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(xiǎn)主要來(lái)源于其管材質(zhì)量、設(shè)計(jì)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(dú)山子原油管道因環(huán)焊縫熔合線部位存在穿透型裂紋和含硫而發(fā)生開裂泄漏；2015年3月31日，澀寧蘭輸氣管道因環(huán)焊縫內(nèi)存在裂紋、未融合等缺陷造成天然氣管道發(fā)生開裂泄漏事故等。

本文以西部管道公司所開展的技術(shù)研究工作為基礎(chǔ)，針對(duì)長(zhǎng)輸管道在全壽命周期中存在的風(fēng)險(xiǎn)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)程中面臨著外部干擾風(fēng)險(xiǎn)和管道本體風(fēng)險(xiǎn)，可能發(fā)生斷裂、變形、腐蝕、機(jī)械損傷和爆炸等失效，嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行和生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，預(yù)測(cè)、預(yù)防和預(yù)知油氣管道風(fēng)險(xiǎn)，避免惡性事故發(fā)生，攻克更高精度的在線監(jiān)測(cè)裝備和系統(tǒng)，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(yīng)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(yàn)場(chǎng)及試驗(yàn)

為獲取高鋼級(jí)管線鋼止裂韌性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料，建立和積累管材性能及評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足大輸量、高壓力、高鋼級(jí)管道建設(shè)和安全運(yùn)行的要求，在中國(guó)石油集團(tuán)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(yàn)特殊用氣條件下的天然氣供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程高速率、多通道、瞬間大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儲(chǔ)氣管設(shè)計(jì)和制造，錨固墩設(shè)計(jì)和制造等關(guān)鍵問(wèn)題，建設(shè)完成管道斷裂控制試驗(yàn)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(cè)試、減壓波測(cè)試、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試、地震波測(cè)試、沖擊波測(cè)試、熱輻射測(cè)試及數(shù)據(jù)采集等問(wèn)題開展了系統(tǒng)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(yàn)，掌握了不同管材的止裂韌性范圍，獲得裂紋擴(kuò)展速度及管體應(yīng)變規(guī)律，并取得了基于管道斷裂控制試驗(yàn)場(chǎng)的天然氣管道爆破（爆炸）危害效應(yīng)數(shù)據(jù)。

全尺寸爆破試驗(yàn) 

爆破后現(xiàn)場(chǎng)

1.2 油氣管道閥門試驗(yàn)平臺(tái)

為滿足國(guó)產(chǎn)化閥門現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，西部管道公司2013年7月依托西二線昌吉站開展閥門試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)工作，2016年7月依托西二線煙墩站開展大口徑閥門試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)工作。其中昌吉閥門試驗(yàn)場(chǎng)開展了5個(gè)批次32臺(tái)次的閥門試驗(yàn)工作，包括旋塞閥10臺(tái)次、止回閥10臺(tái)次，強(qiáng)制密封閥10臺(tái)次、四閥座球閥2臺(tái)次，4種規(guī)格、16臺(tái)國(guó)產(chǎn)化閥門通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)收。煙墩閥門試驗(yàn)場(chǎng)開展了2個(gè)批次7臺(tái)次的56寸Class900全焊接球閥試驗(yàn)工作，保證了產(chǎn)品可靠性。

 昌吉閥門試驗(yàn)場(chǎng)

1.3 天然氣管道超高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)方法 

試壓是管道投產(chǎn)前對(duì)施工質(zhì)量、管材性能、焊接質(zhì)量及管道整體強(qiáng)度的最后一次綜合檢驗(yàn)。在允許范圍內(nèi)管道試驗(yàn)壓力越高，缺陷暴露率越高，更能保證管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行。但是，在GB 50251-2015發(fā)布之前，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求的試壓壓力與北美等國(guó)家相比明顯偏低，例如加拿大和美國(guó)分別于20世紀(jì)70年代和90年代將一級(jí)地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)壓力提升到了100%SMYS（即規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度），而我國(guó)僅為79%SMYS。

2011年~2013年，依托西氣東輸三線伊寧-霍爾果斯煤制氣支線工程，針對(duì)大口徑（F1219 mm）、高鋼級(jí)（X80）的輸氣管道開展了提高強(qiáng)度試壓系數(shù)安全可靠性評(píng)估技術(shù)研究，確定了96%SMYS的高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)壓力，識(shí)別了高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)可能對(duì)管道造成的變形、裂紋型缺陷擴(kuò)展等各類風(fēng)險(xiǎn)，形成了“22112”高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)程序和方法。

“22112”高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)程序和方法如下：1、進(jìn)行智能測(cè)徑，即在試壓前后分別進(jìn)行1次智能測(cè)徑，以發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)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(cè)，以通過(guò)應(yīng)力分布規(guī)律、應(yīng)力變化及應(yīng)力集中檢測(cè)，掌握裂紋型缺陷的可能擴(kuò)展等信息。3、進(jìn)行1次PV壓力-容積曲線監(jiān)測(cè)，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(cè)，以發(fā)現(xiàn)凹坑、劃痕、焊縫等缺陷；5、進(jìn)行兩次分析評(píng)價(jià)，主要包括管材力學(xué)性能分析評(píng)價(jià)和試壓前后內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)。

1.4 自源主動(dòng)運(yùn)行智能牽引系統(tǒng)

