董紹華¹ 王東營² 董國亮³ 費凡²

1 中國石油大學(xué)（北京）

2 中石油北京天然氣管道有限公司

3 昆侖能源有限公司 

摘要：內(nèi)腐蝕的直接評價（ICDA）是用于評價通常輸送干氣、但可能短期接觸濕氣或游離水（或其他電解液）的輸氣管道完整性的系統(tǒng)方法，適用于對于不能開展內(nèi)檢測的管道，其包括四個步驟，預(yù)評價、間接檢測、直接檢測、后評價，ICDA 評估管道水聚集和內(nèi)腐蝕的可能性，從而找出首個最有可能的腐蝕區(qū)域位置，如果這個區(qū)域位置通過驗證沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕，則其他下游部位則可能出現(xiàn)水聚集或腐蝕的可能性很小。本文提出了ICDA的步驟和方法，對陜京天然氣管道一線陜西段馬場閥室至金雞灘閥室段進(jìn)行了ICDA評估，評價管道全長52.09公里，按照冬夏季輸量不同，計算得出了臨界角冬季為4.36o，夏季數(shù)量是為2.05o，分析沿線高程數(shù)據(jù)，得出全線傾角分布圖，選擇多個傾角（大于臨界角）較大的高風(fēng)險區(qū)域位置開挖，發(fā)現(xiàn)管道無明顯壁厚減薄，管道狀況良好。通過內(nèi)腐蝕評估可進(jìn)一步確定管道的內(nèi)部狀況，對于不能實施內(nèi)檢測的管道安全狀況評估具有重要意義。

關(guān)鍵詞：管道  內(nèi)腐蝕  臨界角  直接評估  完整性 

1.  概述

油氣介質(zhì)具有易燃、易爆的特性，隨著輸送管線埋地時間的增長，由于管道材質(zhì)問題或施工期間造成的損傷，以及管道運行期間第三方破壞、腐蝕穿孔、自然災(zāi)害、誤操作等因素造成的管道泄露、穿孔、爆炸等事故時有發(fā)生，直接威脅人身安全，破壞生態(tài)環(huán)境，并給管道工業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

經(jīng)統(tǒng)計表明，管道內(nèi)腐蝕造成的事故比重占50%以上，內(nèi)腐蝕評估最有效的方法是通過管道內(nèi)檢測器檢測出腐蝕缺陷，但由于其特點是管道段落必須具備可檢測性，對于不具備內(nèi)檢測的管道，開展管道內(nèi)腐蝕直接評估，也是管道完整性評估方法之一，其目的是通過物理建模，分析游離水的吸出位置，找出管道內(nèi)部最危險的區(qū)域，進(jìn)行開挖驗證后，再逐步進(jìn)行腐蝕性評估。

 本文闡述了干氣內(nèi)腐蝕直接評估的方法步驟，明確了DG-ICDA干氣內(nèi)腐蝕直接評估方法廣泛應(yīng)用范圍，即對于輸送干氣管道，短時間內(nèi)存在游離水、試壓水的析出，同時氣質(zhì)在一段時間內(nèi)水露點超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，該運行條件下可能引起管道內(nèi)部腐蝕，依據(jù)干氣管道腐蝕直接評估的特點，在陜京管線高程起伏山區(qū)段得到應(yīng)用，取得良好效果，開挖結(jié)果表明，評估結(jié)果準(zhǔn)確，陜京管道評價段未發(fā)現(xiàn)腐蝕跡象，其狀況表現(xiàn)良好。 

2 干氣管道ICDA直接評估技術(shù)

干氣管道內(nèi)腐蝕的直接評價（ICDA）是一個評價通常輸送干氣、但可能短期接觸濕氣或游離水（或其他電解液）的輸氣管道完整性的結(jié)構(gòu)性方法。通過局部檢查電解質(zhì)（如水）最易積聚的管道沿線的傾斜段，可了解管道其他部分的情況。如果這些位置沒有腐蝕，那么其下游管段積聚電解液的可能性就更小，因此可以認(rèn)為沒有腐蝕。不需要檢查這些下游管段。

內(nèi)腐蝕最有可能出現(xiàn)在最易積水的地方。預(yù)測積水位置可以作為進(jìn)行局部檢查優(yōu)先級排序的方法。預(yù)測最易積水的位置，需要有管內(nèi)多相流特征方面的知識。ICDA方法適用于管道任意兩個進(jìn)氣點之間的管段，除非有新的輸入或輸出氣體改變了液體進(jìn)入的可能性或流動特性。

