油气管道机械损伤缺陷及其腐蚀原因分析*

王 锋，齐嵩岭，闻亚星，陈金忠，马义来

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100029；2.中国石油青海油田分公司，青海 西宁 810006)

油气管道机械损伤通常是由施工、建造等所致，机械损伤对管道完整性管理和缺陷寿命预测影响很大，是陆地和海上油气管道主要的失效模式之一。机械损伤的缺陷类型一般分为凹坑、划痕及凹坑+划痕[1]。机械损伤可能导致管道瞬间失效，也可能随着时间发生延迟滞后失效。机械损伤缺陷区别于其他类普通缺陷，如果管道本体发生机械损伤且管壁部分产生金属损失，机械划伤部位的管道内外壁都可能发生腐蚀[2-3]。油气管道敷设环境不同和输送介质不同，即土壤环境腐蚀性和输送介质腐蚀性不同，则其金属损失缺陷的腐蚀速率不同。目前，漏磁内检测是一种高效、可靠的识别机械损伤信号的方法，对漏磁数据的有效分析，能准确识别机械损伤信号[4-6]。机械损伤所导致金属损失缺陷的检测、识别和腐蚀原因分析是加强油气管道机械损伤完整性管理的有效途径，是减少事故发生和降低安全管理运行风险的有效方法，亦是保障油气管道安全平稳运行的重要环节。

1 漏磁内检测信号分析与评价

1.1 管道概况及漏磁检测情况

某油气管道敷设在盐碱土壤里，长度50.1 km，管道设计压力6.0 MPa，最大允许操作压力(MAOP)为6.0 MPa，壁厚6.0 mm，材质X52。该管道间隔5 a进行一次漏磁内检测，根据SY/T 0087.5—2016《钢质管道及储罐腐蚀评价标准 第5部分油气管道腐蚀数据综合分析》，依据缺陷距前后焊缝距离、焊缝编号、钟点方位、长宽度等特征对两次漏磁内检测数据进行对比分析[7]，发现不同于普通金属损失的外壁异常漏磁信号。对两处异常漏磁信号点进行完整性评价，两处缺陷无法承载当前工作压力，经开挖验证，对两处缺陷点及时进行补强处理，保证了管道安全运行。

1.2 异常漏磁信号分析

在漏磁内检测数据分析工作中，分析金属损失信号，首先要辨析金属增加信号。根据漏磁信号“极性一致”判读原则，金属损失与金属增加信号是两个相反的信号特征[8-9]。当检测器通过缺陷时，漏磁信号的形状与径向信号强度变化依赖于被检测到的金属损失缺陷的形状与尺寸，对于任何单个金属损失缺陷，检测信号峰的数量和极性是相同的[10-11]。

普通金属增加漏磁信号见图1，异常漏磁信号见图2。径向信号是一个窄长的信号特征，幅值很高，从轴向信号和伪彩图可以看出，轴向信号有很尖锐的极大峰和两个极小峰值；径向信号有正负两个峰值都很尖锐；向信号在一个近似矩形的范围内有两正两负四个峰。根据漏磁信号 “极性一致”判读原则和特殊信号识别原理，异常漏磁信号疑似机械损伤[12-14]。

图1 金属增加信号及伪彩图

图2 异常漏磁信号及伪彩图

1.3 异常漏磁信号评价

对异常金属损失点采用ASME B31G—2012和TSG D7003—2010《压力管道定期检验规则 长输(油气)管道》进行完整性评价[15-16]。ASME B31G—2012依靠金属损失点的长度和深度主要评价缺陷的最大安全运行压力，只考虑内压对管道的影响，不考虑其他载荷的影响。当缺陷的最大操作压力大于管道最大允许操作压力时，表示缺陷不可接受，需要立即维修；当小于管道最大允许操作压力时表示缺陷可接受，考虑计划维修或进行监控处理。通过TSG D7003—2010《压力管道定期检验规则 长输(油气)管道》对异常金属损失进行寿命预测。

