从内检测结果谈细节对海底管道服役性能的影响

杨敬红, 徐永振, 吴秋云, 张敬安, 郑 辉, 赵铭文

(1. 中海油田服务股份有限公司物探事业部, 天津 300451; 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津300452)

海底管道是海洋石油和天然气输送的重要工具,海底管道服役期内的完整性关乎石油和天然气的安全输送。海底管道在设计、预制和铺设施工等阶段中工序繁多, 细节的处理得当与否直接会影响管道的状态完好与否, 对细节处理的疏忽会对管道防腐涂层、防水性能等造成轻微伤害。在海洋服役环境中, 轻微的伤害会发展成为防水失效、保温层进水,进而造成保温失效和腐蚀等现象, 影响了管道的服役性能和完整性。

对海底管道实施腐蚀缺陷内检测是保证海底管道完整性的一个重要环节。通过对检测所得结果进行分析, 可以了解管道钢管的腐蚀发展情况、管道壁的剩余强度以及剩余寿命, 这对于制定管道的维护维修计划具有指导意义。将检测结果与管道的建造记录、运行记录和服役环境等相关数据进行参照研究, 则可以获得管体腐蚀缺陷的发生原因、发展趋势等信息, 这可以为管道设计、建造和选择缓蚀措施等提供借鉴。

1 方法

通球内检测技术是一项比较成熟的管道缺陷检测技术, 不同的内检测工具可以检测管道上存在的金属损失型腐蚀、管体变形、裂纹等缺陷。管道内检测、基于检测数据的管道风险评估(Quantitative Risk Assessment, QRA)、基于风险的检测计划(Risk-Based inspection, RBI)等完整性管理(Integrity Management, IM)手段已被一些大型石油公司广泛应用, 管道内检测已成为管道完整性管理的重要一环。

漏磁内检测器是基于磁通量在钢管壁中传导、接收原理而设计的一种管道内检测器。其检测器结构原理如图 1所示。通过对检测器所记录数据的解析, 即可获得管道该处的腐蚀缺陷参数。由于检测精度和置信度的原因, 当前的漏磁检测器只对腐蚀深度超过管道壁厚 10%的金属损失型腐蚀缺陷(metal loss corrosion)进行报告。

2 管道基本情况介绍

该管道 2007年投产, 截至内检测实施时, 已服役4 a。管道内部所输送的介质主要为天然气, 并含少量原油。管道长度14 km, 全程为单层保温配重管,管道各层由内至外依次为输送管钢管、防腐层、保温层、夹克管、配重层(图 2), 管道各层的相关参数见表1。

在海底管道预制时, 其两端分别预留一定长度的裸钢管(图 3), 在海上铺设施工时, 现场接头的处理方式为: 裸管端进行组对、焊接, 焊接完成后在裸露的钢管外缠绕热缩带(heat shrinkable belt)作为防腐层(图 4); 热缩带缠绕完成后, 两侧混凝土配重层所形成的空间由玛蒂脂来填充; 玛蒂脂成型所用的模具由筒状铁皮做成, 用铁丝紧固、保持形状。现场接头完成后, 其剖面如图5所示。

图1 漏磁检测原理示意图Fig. 1 Schematic principle of magnetic flux leakage

图2 单层保温配重管截面示意图Fig. 2 Schematic cross section of single layer insulation pipe

表1 管道各层的相关参数Tab. 1 Parameters of pipe layers

图3 预制完成的海管Fig. 3 Fabricated pipeline

图4 现场焊接完成后热缩带防腐Fig. 4 Field joint corrosion protection with heat shrinkable belt

图5 管接头剖面图Fig. 5 Profile of pipeline joint

3 海底管道内检测结果

3.1 检测数据

检测结果表明, 管道全程共有64处深度超过管道壁厚10%的金属损失型腐蚀缺陷。对这64处腐蚀数据进行了仔细筛查, 发现只有 4处为管道外壁腐蚀, 其余均为管道内壁腐蚀且腐蚀深度小于管道壁厚的30%。而恰恰是这少数的管道外壁腐蚀缺陷, 其腐蚀深度排在所有腐蚀的前列, 且均明显超过管道壁厚的 60%, 深度最大者达 88%, 已经超出可接受的管道腐蚀缺陷深度[1-2], 属于第五级腐蚀[3]。这 4处外腐蚀缺陷的相关参数见表2。