在預(yù)測有電解液積聚之處要進(jìn)行局部檢測。對于大多數(shù)管道，估計需要進(jìn)行開挖檢查和進(jìn)行超聲波無損檢測，以測定該處的剩余壁厚。管道某處一旦外露，可采用內(nèi)腐蝕監(jiān)測法（如掛片、探針和超聲波傳感器）進(jìn)行檢查，這種方法可以使運營公司延長再檢測的時間間隔，并有利于對最易發(fā)生腐蝕的部位進(jìn)行實時監(jiān)測。某些情況下，最有效的方法是對部分管段進(jìn)行內(nèi)檢測，并利用檢測結(jié)果對下游清管器不能運行的管段進(jìn)行內(nèi)腐蝕評價。如果最易發(fā)生腐蝕的部位檢查發(fā)現(xiàn)沒有受損，則可保證該管道的大部分完整性良好。

ICDA流程圖如圖1所示（同時也考慮了可積聚液體的其他管道部位）：

 

 圖1 ： ICDA評估流程圖

2.1 預(yù)評價

預(yù)評價確定ICDA是否適用于評價管道的內(nèi)腐蝕情況。ICDA方法適用于通常輸送干氣、但可能短期接觸濕氣或游離水（或其他電解液）的輸氣管道。預(yù)評價要求對設(shè)施進(jìn)行描述，并收集有關(guān)操作和檢測（包括管道破壞和修補(bǔ)）的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)。

如果可以證明某一管段從未有過水或其他電解液，那么該處的下游直到下一個進(jìn)氣點之前的管段，都不必進(jìn)行ICDA。如果經(jīng)ICDA發(fā)現(xiàn)整條管道都有嚴(yán)重的腐蝕，對該條輸氣管道，ICDA就不適用，應(yīng)采用內(nèi)檢測或水壓試驗之類的其他完整性評價技術(shù)。 

2.2  局部檢查點的選擇

內(nèi)腐蝕損傷最有可能出現(xiàn)在水最先積聚的地方。預(yù)測積水位置是確定局部檢查點的主要方法。根據(jù)多相流計算，可預(yù)測積水位置，多相流的計算又取決于包括高程變化數(shù)據(jù)在內(nèi)的幾個參數(shù)。ICDA適用于新輸入量或輸出量改變環(huán)境之前的任何管段。只有在電解液存在時，才有可能腐蝕，腐蝕的存在又表明在該處有電解液。應(yīng)當(dāng)注意：沒有腐蝕并不表明沒有液體積聚。對于氣流方向定期改變的管道，在預(yù)測水積聚的位置時，應(yīng)考慮氣流的方向，也就是說，液體可能在進(jìn)氣點的任何一側(cè)或兩側(cè)積聚。

輸氣管道中液體含量較少時，電解液一般呈膜狀或滴狀形式存在。膜狀流動被視為主要輸送機(jī)理，因為大多數(shù)時間輸氣管道通常都輸送干氣，預(yù)計水滴會因良好的傳質(zhì)條件而蒸發(fā)。在含不飽和水的氣相中，估計水滴會蒸發(fā)。流動氣體產(chǎn)生的剪應(yīng)力和管道傾斜產(chǎn)生的重力致使薄膜沿管道流動。在重力大于剪應(yīng)力作用時，會發(fā)生水滯留。通過多相流的計算，可以預(yù)測電解液積聚的管道臨界角度。

 

    傾斜角通常以角度給出，高程變化也給出，傾斜角的SINE值即通過距離和高程的變化得出：

                                 （1）

傾斜角可計算出：

                        （2）

 

穩(wěn)流流體模型是模擬水聚集的關(guān)鍵參數(shù)，為了將模擬的結(jié)果，使用一個表達(dá)式，一個改進(jìn)得到FROUDE（弗羅德）參數(shù)F被推薦（代表重力與慣性應(yīng)力作用在流體上單位面積上的比）

                      （3）

                       （4）

                      （5）

                      （6）

和是液體和氣體密度，g 是重力，是氣體速度，θ是傾斜角，管道內(nèi)徑，氣體的密度由壓力和溫度確定，在角度小于0.5時關(guān)鍵的Froude參數(shù)經(jīng)計算是0.35
（有0.07的誤差），在角度大于2度時，F是0.56（有0.02的誤差），在角度大于0.5小于2時，多相流是層流到紊流的轉(zhuǎn)變，F在這個轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)線形插值。

壓縮因子Z被用來計算氣體密度。

                               （7）

      P是壓力、V是體積、R是常數(shù)、T是溫度，對于氣體標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，Z是缺省值為0.83.

