 2 1 3 ) 进一步简化可以得到： n - | 、( r g - o j 2 l c ) ( 2 1 4 ) 根据公式( 2 1 4 ) 和( 2 6 ) 可以得到r 。的解： r l z 沼 将y 。8 6 8 6 a 代入( 2 1 5 ) ，即用电流变化率l ，来代替口表示只： 哎一击 协 根据公式( 2 1 6 ) 表明计算出y 还不够，还需要知道相应的电阻r 、电容c 、电感 l 等参量才可以计算出绝缘电阻r ，的值。然而，在生产实际中，电阻r 、电容c 、电 感l 的值一般很难直接求得。 第二章在役输油管道防腐层检测技术分析 2 1 2 管一地回路电容c 、回路电感l 、回路电阻r 的确定 从公式( 2 1 6 ) 得知，要确定防腐层的绝缘电阻，只测得电流变化率l ，是不够的，还要 确定管一地回路中电阻尺、电容c 、电感，如何判定这些参数对绝缘电阻的求取至关 重要。在通常情况下，电阻r 、电容c 、电感与所传输的电压和电流的大小无关， 而只取决于回路的结构，材料的电特性和传输频率等，通过这些数据就可以间接求得电 阻尺、电容c 、电感。利用电磁场理论，通过对纵向电导e ，和切向磁场h 。的分析 得到管道的电阻r 和电感l 的计算公式；通过欧姆定律得到电容c 的计算公式l 矧。 a 回路电容c管一地回路电容是指会属钢管与地之间构成地耦合电容值，它只与 管道的结构尺寸及防腐层材料的介电常数有关。设金属管道的内径为r l ，外径为吃，涂 覆防腐层后，管道半径为，则管一地电容c 是指从到之间的耦合电容。 ( 2 1 7 ) 其中介电常数为表征防腐层介质极化强度的宏观质量。介电常数也称电容率或相 对电容率，用于衡量绝缘体储存电能的性能。它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时 的电容( 量) 与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容( 量) 之比。介电常数代表 了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越 强。介电常数通常随温度和介质中传播的电磁波的频率而变。， b 回路电感l在管一地回路中，由于地中传输的电流是分散的和微弱的，因而， 地电流对金属钢管部构成互感。因此，在一般情况下，该回路中的电感l 就是指金属钢 管本身的内电感即自感。 工i 羔( 月2 , 。r a o t t od 2 研) 、， ( 2 1 8 ) k 为涡流系数，盯为电导率，在国际单位制中，电导率的单位是西门子米。电 导率是电阻率的倒数为，即：仃- 1 p ， 电导率是表示物质导电性能的物理指标。电导 率越大则物质导电性能越强，电阻就越小，反之导电性能越差，电阻越大。电阻率是长 度为1 米，横截面积为1 平方毫米的导线的电阻值，单位是q m m 2 m ；电阻率与材料性 质有关，通常取在2 0 度时的电阻率。公式( 2 1 8 ) 就是管一地回路中电感的计算式。 c 回路电阻r管一地回路中纵向电阻r 是由两部分组成的：一方面是金属钢管的 内电阻r ，一部分是土壤的内电阻r j 。利用电磁场理论，得到管道电阻r 的计算公式 辨 f 坐嗉 c 珂安彳i 油大学硕十学位论文 如下： r - 赤，差( ( 2 1 9 ) 管一地回路中，纵向阻抗r 的另一部分为土壤内电阻足。电流在地中的分布除了和 地的电学性质一电阻率和介电常数有关外，同时还和电流的频率有一定的关系。然而， 构成大地的介质是高度色散的物质，即使对于相当简单的几何条件，电磁波与大地相互 作用也可能是极其复杂的。为了简化问题，在埋地管道检测时可以忽略土壤介电常数的 影响，而只考虑电阻率的影响。因此大地的内电阻就可以考虑为两项因素共同作用的结 果：一是电阻率，一是角频率。于是把大地内电阻分成两部分：一部分是直流电阻，一 部分是交流电阻，前者与电阻率有关，后者与频率有关。 在直流激励时，大地的传输阻抗表现为r ，且r 与大地的电阻率成正比，即直流电 阻r - g , o ，其中k 是一个与长度有关的因子。在交流激励时，交流电阻表现的是频率 因素的影响，这一过程非常复杂，仅借用广泛用于电力传输理论的“卡松线路”来模拟。 卡松线路是模拟交流电一线一地传输电路的等效模型线路，其中大地的等值电阻用卡松 的经验公式来计算，结果为9 8 7 f x l 0 。7 ( q m ) 。因此，大地内阻的最后计算方法是： 足一印+ 9 8 7 fx 1 0 。7 ( q m ) ( 2 2 0 ) 管一地等效回路的电阻r 便可由( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 来求得： 矗一面1 差+ 印+ 9 8 7 ，x 1 。o 册) ( 2 - 2 1 ) 综上所述，计算防腐层绝缘电阻时所需要的直接数据是管地电阻、电感、电容的值， 这些值并不是直接得到，而是间接的通过电阻率、电导率、介电常数、管道的内径、 外径、半径为、管道材质等数据来判定。大多数情况下管道的尺寸、防腐层的厚度 可以测得，然而对于电阻率、电导率、介电常数等这些必需的相关参数通常情况下需 要按经验指定。 按经验指定的电阻率、电导率、介电常数等必需的相关参数再结合管道材质、管 道外径、壁厚、输送介质、防腐层类型等数据应用h i p c m 地下管道腐蚀检测评价系 统进行处理，从而计算出绝缘电阻的大小。 1 4 第一二章在役输油管道防腐层检测技术分析 2 1 3 相关参数的确定 对于电阻率、电导率、介电常数等相关参数的确定，只需要将相关管材、输送介 质的名称以及防腐层的类型输入f e - 呻c m 地下管道腐蚀检测评价系统，程序已经根据 经验设置好电阻率、电导率、介电常数等相关参数( 参见图2 3 ( a ) ( b ) ( c ) ) 。 图2 - 3 ( a ) 2 0 号钢的电导率及磁导率 图2 - 3 ( b ) 油的电导率、磁导率及国土的电阻率 两安7 i 油人