表2 4处外腐蚀缺陷相关参数Tab. 2 Parameters of four external corrosion defects

3.2 腐蚀缺陷的规律

通过对检测数据和实际腐蚀缺陷的对比研究,发现如下规律: (1)对比腐蚀长度和腐蚀宽度数据(表2)可知缺陷外形均为环向缺陷; (2)缺陷距离焊缝的距离相似, 3处腐蚀缺陷距最近焊缝的距离分别为40,38, 38 cm(表2和图6、图7、图8, 其中3号缺陷由于海上回收时切割的原因, 其距离管端的距离只残余30 cm左右); (3)缺陷位置与夹克管端和防水帽结合区重合(图9和图10); (4)除4号缺陷外, 外腐蚀缺陷位置均位于管道截面的下部(表2中的腐蚀缺陷点钟位置)。

4 腐蚀缺陷现象的原因分析

图6 1号腐蚀缺陷位置简图和实际照片Fig. 6 Schematic and actual pictures of No. 1 defect

通过研究腐蚀缺陷的位置及其形态, 可以将 1号、2号和 3号缺陷其腐蚀类型基本归为“补口腐蚀”[4]。其腐蚀机理可总结为: 管接头处的“补口”失效致使海水进入管接头处(补口失效进水并不一定导致腐蚀, 管端的裸钢管完好就是一个明证), 进入接头的海水与涂层微小缺陷处暴露的钢管发生接触,导致该微小缺陷处暴露的钢材发生腐蚀并在涂层下向周围扩展, 最终导致涂层下发生严重的坑蚀, 腐蚀产物的膨胀所产生的作用力也最终将涂层剥离钢管。海水进入管接头的途径主要有两条, 一是从热缩带和防水帽与管道黏合处的缝隙进入, 二是从防水帽与夹克管搭接区域的缝隙和破损处进入(图9和图10)。

图7 2号腐蚀缺陷位置简图和实际照片Fig. 7 Schematic and actual pictures of No.2 defect

图8 3号腐蚀缺陷位置简图和实际照片Fig. 8 Schematic and actual pictures of No.3 defect

图9 焊缝至夹克管端实测距离照片Fig. 9 Length of weld line to jacket end

图10 管道接头进水的实际照片Fig. 10 Pictures of joints water inflow conditions

而 4号腐蚀缺陷情况稍有不同, 主要是因为牺牲阳极铜导线脱落后, 在钢管焊点处残留了铜, 从而发生了电偶腐蚀所致(图11)。图11中a, b分别为牺牲阳极在管道对称两侧的两个焊点, 通过对比可以看出, 未残留铜的一侧焊点暴露的钢材几乎没有腐蚀, 而残留铜的一侧则发生了明显的加速腐蚀,出现蚀坑。

通过对上述腐蚀缺陷位置、涂层形貌、管接头进水等现象的分析, 并参照管道预制工艺记录和海上铺设施工记录加以印证, 归纳出导致以上腐蚀现象原因和条件有以下几点: (1)涂层与钢管的结合力低。从图6a和图8a中的照片可以看出, 在腐蚀坑周围的涂层已经发生了明显的翘曲和剥离。文献[5]表明 FBE涂层对钢材有非常好的附着力, 但是其对钢材的表面缺陷也很敏感, FBE涂层对钢材表面处理要求为 NACE第二类近白色金属表面[6]。数量极少的未达标管道表面, 会影响涂层在钢管表面的附着力, 这在管道回收后的破拆过程也得到了验证: 绝大多数涂层附着良好, 但也有极少数涂层却可以从钢管上完全剥离(图12)。(2)预制工艺过程对涂层局部造成轻微伤害。除电偶腐蚀造成的外腐蚀缺陷外,其余 3处外腐蚀缺陷距离焊缝的距离十分接近, 而且这一距离与夹克管端头到钢管端头的距离重合;另外 3处外腐蚀缺陷均为环向腐蚀。分析管道保温层的发泡工艺(图13)可以发现: 在偶然情况下, 作为夹克管两端挡板的金属法兰盘会对钢管上的涂层造成冲击, 这种冲击会对耐冲击性能低[5]的 FBE涂层造成轻微损伤, 而且这种损伤必然是沿着法兰盘与钢管接触的弧面分布的; 在管道铺设过程中发生弯曲时, 背弧面涂层中的拉应力会加剧这种损伤[7]。这是 3处外腐蚀缺陷发生在管道底部的原因。(3)以上所阐述的内容是涂层下的腐蚀缺陷在管道外壁环向发生、发展的直接诱因, 除此之外, 腐蚀的发生还需要具备外部条件即管道接头进水。在管道接头具有良好的防水效果时, 即使管道涂层存在着轻微缺陷,腐蚀也不具备发生的条件。一旦防水失效, 海水与管道接触, 则在涂层的缺陷处就具备了腐蚀发生的所有要素, 腐蚀的发生就顺理成章。