氣體密度：

                          （9）

式中MW 為氣體的分子量；P 為管道內(nèi)壓力，MPa；R 為理想氣體常數(shù)，8.314J•K•mol；T 為管道內(nèi)溫度，K。

 

       操作壓力下的流速：

                               （10）

  

表觀氣速：

                  （11）

臨界角：

 

                （12）

其中參數(shù)見前面。

    流體模擬結(jié)果可用來預(yù)測水開始積聚的位置，如果水是被輸入到管道內(nèi)部的，水積聚在管道上坡的位置，這是因為剪應(yīng)力與重力達(dá)到平衡， 對小范圍區(qū)域管道明顯特征（如，穿路段）而言，水的積聚將產(chǎn)生在短的上坡區(qū)域段，因此需要指出的是這段需要檢測和檢查。在有大的高程起伏的區(qū)域，管道經(jīng)過高山和陡坡地段，這里氣體流速是變化的，在這段內(nèi)確定液體積聚的位置更加困難。

    傾斜角與水積聚的臨界角對比可通過流體模型得出，第一個傾斜角要比水首次積聚的臨界角大得多，與其他管長范圍內(nèi)的區(qū)域相比，這個位置最可能是遭受腐蝕的區(qū)域，電解液首次積聚的地點被識別出來。

 

2.3  局部檢測

要在電解液最有可能積聚之處進(jìn)行局部檢測。對于大多數(shù)管道，往往要求開挖，并采用超聲波壁厚測定法進(jìn)行檢查。這些方法和其他監(jiān)測方法可以用于局部檢測。某些時候，腐蝕監(jiān)測方法（如試片或電子探針）也可作為局部檢測方法。

如果最有可能腐蝕的位置經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)腐蝕，則可保證大部分管段完整性良好，這就可以把資源集中用于更有可能產(chǎn)生內(nèi)腐蝕的管道上。如果發(fā)現(xiàn)腐蝕，對管道完整性的潛在危險得到確認(rèn)，則可采取減緩腐蝕的措施。這也說明這種方法是有效的。

 

2.4  后評價

后評價的作用是驗證對特定管段進(jìn)行ICDE的有效性，并確定再評價的時間間隔。傾斜角度大于電解液積聚臨界角的管段，運營公司必須在預(yù)測有水積聚地點的下游位置，再進(jìn)行一次或多次開挖。如果最有可能腐蝕的部位，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)腐蝕，則可保證管道的大部分管段完整性良好。如果在管道傾斜角度大于電解液積聚臨界角的地方發(fā)現(xiàn)腐蝕，則應(yīng)對電解液積聚的管道臨界傾斜角度進(jìn)行重新評價，并另選幾處地方進(jìn)行局部檢測。

 

3、ICDA 應(yīng)用案例

3.1 算例1

     某天然氣運行管線，管道外徑30寸/76cm，壁厚0.328’’/8.33mm，內(nèi)徑29.344’’/74.5cm，管道走向由北向南，流量是雙向的取決于用戶需求，過程邊界條件見圖6-45所示，壓力和輸出是變化的，但最大量是已知的，最高壓力是442psi/3.05MPa，這個壓力要在計算液體最大積聚臨界傾斜角時使用，最高流量是從北到南方向每天490Km³/h，最高流量是從南到北方向每天/145Km³/h，溫度是常溫55F/13攝氏度，使用改進(jìn)的FROUDE公式計算臨界角與流量的關(guān)系，最大壓力圖計算的臨界角和流量的關(guān)系圖顯示在圖5中。從這個結(jié)果圖中，發(fā)現(xiàn)由北向南輸送的最大流量的臨界角是8度，相應(yīng)的由北到南的臨界角是0.4度。

 

                        

圖5：臨界角與輸出流量的關(guān)系

 

管道走向高程剖面由手持GPS確定，確定管道的埋深，高程剖面在圖6中顯示，相對于其他點最北的點設(shè)置為零，從高程剖面圖可以看出，計算出傾斜剖面圖傾斜角，在雙向與最大臨界角相比較，圖7為結(jié)果的描述。

 

圖6： 高程剖面圖

 

圖7  計算的高程傾斜角剖面

對于從北向南的流量，向上的傾斜角數(shù)據(jù)顯示在圖8之中，與8度的點劃線相對比，立刻表明，第一個44feet/13m包含的傾斜角要比臨界角大得多，在所有可能的速度和壓力下要積水（按最大壓力和速度確定），沿著管段常溫下，水將積聚在第一個上游位置，當(dāng)充滿上游位置向下繼續(xù)向下游流動，腐蝕最可能發(fā)生在44 feet/13m處，該位置表現(xiàn)的沒有腐蝕現(xiàn)象證明了腐蝕不可能在下游發(fā)生。

