油气管道腐蚀检测技术研究

2016-07-10程福松邱宗君

当代化工 2016年8期

程福松邱宗君

摘要：腐蚀是油气管道常见的失效形式，如果没有及时发现并修复，将导致油气泄漏，处置不当极易引发火灾或爆炸事故。分析油气管道腐蚀成因，研究目前的腐蚀检测技术，了解不同检测技术的原理、使用条件及优缺点，可以为油气管道的生产维护提供依据。

关键词：油气管道；腐蚀；成因；检测技术

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1803-04

Abstract： The corrosion is a common failure mode for oil&gas pipes. If the corrosion is not discovered and renovated timely， oil&gas pipe may leak out and result in fire and explosion. In this paper， reasons of oil&gas pipe corrosion were analyzed， and the corrosion detection technology was studied. The theories， working conditions， merits and drawbacks of different detection technologies were analyzed.

Key words： oil&gas pipe； corrosion； reason； detection technology

管道输送因为安全、经济等特点，是石油与天然气最主要的运输方式。但油气管道大部分都是钢制管道且埋设于地下，不可避免的会受到土壤、地下水、细菌、盐、酸性气体和杂散电流等的影响，从而产生腐蚀现象。由于管道腐蚀穿孔导致所输石油或天然气泄漏，不仅污染环境，造成能源浪费，还将成为严重的安全隐患，一旦遇到火星，可能引燃或者发生爆炸。2013年11月22日发生的青岛输油管道爆炸事件，共造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失75 172万元，事故直接原因是输油管道与排水暗渠交汇处管道腐蚀，导致管壁变薄，管道破裂，原油泄漏，现场处置人员抢修时操作不慎产生火花，引发油气爆炸。油气管道腐蚀是管道安全运行的重大隐患，积极掌握管道腐蚀情况并及时维修，是管道安全运行的必要内容。

1 管道腐蚀成因分析

1.1 差异充气引起的腐蚀

由于氧气分布不均而引起的金属腐蚀称为差异充气腐蚀。油气管道大多埋在地下，土壤的固体颗粒有砂、泥渣和植物腐烂后形成的腐殖土等。土壤颗粒间常用细小的微孔，水和空气可以通过这些微孔到达土壤深层，土壤中的盐类会溶于这些水中，成为电解质溶液。土壤各层各处的含水率并不均匀，在干燥的砂土中，含氧量高，在潮湿的黏土中，含氧量低。氧浓度差可以产生电位差，低氧浓度区管道电极电位较负，充当阳极发生氧化反应使金属腐蚀，高氧浓度区充当阴极发生还原反应。当管道通过含水率不同的土壤时，便有可能形成差异充气腐蚀[1]。对于管径较大的管道，其土壤上部土质稀疏，底部较潮湿，因上下部氧浓度差使得底部作为阳极而发生腐蚀，实际的管道维护中也常发现管道受腐蚀之处多在管子的下部[2]。

1.2 杂散电流腐蚀

杂散电流是指一部分离开了指定导体，在原来不该有电流的导体内流动的电流。它主要来源于电气火车、地下铁道、直流电焊等电源的漏电，油气管道动辄延续几千公里，不可避免要经过这些区域。如电气火车通过顶部的架空线从电站的正极输入直流电，经车厢从地下铁轨回到电站负极。如果路轨间连接不好，地面潮湿，将有部分电流流入地下，通过路轨下的金属管道回到负极。此时路轨下将出现两个串联的大电解池，一個电解池的阳极是铁轨，阴极是地下管线；另一个阳极是地下管线，阴极是路轨，地下管线将发生腐蚀[1]。

1.3 细菌腐蚀

土壤中可参与金属管道腐蚀的细菌有硫酸盐还原菌、铁细菌、中性硫化菌等。当管道因施工不当或植物根系穿透导致防腐层破损时，这些细菌将到达管道表面，使管道发生腐蚀。金属管道在缺氧条件下，难以发生吸氧腐蚀，但可发生析氢腐蚀。土壤中大都含有硫酸盐，当硫酸盐还原菌存在时，将产生生物催化作用，使硫酸盐氧化被吸附的氢，使析氢腐蚀顺利进行，整个反应过程如下：

阳极：4Fe-8e=4Fe2+

阴极：8H++8e=8H（吸附于铁表面上）

SO42-+8H=S2-+4H2O

Fe2++S2-=FeS（二次腐蚀产物）（↓）

3Fe2++6OH-=3Fe（OH）2（二次腐蚀产物）（↓）

总反应：4Fe+SO42-+4H2O=FeS（↓）+3Fe（OH）2（↓）+2OH-

该过程造成金属管道的局部损坏，硫酸盐还原菌即是依靠上述过程释放的能量进行繁殖。

还有些细菌新陈代谢可以产生具有腐蚀性的物质（如硫酸，有机酸等），从而造成管道损伤，有些细菌可以分泌粘液，与土壤形成黏泥粘在管道表面，使其局部缺氧充当差异充电电池的阳极，使管道腐蚀[3]。

