0 概述

到目前為止， 油氣管道的內腐蝕幾乎都是在既成事實(shí)之后才進(jìn)行檢測的， 如漏磁檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、 渦流檢測技術(shù)、 射線(xiàn)檢測技術(shù)和導波檢測技術(shù)等， 這意味著(zhù)公司收入的大量流失并使管道業(yè)主的管道停產(chǎn)檢修。 如何在內腐蝕成為問(wèn)題之前就提出解決辦法， 進(jìn)行預防性維護就成了管道維護的關(guān)鍵所在。 油氣管道外腐蝕直接評價(jià)技術(shù)(ECDA)已日趨較成熟， 所以， 同樣需要開(kāi)發(fā)管道內腐蝕直接評價(jià)技術(shù)對管道的內部腐蝕情況進(jìn)行評價(jià)， 國外即采用內腐蝕直接評價(jià)方法(ICDA)。 這個(gè)方法適用于那些正常輸送干燥天然氣， 但可能遭受濕氣或液體水(或其它電解質(zhì))干擾的輸氣管道。 它通過(guò)計算預測沿線(xiàn)最有可能首先積聚電解質(zhì)， 如水及乙二醇的位置， 并進(jìn)行開(kāi)挖驗證， 以提供剩余管道的信息。 本文分析了內腐蝕直接評價(jià)輸的理論基礎及執行步驟， 以期為我過(guò)開(kāi)展內腐蝕直接評價(jià)提供參考。

1 理論基礎

美國西南研究院最早提出來(lái)的內腐蝕直接評價(jià)技術(shù)主要是針對于那些不能進(jìn)行內檢測的天然氣管道的內腐蝕評價(jià)。 這個(gè)方法得到了美國完整性管理體系的大力推崇， 并于2006年美國腐蝕工程師協(xié)會(huì )形成了標準NACE SP 0206 干氣管道內腐蝕直接評價(jià)技術(shù)“Internal Corrosion DirectAssessment Methodology for Pipelines CarryingsNormally Dry Natural Gas (DG-ICDA)”。 這個(gè)方法的最初目的是用來(lái)確定所選管道是否可能發(fā)生內腐蝕。 如果說(shuō)最有可能發(fā)生水分積聚的位置沒(méi)有發(fā)生內腐蝕， 則其它位置也不太可能發(fā)生內腐蝕， 無(wú)需再進(jìn)一步進(jìn)行檢測。

1.1 氣-液兩相流流態(tài)分析

對于天然氣管道， 液體積聚主要取決于氣體流速和管道傾角。 氣-液管道存在5種基本的流態(tài)形式， 如圖1所示， 光滑分層流、 波浪分層流、 間歇流(活塞流和栓塞流)、 液體分散環(huán)狀流、 氣泡分散兩相流。 輸氣管道中液體相非常的少， 而且無(wú)序間斷分布。 當液體速率增加， 才會(huì )發(fā)生間歇流； 氣泡分散兩相流需要大量連續液體相； 液體分散環(huán)狀流需要大量液體覆蓋管道所有內壁， 即使只有很少量被氣體帶走； 所以， 輸送管道只可能會(huì )產(chǎn)生分層流和分散液滴。

分層流是管道中最主要的液體水傳送機理，任何液滴都會(huì )被氣化。 相對于水分， 在氣相中的液滴是不飽和的， 在傳輸過(guò)程中會(huì )氣化。 液滴具有高的表面/體積比， 液滴表面的氣體流速非常大。 管道中薄膜流驅動(dòng)力為流動(dòng)氣體的剪切力和管道傾角產(chǎn)生的重力。 圖2列出了3種條件下的流動(dòng)狀態(tài)。 氣液之間剪切力與重力的平衡關(guān)系決定了液體積聚的臨界傾角。 傾角大于臨界傾角的位置容易積聚水分， 傾角低于臨界傾角位置的積液易被帶走， 直到在傾角大于臨界傾角的位置處停留下來(lái)。 水分優(yōu)先在第一個(gè)傾角大于臨界傾角的位置積聚， 連續的水分進(jìn)入且沒(méi)有揮發(fā)， 使得水分充滿(mǎn)第一個(gè)臨界傾角， 然后帶到下一個(gè)傾角。

1.2 流動(dòng)模型計算結果

通過(guò)一系列多相流模擬計算確定了壓力、溫 度 、 氣 體 流 速 和 管 徑 對 水 分 積 聚 臨 界 傾 角的影響。 參數界限為， 壓力3.4~7.6Mpa， 溫度16~54℃， 氣體表觀(guān)速度低于7.6m/s， 管徑0.51~1.2m。 圖3為壓力對臨界傾角的關(guān)系。 壓力越高， 液體越容易帶走， 所以臨界傾角隨壓力的增大而增大。 圖4所示為管徑與溫度對臨界傾角的影響。 相同氣體流速下， 管徑越大， 臨界傾角越小。 溫度越低， 臨界傾角越小， 但溫度的影響相對較小。

Moghissi等人還用改進(jìn)的弗勞德常數F用于計算臨界傾角， 其公式如下：

式中， ρ為密度； g為重力加速度； V為氣體表觀(guān)速度； θ為臨界傾角。

當傾角小于0.5度時(shí)， F=0.33±0.07； 當傾角大于2度時(shí)， F=0.56±0.02。 傾角在0.5度至2度之間， 與層流與湍流的轉變有關(guān)。 壓縮因子可以通過(guò)下面公式計算，

式中， P為壓力； V為體積； n為摩爾數； R為氣體常數； T為溫度。

流動(dòng)模型計算的結果就是預測最先積水的位置， 通過(guò)下面公式計算管道走向的傾角變化圖，與模擬計算的臨界傾角值對比， 得出管道最先積水的位置。

2 內腐蝕直接評價(jià)執行步驟

2.1 預評價(jià)