內(nèi)檢測(cè)器動(dòng)力系統(tǒng)靠密封皮碗前后壓差作為動(dòng)力在管道內(nèi)行走實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，在投產(chǎn)前很難開展檢測(cè)。若采用空氣驅(qū)動(dòng)，由于空氣的可壓縮性會(huì)造成內(nèi)檢測(cè)運(yùn)行極其不平穩(wěn)，速度在0~20 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，而管道內(nèi)檢測(cè)允許的檢測(cè)速度一般在4 m/s以下，因此無(wú)法獲取穩(wěn)定可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)。管道投產(chǎn)前開展管道內(nèi)檢測(cè)則面臨著穩(wěn)定動(dòng)力源的技術(shù)難題。

依托伊霍線等新建管道工程研制的自源主動(dòng)運(yùn)動(dòng)智能牽引系統(tǒng)，成功解決了內(nèi)檢測(cè)器的動(dòng)力源問(wèn)題。該自源主動(dòng)運(yùn)行智能牽引系統(tǒng)由輪式管道行走動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其中輪式管道行走動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)由超輕車身、八輪行進(jìn)結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)、電機(jī)電瓶系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)等組成，自動(dòng)控制系統(tǒng)由汽油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。依托于該自源主動(dòng)運(yùn)行智能牽引系統(tǒng)，成功開展了牽引力試驗(yàn)、爬坡能力試驗(yàn)（下坡速度控制在1.2 m/s以下）、彎頭能力試驗(yàn)和工作壽命試驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次空管變徑、弱磁內(nèi)檢測(cè)。

 D1200自源主動(dòng)運(yùn)行智能牽引系統(tǒng)

1.5 弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備

弱磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是基于金屬自有漏磁場(chǎng)的檢測(cè)方式，測(cè)得應(yīng)力集中區(qū)域弱磁場(chǎng)信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)微弱磁場(chǎng)的變化來(lái)分析應(yīng)力的變化。管道弱磁內(nèi)檢測(cè)從獲取原始檢測(cè)現(xiàn)象出發(fā)進(jìn)行研究，這對(duì)于管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有原創(chuàng)性。

  2010年開始，西部管道公司開展了基于金屬磁記憶原理的管道弱磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)。針對(duì)Φ457克烏輸油管道復(fù)線和Φ1219伊霍輸氣管道、西二線、西三線等管道，實(shí)現(xiàn)了在役及投產(chǎn)前管道的工程應(yīng)用。

Φ457爆破試驗(yàn)應(yīng)變片與弱磁信號(hào)對(duì)比圖

1.6 大口徑全方位漏磁內(nèi)檢測(cè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的F1219 mm輸氣管道軸向勵(lì)磁高清晰漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由低頻通迅系統(tǒng)、動(dòng)力皮碗、主探頭、勵(lì)磁單元、計(jì)算機(jī)、里程槍、萬(wàn)向節(jié)、輔助探頭等組成。 該系統(tǒng)在西氣東輸二線、三線成功應(yīng)用，累計(jì)檢測(cè)里程2000多公里，檢出各類缺陷8000余處。

在F1219 mm軸向漏磁檢測(cè)研究的基礎(chǔ)上，將軸向和周向勵(lì)磁檢測(cè)技術(shù)融合，形成了F1219 mm全方位三軸三維超高清漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)，提高了體積型缺欠的檢出率以及軸向?qū)�向的缺欠的檢測(cè)能力。新系統(tǒng)由軸向勵(lì)磁、軸向前組探頭、后組探頭、周向勵(lì)磁和周向探頭等組成，其對(duì)管道母材的缺陷探測(cè)精度可達(dá)3%。

F1219 mm全方位三軸三維超高清漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)

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)方面開展研究工作：

2.1 管材基礎(chǔ)理論研究    

（1）高鋼級(jí)管道低溫韌性指標(biāo)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(yīng)變和平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌度控制指標(biāo)，建立低溫脆斷控制指標(biāo)體系。

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

（3）預(yù)變形對(duì)管材性能影響規(guī)律研究。研究不同變形量對(duì)管材強(qiáng)韌性和殘余應(yīng)力影響的變化規(guī)律，掌握實(shí)物管道在反復(fù)超高強(qiáng)度試壓過(guò)程中的性能變化以及應(yīng)力分布規(guī)律。

2.2 管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)

開展基于衛(wèi)星遙感技術(shù)及伴行光纜的管道地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、不同分辨率的地理、地質(zhì)數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源，完善多閾值報(bào)警的綜合預(yù)警方法，建立管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警新模型。

2.3 管道檢測(cè)技術(shù)研究

（1）油氣管道缺陷檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)。不斷加強(qiáng)現(xiàn)有管道缺陷檢測(cè)精度，完善全方位超高清漏磁檢測(cè)、弱磁檢測(cè)技術(shù)；持續(xù)攻關(guān)裂紋型缺陷檢測(cè)技術(shù)、環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)以及附加應(yīng)力的檢測(cè)技術(shù)和評(píng)價(jià)技術(shù)。

（2）深化檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用。突出檢測(cè)獲取數(shù)據(jù)核心功能，嘗試在內(nèi)檢測(cè)過(guò)程中獲取含水率、溫度、壓力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深入開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與完整性管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)整合，通過(guò)不同檢測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析，綜合分析管道應(yīng)力、應(yīng)變情況，研究基于大數(shù)據(jù)的管道內(nèi)檢測(cè)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(jí)高級(jí)工程師。 

《管道保護(hù)》2017年第3期（總第34期）