1.4 应力腐蚀与疲劳腐蚀

应力腐蚀是指金属在持续性应力和腐蚀性介质的协同作用下发生的腐蚀，其特征是呈现机械裂纹。微裂纹一旦形成，因受力将会很快扩散，在没有明显预兆的作用下造成破坏。应力腐蚀过程一般有孕育期、腐蚀裂纹发展期、裂纹急剧生长期三个阶段，第三阶段裂纹急剧生长将导致管道的破坏。

在周期性应力的作用下，金属材料在远低于极限抗拉强度的条件下形成裂纹的过程称为疲劳。金属疲劳腐蚀还伴随着腐蚀介质的协同作用，两者相互作用产生的影响远大于单独作用的数学加和。疲劳腐蚀主要受频率和管材的影响。有些管道本身因地理迁移而额外受力，若频繁切换流程，导致部分管段应力集中，将形成疲劳腐蚀[4]。

1.5 金属材料不均匀所致的腐蚀

管道在生产与建设过程中，基本不可能做到热处理与表面状况完全相同、成分均匀、不含杂质，因此有电位差存在[2]；而且管道在使用过程中，还会与其他金属构件接触，有些区段会有不同材质新老管材管道相连接[1]，电位低的将会加剧腐蚀。

2 腐蚀检测技术

2.1 超声波法

超声波是频率高于20 kHz的机械波，超声探伤中使用的超声波频率常为0.5～10 mHz，这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的缺陷界面时，就会产生反射、折射和波形转换。超声波法即是利用超声波的这种脉冲反射原理来测量管道壁厚，其原理如下图1所示[5]，将由多探头组成的探头阵列置于管道内，由管道内向管壁垂直发射超声波，超声波到达管壁内外表面时会发生反射，探头将先后收到管壁内外表面反射回来的脉冲F和B，F和B之间的距离即是管壁厚度，当管壁有腐蚀缺陷时，壁厚减薄，d2的距离将减小。因此超声波法可以直接检测管道的剩余壁厚和腐蚀缺陷位置。同时，根据P基波与内壁反射波F的距离d1的变化，可以判断管道变形情况。超声波法不受被测管道壁厚限制，数据比较简单，检测结果较为准确，可直接分辨出内外腐蚀[6]，不受环境因素的影响，但超声波在空气中衰减较快，检测时需要耦合介质，因此在输气管道上的应用受到一定限制，检测时要求管壁表面较平整，输油管道蜡层对检测结果也有影响[7，8]。

2.2 漏磁通法

漏磁通法是利用铁磁材料的高磁导性来进行的，钢管腐蚀缺陷处的磁导率小于正常壁厚处的磁导率，通过外加磁场，将钢管磁化，当钢管无缺陷时，磁力线绝大部分通过钢管，分布均匀；当管壁有缺陷时，磁力线会发生弯曲，部分磁力线泄漏出钢管表面。当线圈在缺陷处切割磁力线时，会有感应电动势产生，探得由其产生的电信号时，即可知管壁存在缺陷[9]。漏磁通法检测器一般由三部分组成，分别为电池模块、传感器模块、仪器模块。漏磁通法结构简单，可覆盖整个管道周边，可以检测到较深的蚀坑甚至是穿孔，受介质中杂质的影响小，检测速度快，费用低，对环境无污染，较适宜中小型管道的检测；但对于管道轴向裂纹的检测有困难，检测信号与缺陷形状有关，有时腐蚀不严重但边缘曲折的缺陷产生的信号比腐蚀严重边缘齐整的缺陷产生的信号强，因此会产生虚假信号，由漏磁通法获得的数据一般需要经过校验才可以采用[10]；检测灵敏度不是很高，管道壁厚越小，检测器探头周向排列越紧密，灵敏度越高[11]。

2.3 涡流检测技术

涡流检测技术是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损的评定导电材料及其工件的某些性能或发现缺陷的无损检测方法。涡流检测技术可分为单频涡流检测技术、多频涡流检测技术、远场涡流检测技术、脉冲涡流检测技术等，其中，远场涡流检测技术主要用来检测管道缺陷[12]。它采用内通过式探头，探头置于管道内，探头由激励线圈和检测线圈组成，两者相差约2倍管道内径。当激励线圈通以低频交流电时，由其发出的磁力线穿过管壁并沿管壁传播，随后再次穿过管壁返回管内，被检测线圈接收。由于检测线圈接收的信号的幅度和相位均与壁厚有关，因此可以测得管壁的厚度，可以用来测量管道的腐蚀缺陷。采用远场涡流检测时，探头与管道内壁不接触，探头外径与钢管内径之间的间隙变化对检测结果的影响很小，检测设备体积小，重量轻，检测速度快，最大检测壁厚可达25 mm，灵敏度高，既可用于输油管道，也可用于输气管道，还可以将检测的数据存入探头，从而实现长距离检测。但远场涡流检测无法判断缺陷是发生在管内壁还是外壁，当管道搁置于支撑板上时磁力线会受到阻挡，使得缺陷信号缺失，同时对于形状复杂的管段检测较难[10，13]。