 

                     圖8  氣體從北到南流動 傾斜角剖面

即使腐蝕現(xiàn)象發(fā)生在44 feet/13m的位置，或如果在入口溫度不為常數(shù)，下一個位置大于臨界角8度，位于大約3840 feet/1170m點處，如果沒有腐蝕在該位置出現(xiàn)，那么下游腐蝕是不可能的發(fā)生的。然而，管道承受一定的壓力范圍，上游腐蝕問題必須考慮，這是因為在一段時間內(nèi)的增壓和減壓或總流量的增減，在低的臨界角位置處，一次水積聚的腐蝕干擾現(xiàn)象可能發(fā)生。下一個最高的上游角度在2050 feet/625米的位置（3.8度傾斜角），任何液滴到達(dá)這個位置時，可能會積聚也可能會傳輸?shù)较乱粋�位置3840feet/1170m處，在2050 feet/625m位置沒有腐蝕出現(xiàn)則在2050 feet/625m至3840 feet/1170米處是不可能出現(xiàn)腐蝕的。下一個上游能夠積聚水的位置是125 feet/38m處（0.72度傾斜角），任何不能到達(dá)38m處的液滴將被輸送到2050 feet/ 625m處，125 feet /38m處無腐蝕出現(xiàn)則125 feet/38m和2050 feet /625m之間管段不可能出現(xiàn)腐蝕。

對于天然氣流體從南到北，向上的傾斜角用圖9顯示，與0.4度的傾斜角點劃線一起，該線代表臨界角。立刻表明，第一個50 feet/15m（從南部測量23030 feet/7020m）包含的傾斜角要比臨界角大得多，在所有可能的速度和壓力下要積水（按最大壓力和速度確定），沿著管段常溫流下，水將積聚在第一個上游位置，當(dāng)充滿上游位置向下繼續(xù)向下游流動，腐蝕最可能發(fā)生在50 feet/15m處，該位置表現(xiàn)的沒有腐蝕現(xiàn)象證明了腐蝕不可能在下游發(fā)生。

 

圖9  氣體從南到北流動的傾斜角剖面

 

圖10  臨界角與高程剖面圖

即使腐蝕現(xiàn)象發(fā)生在50 feet/15m的位置，或如果在入口溫度不為常數(shù)，下一個位置大于臨界角0.4度，位于大約22525 feet/ 6866m點處，如果沒有腐蝕在該位置出現(xiàn)，那么下游腐蝕是不可能的發(fā)生的。然而，管道承受一定的壓力范圍，上游腐蝕問題必須考慮，這是因為在一段時間內(nèi)的增壓和減壓或總流量的增減，在低的臨界角位置處，一次水積聚的腐蝕干擾現(xiàn)象可能發(fā)生。下一個最高的上游角度在22740 feet/6931米的位置（0.1度傾斜角），任何液滴到達(dá)這個位置時，可能會積聚也可能會傳輸?shù)较乱粋�位置22525 feet/6866m處，從實踐的觀點看，在22525 feet 6866m位置沒有腐蝕出現(xiàn)則在22455 feet/ 6844m至22885feet/ 6975米處是不可能出現(xiàn)腐蝕的。例如，這段使用清管器，430 feet/131米段很容易檢測，然而，通過開挖后使用UT和射線檢測發(fā)現(xiàn)腐蝕的工作較困難，對于水積聚而言，低臨界角位置造成水的積聚依次按順序到充滿以后全部流到下一個位置。

對于一條管道的管段來講，ICDA方法的優(yōu)點是針對在整個長度上不能進(jìn)行內(nèi)檢測的管道進(jìn)行的一種評價，將有限管段的檢測作為整個管段的評價，即使在最有可能發(fā)生腐蝕的位置沒有發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕，管道評價完成，則整個管道的完整性有保證。即使腐蝕在幾個位置被發(fā)現(xiàn)查出，修復(fù)完成后，可能存在的問題將被調(diào)查，完整性也可被保證。即使在所有的位置發(fā)現(xiàn)了腐蝕，在潛在的事故前，對完整性的威脅因素被識別。對于其他評價工具來講，可作為一種優(yōu)化排序管道危險性的方法。

 

3.2 算例2

     以神木分輸站-府谷壓氣站一段為例，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)首先繪制管線高程圖，如下圖11所示，從整段管線高程圖中可以清晰的得到此段管道的高程隨里程的變化趨勢。

 

圖11  神木分輸站-府谷壓氣站高程圖

 

表1  府谷壓氣站-神池輸送數(shù)據(jù)

 

 

