張平

中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司

油氣管道的本體風(fēng)險主要來(lái)源于其管材質(zhì)量、設計缺陷、焊接缺陷、施工質(zhì)量等。例如：2014年11月1日，阿拉山口-獨山子原油管道因環(huán)焊縫熔合線(xiàn)部位存在穿透型裂紋和含硫而發(fā)生開(kāi)裂泄漏；2015年3月31日，澀寧蘭輸氣管道因環(huán)焊縫內存在裂紋、未融合等缺陷造成天然氣管道發(fā)生開(kāi)裂泄漏事故等。

本文以西部管道公司所開(kāi)展的技術(shù)研究工作為基礎，針對長(cháng)輸管道在全壽命周期中存在的風(fēng)險因素，探討了幾種提升管道本質(zhì)安全的技術(shù)措施。

1. 油氣管道本質(zhì)安全的技術(shù)措施

油氣管道在服役過(guò)程中面臨著(zhù)外部干擾風(fēng)險和管道本體風(fēng)險，可能發(fā)生斷裂、變形、腐蝕、機械損傷和爆炸等失效，嚴重影響管道安全運行和生命財產(chǎn)安全。因此，預測、預防和預知油氣管道風(fēng)險，避免惡性事故發(fā)生，攻克更高精度的在線(xiàn)監測裝備和系統，提升管道的本質(zhì)安全，是油氣管道科技工作者亟需解決的難題。

近些年來(lái)，通過(guò)大量的攻關(guān)研究和示范應用工作，形成了一系列保障管道本質(zhì)安全的技術(shù)措施。

  

1.1 管道全尺寸爆破試驗場(chǎng)及試驗

為獲取高鋼級管線(xiàn)鋼止裂韌性實(shí)驗數據和資料，建立和積累管材性能及評價(jià)數據庫，滿(mǎn)足大輸量、高壓力、高鋼級管道建設和安全運行的要求，在中國石油集團公司的支持下，西部管道公司聯(lián)合多家單位攻克爆破試驗特殊用氣條件下的天然氣供氣系統設計、試驗過(guò)程高速率、多通道、瞬間大數據量數據采集系統、儲氣管設計和制造，錨固墩設計和制造等關(guān)鍵問(wèn)題，建設完成管道斷裂控制試驗場(chǎng)。

圍繞鋼管環(huán)焊、初始裂紋引入、蒸汽云點(diǎn)燃技術(shù)、斷裂速度測試、減壓波測試、應力應變測試、地震波測試、沖擊波測試、熱輻射測試及數據采集等問(wèn)題開(kāi)展了系統研究和攻關(guān)，至2016年12月16日，完成了OD1422 X80直縫焊管、螺旋焊縫管以及OD1219 X90直縫+螺旋焊管3次全尺寸爆破試驗，掌握了不同管材的止裂韌性范圍，獲得裂紋擴展速度及管體應變規律，并取得了基于管道斷裂控制試驗場(chǎng)的天然氣管道爆破（爆炸）危害效應數據。

 

全尺寸爆破試驗 

 

爆破后現場(chǎng)

1.2 油氣管道閥門(mén)試驗平臺

為滿(mǎn)足國產(chǎn)化閥門(mén)現場(chǎng)工業(yè)性試驗，西部管道公司2013年7月依托西二線(xiàn)昌吉站開(kāi)展閥門(mén)試驗場(chǎng)建設工作，2016年7月依托西二線(xiàn)煙墩站開(kāi)展大口徑閥門(mén)試驗場(chǎng)建設工作。其中昌吉閥門(mén)試驗場(chǎng)開(kāi)展了5個(gè)批次32臺次的閥門(mén)試驗工作，包括旋塞閥10臺次、止回閥10臺次，強制密封閥10臺次、四閥座球閥2臺次，4種規格、16臺國產(chǎn)化閥門(mén)通過(guò)工業(yè)性試驗驗收。煙墩閥門(mén)試驗場(chǎng)開(kāi)展了2個(gè)批次7臺次的56寸Class900全焊接球閥試驗工作，保證了產(chǎn)品可靠性。

 