天然氣管道內腐蝕直接評價(jià)仍是一種基于風(fēng)險(risk-based)的評價(jià)方法， 所以在預評價(jià)階段需收集管道的基本運行數據(包括歷史和當前數據)， 進(jìn)行綜合分析和風(fēng)險量化， 確定DG-ICDA是否可行， 并對評價(jià)區域進(jìn)行分區。 其需收集的資料包括設計資料， 建設記錄， 運行與維護歷史， 線(xiàn)路圖， 腐蝕調查報告， 氣質(zhì)分析報告以及以前的完整性評價(jià)報告和維修記錄等， 具體可參見(jiàn)NACE SP 0206。

2.2 間接檢測

間接檢測的目標是在一定的DG-ICDA管段區間內， 用流動(dòng)模擬結果預測最可能發(fā)生內腐蝕的位置。 間接檢測的理論依據是基于管道內部介質(zhì)為分層流(氣體和液體單獨流動(dòng))， 通過(guò)對可能積水位置的識別， 預測出內腐蝕的高風(fēng)險位置。 其主要內容包括以下三個(gè)方面：

1) 使用所收集的數據資料進(jìn)行多相流計算，確定持液的最大臨界傾角。

2) 繪制管道高程剖面圖和傾角分布圖。

3) 對比分析流動(dòng)模擬計算結果和管道高程剖面和傾角分布圖， 判斷內腐蝕可能出現的位置。NACE SP 0206-2006 內腐蝕直接評價(jià)標準中推薦使用的臨界角計算式就是該經(jīng)驗公式， 即

式中， 臨界傾角(度)； 液體密度 ； 氣體密度(與溫度和壓力相關(guān))； 重力加速度； 管道內徑；氣體表觀(guān)速度。

在計算過(guò)程中， 液體和氣體的密度單元必須保持一致， 氣體流速、 重力加速度和管道內徑的單位要始終一致。 還需要考慮非理想氣體的壓縮因子Z， 利用非理想狀態(tài)下的氣體狀態(tài)方程進(jìn)行轉換。

2.3 詳細檢查

詳細檢查的目的主要有兩方面， 一是在前兩步驟識別的內腐蝕位置通過(guò)檢測確認是否存在內腐蝕； 再者就是通過(guò)檢驗結果對整個(gè)DG-ICDA區段的內腐蝕情況進(jìn)行評價(jià)。

首先找到第一個(gè)大于由操作條件和流動(dòng)模擬結果確定的最大臨界角的管道傾角， 然后進(jìn)行開(kāi)挖驗證。 如果實(shí)際傾角都不大于臨界傾角， 則選取最大傾角的位置進(jìn)行驗證。 如果該位置發(fā)現了腐蝕， 則選擇下游毗鄰的最大傾角部位進(jìn)行檢驗。 如果該位置沒(méi)有發(fā)現腐蝕， 則選擇下一個(gè)毗鄰的最大傾角位置進(jìn)行驗證， 應發(fā)現兩個(gè)連續位置都沒(méi)有內腐蝕的時(shí)候才算完成評價(jià)。 詳細檢查時(shí)開(kāi)挖驗證應采用無(wú)損檢測方法(NDT)， 如射線(xiàn)、 超聲波檢測等。 而且應注意對一些較嚴重位置安裝監測工具， 對最易發(fā)生腐蝕的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。

2.4 后評價(jià)

后評價(jià)的目標主要有兩個(gè)， 一為評價(jià)DG-ICDA過(guò)程的有效性； 二為確定再次評價(jià)的時(shí)間間隔。后評價(jià)是通過(guò)發(fā)現腐蝕的位置與DG-ICDA預測的位置進(jìn)行對比分析， 評價(jià)DG-ICDA的有效性， 并進(jìn)行記錄， 作為再次評價(jià)的背景資料。 如果在任意位置都發(fā)現大面積的腐蝕， 則證明DGICDA對這管段是無(wú)效的。 依照相關(guān)檢測頻率規定、 監測結果、 腐蝕速率模型和室內流體性質(zhì)測試等來(lái)確定再次評價(jià)時(shí)間間隔。

3 全面風(fēng)險管理中的內腐蝕直接評價(jià)方法

ICDA可用來(lái)評價(jià)一定長(cháng)度天然氣輸送管道腐蝕的可能性。 圖6為ICDA在全面風(fēng)險評價(jià)中的作用。 ICDA沒(méi)有包含腐蝕減緩或修復內容， 但可以根據內腐蝕直接評價(jià)的結果， 結合預測信息作出修復或腐蝕減緩決定， 并作為管道完整性管理的一部分。

4 結束語(yǔ)

實(shí)踐證明， 內腐蝕直接評價(jià)方法能有效識別 一般干氣系統的管道內腐蝕， 而且還能對那些由于物理和幾何條件的制約條件不能進(jìn)行內檢測的管道進(jìn)行內腐蝕評價(jià)， 能節約人力和物力， 同時(shí)還能在內腐蝕未發(fā)生之前識別出管道的內腐蝕高風(fēng)險段， 進(jìn)行預防性維護。國外在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果， 并且現已開(kāi)始研究濕氣管道的內腐蝕直接評價(jià)技術(shù)(WG-ICDA)與液體管道的內腐蝕直接評價(jià)技術(shù)(LP-ICDA)， 國內在這方面還剛剛起步。 我國應重視并發(fā)展內腐蝕直接評價(jià)技術(shù)， 以補充現有的管道內檢測方法， 提高管道的內腐蝕的預防性管理和維護水平。 ◢

（作者單位：中石油管道公司管道處）

《管道保護》2012 年第 6期（總第 7 期）