2.4 声发射技术

声发射是指材料或构件在受力作用产生形变或裂纹时，以弹性波形式释放应变能的现象。声发射技术是通过接收这种弹性波，检测材料或构件是否发生变形和损伤。油气管道在运行过程中，在与其所处环境中的矿物质成分、水、气等接触和反应后，会发生腐蚀。管道本身所输送的介质有一定的压力，周边环境对它也有压力，因此管道是处于一个受力平衡状态。腐蚀发生时，管壁会产生体积性损伤，同时因受力而发生变形，这些因素会释放应变能，产生弹性波，检测设备接收到这种弹性波后，可以输出声发射信号。腐蚀过程中的气体的产生与逸出，腐蚀层的剥离脱落也会产生声发射信号。油气管道在腐蚀过程中，因腐蚀形式和强度的不同，会不断产生不同幅值、频率的声发射信号，通过对这些信号的提取和分析，可以判断油气管道的腐蚀受损状况。声发射技术可用于动态监测，灵敏度高，不受检测环境的约束，检测效率高，应用前景广阔[14]。

目前对声发射信号的采集与处理方式有两大类，分别为声发射信号的参数分析方法和波形分析方法。参数分析方法中声发射信号参数有波击、振铃计数、幅度、能量、上升时间和到达时间等参数。这些参数都有其特定的含义与用途，如幅度表示信号波形的最大振幅值，可用于波源的类型鉴别、强度测量；到达时间表示一个声发射波到达传感器的时间，可用于波源的位置计算。参数分析法简单直观，对声发射仪的要求低，分析速度快，操作简单，是目前主要使用的方法。但在处理过程中，因试验条件、结构材料、选用参数不同，得到声发射源的评价也不同，在表征整个发射源的特征时有一定的偏差。波形分析法通过分析所记录信号的时域波形获得声发射源信息，可通过谱分析方法获得信号的谱特征，从而实现对缺陷的分析。声发射波形分析技术的核心是依据声发射信号的波形来了解声发射源的物理本质，但由于声源一般都比较微弱，信号本身具有突发性，波形分析面临较大难度，如声波性质与不同声发射源的对应，声波在介质中的传播和波形转换问题等[6，15]。

3 总结

油气管道腐蚀是自管道建成即开始面临的问题。管道所处环境复杂，易受周边氧、水、细菌、杂散电流等的影响，还面临管体本身含有杂质、热处理不均、表面状况不同等问题，管道的腐蚀在理论上可以避免，但现实中无法做到，理论上可以控制，但往往很难控制。因此，在充分利用现有技术尽量消除上述因素的基础上，开展腐蚀检测并及时维修是避免发生因腐蚀导致事故的有效手段。超声波法、漏磁法、涡流检测技术和声发射技术在检测管道腐蚀上各有优缺点，在实际使用过程中，应综合考虑管道环境、检测成本、可行性、可靠性等问题，选取合适的方法进行检测；也可以根据各自特点，扬长避短，综合运用，实现管道腐蚀的准确检测，保障油气管道安全运行。

参考文献：

[1] 王书浩，孟力沛，肖铭.秦京输油管道腐蚀机理分析及腐蚀检测[J]. 油气储运，2008，27（2）：36-39.

[2] 崔之健.油气储运设施腐蚀与防护[M]. 北京：石油工业出版社，2009：55-57.

[3] 袁赓.油气管道的腐蚀及预测研究[D]. 大连：大连理工大学，2011.

[4] 王愛芳，任志平. 穿越河流输油管道的腐蚀与防护[J]. 江汉石油学院学报，2004，26（3）：174-176.

[5] 何宏，李琳，江秀汉.管道内腐蚀检测技术进展[J].西南石油学院学报（自然科学版），2001，16（3）：43-46.

[6] 汪文有.管道腐蚀声发射检测[D]. 北京：北京化工大学，2009.

[7] 赵晶.管道腐蚀裂纹超声内检测信号处理研究[D]. 北京：北京化工大学，2008.

[8] 杜晓春，黄坤.埋地管道腐蚀检测新技术[J]. 天然气与石油，2005，23（5）：20-22.

[9] 胡春阳.油气管道特殊部件的漏磁检测技术研究[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2015.

[10] 刘慧芳，张鹏，周俊杰.油气管道内腐蚀检测技术的现状与发展趋势[J]. 管道技术与设备，2008（5）：46-56.

[11] 钟家雄，沈建新，贺志刚.管道内腐蚀检测新技术和新方法[J].管道技术，2003（4）：31-35.