 昌吉閥門(mén)試驗場(chǎng)

1.3 天然氣管道超高強度水壓試驗方法 

試壓是管道投產(chǎn)前對施工質(zhì)量、管材性能、焊接質(zhì)量及管道整體強度的最后一次綜合檢驗。在允許范圍內管道試驗壓力越高，缺陷暴露率越高，更能保證管道長(cháng)期安全運行。但是，在GB 50251-2015發(fā)布之前，我國標準要求的試壓壓力與北美等國家相比明顯偏低，例如加拿大和美國分別于20世紀70年代和90年代將一級地區現場(chǎng)水壓試驗壓力提升到了100%SMYS（即規定的最低屈服強度），而我國僅為79%SMYS。

2011年~2013年，依托西氣東輸三線(xiàn)伊寧-霍爾果斯煤制氣支線(xiàn)工程，針對大口徑（F1219 mm）、高鋼級（X80）的輸氣管道開(kāi)展了提高強度試壓系數安全可靠性評估技術(shù)研究，確定了96%SMYS的高強度水壓試驗壓力，識別了高強度水壓試驗可能對管道造成的變形、裂紋型缺陷擴展等各類(lèi)風(fēng)險，形成了“22112”高強度水壓試驗程序和方法。

“22112”高強度水壓試驗程序和方法如下：1、進(jìn)行智能測徑，即在試壓前后分別進(jìn)行1次智能測徑，以發(fā)現高強度試壓可能造成的管體變形等缺陷。2、在試壓前后分別進(jìn)行1次弱磁檢測，以通過(guò)應力分布規律、應力變化及應力集中檢測，掌握裂紋型缺陷的可能擴展等信息。3、進(jìn)行1次PV壓力-容積曲線(xiàn)監測，以明確試壓過(guò)程中管道的變形情況，防止管道整體屈服。4、進(jìn)行1次漏磁檢測，以發(fā)現凹坑、劃痕、焊縫等缺陷；5、進(jìn)行兩次分析評價(jià)，主要包括管材力學(xué)性能分析評價(jià)和試壓前后內檢測數據分析評價(jià)。

1.4 自源主動(dòng)運行智能牽引系統

內檢測器動(dòng)力系統靠密封皮碗前后壓差作為動(dòng)力在管道內行走實(shí)現檢測，在投產(chǎn)前很難開(kāi)展檢測。若采用空氣驅動(dòng)，由于空氣的可壓縮性會(huì )造成內檢測運行極其不平穩，速度在0~20 m/s范圍內波動(dòng)，而管道內檢測允許的檢測速度一般在4 m/s以下，因此無(wú)法獲取穩定可靠的檢測數據。管道投產(chǎn)前開(kāi)展管道內檢測則面臨著(zhù)穩定動(dòng)力源的技術(shù)難題。

依托伊霍線(xiàn)等新建管道工程研制的自源主動(dòng)運動(dòng)智能牽引系統，成功解決了內檢測器的動(dòng)力源問(wèn)題。該自源主動(dòng)運行智能牽引系統由輪式管道行走動(dòng)力機械結構和自動(dòng)控制系統組成，其中輪式管道行走動(dòng)力機械結構由超輕車(chē)身、八輪行進(jìn)結構、燃油系統支撐結構、電機電瓶系統支撐結構等組成，自動(dòng)控制系統由汽油發(fā)電機控制系統、速度控制系統和供電監測系統等組成。依托于該自源主動(dòng)運行智能牽引系統，成功開(kāi)展了牽引力試驗、爬坡能力試驗（下坡速度控制在1.2 m/s以下）、彎頭能力試驗和工作壽命試驗等，實(shí)現了我國首次空管變徑、弱磁內檢測。

 D1200自源主動(dòng)運行智能牽引系統

1.5 弱磁應力內檢測技術(shù)及設備

弱磁內檢測技術(shù)是基于金屬自有漏磁場(chǎng)的檢測方式，測得應力集中區域弱磁場(chǎng)信號，根據檢測微弱磁場(chǎng)的變化來(lái)分析應力的變化。管道弱磁內檢測從獲取原始檢測現象出發(fā)進(jìn)行研究，這對于管道內檢測技術(shù)領(lǐng)域具有原創(chuàng )性。