              圖 13 府谷壓氣站-神池管段不同月份臨界角和內(nèi)腐蝕敏感位置示意圖

以2011 年為例，取最大臨界角值作為2011 年臨界角，臨界角大于管道傾角的位置即存在積液風(fēng)險和內(nèi)腐蝕敏感位置有62 處，

 

圖 14 高程和坡度與位置關(guān)系（紅色線為此年度的臨界角值，當(dāng)表示坡度的藍(lán)色線

高于紅色線時，表示此處有積聚水的可能性）

3.3 開挖驗證

對于ICDA，尚不能用最嚴(yán)格的定義進(jìn)行直接檢測。這是因為挖掘后通常也不能達(dá)到管道內(nèi)表面，但可以進(jìn)行包括射線、超聲波檢測和腐蝕監(jiān)測等在內(nèi)的多種檢測方法詳細(xì)測試。首先找到上章節(jié)中確定的候選開挖樁，通過實地考察，確定腐蝕區(qū)域中間部分，開挖深坑，將管段3PE 防腐層剝離，采用超聲波探測管段周邊管體情況，分析導(dǎo)波結(jié)果，判斷腐蝕高風(fēng)險點具體位置，然后再次開挖，使用超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚測量。

開挖點選擇F1-0420 樁附近。下面第一幅圖是開挖位置周邊環(huán)境及管段走勢，在一座山的爬坡段。開挖長度為1.5m，除去涂層且使用鋼絲輪清洗工具對管道表面進(jìn)行處理，超聲波測厚網(wǎng)格 5×127，每環(huán)之間相差10cm。相關(guān)人員實測記錄。在選定開挖位置同時，方對F1-0421、F1-0422 樁走勢進(jìn)行了確認(rèn)，和高程數(shù)據(jù)相符。

 

 

                             圖15  檢測位置

 

圖16   壁厚測量網(wǎng)格 

表3  開挖點壁厚測量原始數(shù)據(jù)表

 

確認(rèn)開挖位置管道設(shè)計規(guī)格為Ф660×7.1mm�？紤]到國家標(biāo)準(zhǔn)，壁厚允許存在±15%偏差。因此將測量的每個環(huán)向管體中最大壁厚定義為管道在此環(huán)向的原始壁厚。通過整理上表，得到第1 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.24mm；第2 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.24mm；第3 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.27mm；第4 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.35mm；第5 環(huán)向，壁厚減薄最大為0.39mm。同時對其壁厚減薄率進(jìn)行了計算整理，其中最大壁厚減薄率為5%。

  評估后結(jié)果表明，ICDA 未見腐蝕性異常。

4、結(jié)論

（1）ICDA的優(yōu)點是適用于不能內(nèi)檢測的管道，有限的開挖檢測可對整個管段進(jìn)行評價，如果在最可能發(fā)生腐蝕的點沒有明顯的腐蝕發(fā)生則整個管道的完整性有保證；即使發(fā)現(xiàn)了腐蝕位置，修復(fù)完成后，通過有效性驗證評價確保完整性；即使在所有的位置發(fā)現(xiàn)了腐蝕，也會在潛在的事故發(fā)生前，將完整性的威害因素徹底識別和消除。

（2）如果操作運行環(huán)境全天候變化，氣體輸送量在年、月、日時段內(nèi)均不是常數(shù)，本文按照月平均量計算，給出內(nèi)腐蝕直接評估計算模型，如果其他運行和環(huán)境參數(shù)假設(shè)為常數(shù)，則可給出第一個高于臨界角的管道傾斜角位置，檢測這個位置可確定其他腐蝕可能性較高的部位。

（3）如果操作運行環(huán)境全天侯無變化，在選擇檢測位置時，流量和氣流方向的改變應(yīng)優(yōu)先考慮，確定一個氣體流動速度范圍，通過對最大傾角的上游位置開挖檢測，可充分證明其他位置存在內(nèi)腐蝕可能性。

（4）內(nèi)腐蝕直接評估技術(shù)在陜京天然氣管道成功應(yīng)用，計算了臨界傾角，確定了管道內(nèi)腐蝕狀況，研究表明，對于大氣量（滿負(fù)荷）狀況下的輸氣管道，其內(nèi)腐蝕的可能性大大減少。

（5）分析表明，ICDA方法的精確度在于前期數(shù)據(jù)的收集和分析，特別是高程數(shù)據(jù)的分析，直接涉及傾角的計算，對于選擇低點的開挖點位置非常重要，同時其他數(shù)據(jù)（如氣體流量、溫度、排液、清管腐蝕產(chǎn)物)的物理對齊，對于開挖點選擇也具有重要參考價值。

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