造成管道接头进水的原因是多方面的: (1)玛蒂脂填充失效; (2)热缩带与管道结合不良、存在间隙,海水渗入; (3)防水帽破损, 海水直接灌入; (4)防水帽与夹克管结合不良、存在间隙, 海水渗入等。其中主要原因当是热缩带和防水帽与钢管和夹克管之间的粘结力弱、结合不良。玛蒂脂失效和防水帽破裂则是在偶然外力的情况下发生。

图11 电偶腐蚀造成的缺陷照片Fig. 11 Defects resulted from galvanic corrosion

图12 受到冲击后涂层脱落Fig. 12 Coating peeled off resulted from impact

图13 保温层发泡工艺示意图Fig. 13 Schematic of PU foaming model

影响热缩带和防水帽与钢管和夹克管之间的粘结力的因素主要有以下几方面: (1)热缩带和防水帽里层含胶量; (2)热缩带和防水帽烤制时钢管自身的预热程度; (3)预制和海上施工时的环境温度。当含胶量较低时, 热缩带和防水帽与钢管之间就没有足够的胶液来粘结二者的界面。较低的环境温度和管体预热温度, 都不利于熔融的胶液与管体的充分结合,如冬季预制的管道, 则其防水帽与管道的结合效果比高温天气下预制的效果要降低。海上安装施工的季节和环境温度会影响现场管接头热缩带防水的效果。施工记录表明该管道的安装时间为前年11月份至次年3月份, 即其主要施工时间为冬季。恶劣的海上低温环境, 对热缩带的使用效果产生了不良的影响。

5 结论和建议

管道接头是海底管道系统的薄弱环节, 由于海底管道服役环境的复杂性和恶劣性, 设计、预制和铺设施工过程中的细节上的任何疏忽或不当, 都会给管道留下后患、对其服役性能产生严重影响。本文通过对海底管道实际发生严重外腐蚀的现象的研究,提出以下建议: (1)在海底管道接头的设计中, 从短期成本和长远效益的角度, 注重对热缩带和防水帽等关键材料的选择, 以确保其与管道的结合效果和防水效果。(2)在设计计算中, 考虑钢管与防腐涂层结合力、两种材质应力应变性能差异等对防腐蚀涂层完整性的影响。(3)在管道表面预处理、储存、转移和预制过程中, 充分筛查可能影响管体和涂层安全、质量的各种偶然因素, 改进工艺细节, 确保涂层完整。(4)严格控制施工环境条件尤其是温度条件,确保各工序的最后环节满足质量控制的要求。

[1]SY/T10048-2003, 腐蚀管道评估的推荐作法[S].

[2]DNV RP F101-2004, Corroded Pipelines[S].

[3]SY/T 6151-1995, 钢质管道管体腐蚀损伤评价方法[S].

[4]陈向新.长输管道外防腐补口技术[J].油气储运, 1995,14(5): 59-62.

[5]皮博迪 A W, 比安切蒂R L.管线腐蚀控制[M]. 吴建华,许立坤, 译. 北京: 化学工业出版社, 2004: 15-18.

[6]NACE RP 0190-1995, External Protective Coatings For Joints, Fittings, And Valves On Metallic Underground Or Submerged Pipelines And Piping Systems[S].

[7]Guan Shiwei W. Challenges and new development in pipeline coating technology [J]. PMPipeliner, 2011,7(4): 36-47.