对异常金属损失点采用如下方法进行均匀腐蚀速率计算：

式中：RML为金属损失的速率，mm/a；ΔMLd为金属损失深度在Δt时间内的增量，%；WT为管道的壁厚，mm；Δt为该次检测日期与投产日期的时间间隔，a。

剩余寿命预测计算方法如下：

经评价，1号和2号金属损失点最大安全运行压力分别为6.5 MPa和7.8 MPa，最大运行压力大于管道的最大安全运行压力(MAOP)。按照ASME B31G—2012应对两处异常信号点开挖并需要立即维修。通过TSG D7003—2010《压力管道定期检验规则 长输(油气)管道》进行剩余寿命预测，具体金属损失异常信息见表1。由表1可知，1号金属损失点和2号金属损失点腐蚀速率分别为1.03 mm/a和0.56 mm/a，明显高于普通环境下金属损失腐蚀速率，理论计算为外界腐蚀环境不发生变化，剩余寿命分别为0.8 a和 2.5 a。按照QSY 05267—2016《钢质管道内检测开挖验证规范》对异常信号点缺陷进行开挖验证，结果显示，该缺陷为机械损伤。对缺陷的尺寸进行测量，长宽、位置和腐蚀深度，与检测数据相吻合。按照GB 32167—2015 《油气输送管道完整性管理规范》中缺陷的修复方式，对两处缺陷宜采用套筒修复方式进行永久修复。

表1 金属损失异常点的详细信息

2 腐蚀原因分析

由于管道敷设高程和地下水位的不同，不同地段土壤的水含量和通气量不同。对1号和2号金属损失点腐蚀产物取样进行半定量X荧光分析，结果见表2。腐蚀坑区的黑色腐蚀产物主要成分为Fe的氧化物，Fe2O3占48.26%和氯化物占30.15%，腐蚀产物中还含有Si,Ca,Mg和K等的少量氧化物为碱土泥沙杂质，腐蚀产物主要成分为Fe2O3和氯化物。原始形貌见图3(a)，去除腐蚀产物见图 3(b)。两处土壤的含水量、通气量的差异是造成腐蚀速率不同的主要因素。

图3缺陷位于潮湿地区，蚀坑位于管道顶部，开挖后3PE防护层出现破损。由于盐碱土会随着含水率的变化膨胀收缩，使得缺陷处环氧粉末底漆及3PE防腐层出现轻微剥离现象，蚀坑中充满了黑色腐蚀产物，去除腐蚀产物后，铁基体表面发黑。缺陷呈鱼鳞形。腐蚀形貌是由凹凸不平的点蚀坑连接而成，沿管道周向呈水平和垂直发展迅速。蚀孔内阴极发生了耗氧反应，导致蚀孔内贫氧，孔外富氧，蚀孔内外形成氧浓差电池，发生了电化学腐蚀。蚀孔内铁基体的不断溶解，使得金属阳离子不断增加，为保持蚀孔内外的电中性，蚀孔外的氯离子向蚀孔内迁移，因此加速了金属基体的腐蚀。

图4缺陷位于半潮湿地区，蚀坑也位于管道顶部，开挖后3PE防腐层出现破损，环氧粉末底漆、3PE防腐层和基体附着力较好。腐蚀形貌呈现均匀的长条形，凹凸不平的小坑蚀连接，去除腐蚀产物后，金属基体表面发亮。

表2 腐蚀产物X荧光测试 w,%

图3 潮湿环境腐蚀形貌

图4 半潮湿环境腐蚀形貌

3 结论与建议

(1)漏磁内检测是识别管道机械损伤导致金属损失缺陷的有效方法之一，机械损伤导致金属损失缺陷应及时检测并消除。

(2)在土壤水含量和通气量不同的情况下，潮湿环境促进了蚀坑外氯离子的迁移，其腐蚀比半潮湿环境腐蚀严重。应该及时检测并消除蚀坑，保证管道安全运行。

(3)应对具备内检测条件的管道进行漏磁内检测，通过对管道漏磁数据的深度分析，掌握管道活性腐蚀点和非活性腐蚀点的腐蚀规律；做好管道巡护和施工管理工作，防止管道受到损伤；做好外防腐层的检测，避免内外腐蚀共同作用，导致管道发生失效。