  2010年開(kāi)始，西部管道公司開(kāi)展了基于金屬磁記憶原理的管道弱磁內檢測技術(shù)研究和設備開(kāi)發(fā)。針對Φ457克烏輸油管道復線(xiàn)和Φ1219伊霍輸氣管道、西二線(xiàn)、西三線(xiàn)等管道，實(shí)現了在役及投產(chǎn)前管道的工程應用。

Φ457爆破試驗應變片與弱磁信號對比圖

1.6 大口徑全方位漏磁內檢測器

西部管道公司聯(lián)合沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制成功完全自主知識產(chǎn)權的F1219 mm輸氣管道軸向勵磁高清晰漏磁內檢測系統。該系統由低頻通迅系統、動(dòng)力皮碗、主探頭、勵磁單元、計算機、里程槍、萬(wàn)向節、輔助探頭等組成。 該系統在西氣東輸二線(xiàn)、三線(xiàn)成功應用，累計檢測里程2000多公里，檢出各類(lèi)缺陷8000余處。

在F1219 mm軸向漏磁檢測研究的基礎上，將軸向和周向勵磁檢測技術(shù)融合，形成了F1219 mm全方位三軸三維超高清漏磁內檢測系統，提高了體積型缺欠的檢出率以及軸向導向的缺欠的檢測能力。新系統由軸向勵磁、軸向前組探頭、后組探頭、周向勵磁和周向探頭等組成，其對管道母材的缺陷探測精度可達3%。

 

F1219 mm全方位三軸三維超高清漏磁內檢測系統

2. 油氣管道本質(zhì)安全的技術(shù)展望

在下一階段，西部管道公司將圍繞以下3個(gè)方面開(kāi)展研究工作：

2.1 管材基礎理論研究    

（1）高鋼級管道低溫韌性指標體系建立。研究斷裂韌度隨壁厚變化的精確工程估算方法，提出平面應變和平面應力狀態(tài)下的斷裂韌度控制指標，建立低溫脆斷控制指標體系。

（2）管道失效行為的全尺寸試驗技術(shù)研究。利用全尺寸爆破試驗技術(shù)，開(kāi)展不同氣質(zhì)組分條件下高鋼級管道失效行為的全尺寸試驗研究，形成針對斷裂、變形和表面損傷等失效形式的全尺寸試驗方法體系。

（3）預變形對管材性能影響規律研究。研究不同變形量對管材強韌性和殘余應力影響的變化規律，掌握實(shí)物管道在反復超高強度試壓過(guò)程中的性能變化以及應力分布規律。

2.2 管道地質(zhì)災害監測技術(shù)

開(kāi)展基于衛星遙感技術(shù)及伴行光纜的管道地質(zhì)災害實(shí)時(shí)監測技術(shù)研究，以衛星遙感數據、不同分辨率的地理、地質(zhì)數據等為數據源，完善多閾值報警的綜合預警方法，建立管道地質(zhì)災害預測預警新模型。

2.3 管道檢測技術(shù)研究

（1）油氣管道缺陷檢測評價(jià)技術(shù)。不斷加強現有管道缺陷檢測精度，完善全方位超高清漏磁檢測、弱磁檢測技術(shù)；持續攻關(guān)裂紋型缺陷檢測技術(shù)、環(huán)焊縫缺陷檢測評價(jià)技術(shù)以及附加應力的檢測技術(shù)和評價(jià)技術(shù)。

（2）深化檢測數據應用。突出檢測獲取數據核心功能，嘗試在內檢測過(guò)程中獲取含水率、溫度、壓力等基礎數據，深入開(kāi)展基礎數據與完整性管理業(yè)務(wù)數據整合，通過(guò)不同檢測數據比對分析，綜合分析管道應力、應變情況，研究基于大數據的管道內檢測綜合分析模型與決策支持技術(shù)。

作者：張平，男，中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司副總經(jīng)理， 教授級高級工程師。 

《管道保護》2017年第3期（總第34期）