基于损伤模式的天然气场站检验策略应用
时间：2023-01-26 15:05:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
辛艳超 程 欣 刘 文
（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）
（2. 国家市场监管技术创新中心（炼油与化工装备风险防控） 北京 100029）
天然气场站是输气管道工程中各类工艺站场的总称,按照输气管道功能进行划分,包括压气站、分输站、清管站等[1]。近年来天然气管道敷设量逐年增多,天然气集输过程中的站场也越来越多[2],站内管道的定期检验工作随之逐年增加。场站内管道一般是按照长输油气管道进行的设计,按照TSG D7003—2010《压力管道定期检验规则——长输（油气）管道》的要求,其定期检验一般是参照工业管道进行检验。
场站内的管道具有压力高（如陕京四线天然气管道设计压力为12 MPa）,材料等级高,按工业管道进行分类应归为GC1管道,如果采用传统的检验方式进行检验,其相应的测厚比例、焊接接头表面检测比例、埋藏缺陷的检测比例等会非常高,从而导致检验费用高、辅助配合成本高、现场作业时间长等,因此有必要对站内管道进行损伤机理分析,实施针对性的检验,以达到既降低风险,又能节约资源的目的。
天然气场站一般分为压气站、分输站、清管站等,其中典型的压气站一般分为进站和越站单元、清管单元、天然气分离过滤单元、压缩机增压单元、分输调压和计量单元、出站单元。图1为陕京四线某压气站设备管道布置图。分输站一般比压气站少了1个增压单元,其余单元基本一致。站内管道地下部分一般为汇管、单元至单元之间管道、进出站管道,其他部分一般为地上管道。地上部分管道除进压缩机入口管道、压缩机至空冷器管道可能带保温层外,其余管道一般无保温层。
图1 天然气压气站设备、管道布置图
天然气场站的主要设备有清管收发器、旋风分离器、过滤器、压缩机以及截断设施等。典型的压气站工艺流程为：压气站接收上游干线的天然气,进入清管单元,然后进入分离器前汇管,从汇管出来后一般分成2～5路先后进入旋风分离器和卧式过滤器,过滤掉杂质和水后进入汇管汇集,再输送至压缩机前汇管,再分成2～4路分别进入压缩机进行加压,天然气加压后进入空冷器冷却,从空冷器出来的天然气经过汇集,一部分输送至分输区,在分输区分成若干路经计量和调压后输送至各用户,另一部分进入出站区进入长输总管。以陕京四线某压气站为例,天然气进入压缩机前其操作温度为常温,压力约为9 MPa,经压缩机加压后,介质的最高温度约为110 ℃,压力提升至约11 MPa,从压缩机出来的天然气经空冷器冷却后以常温状态输送至下游。
进入长输管网的天然气一般都经过分离和过滤,气体洁净度较高,但是仍然避免不了会存在少量的杂质和水,这些微量有害介质会造成管道内部损伤；
而空气和土壤中所含的酸、碱性物质和水、氧气会造成管道外部损伤。其主要潜在损伤机理有：大气腐蚀（无隔热层）、大气腐蚀（有隔热层）、酸性水腐蚀、土壤腐蚀、湿硫化氢破坏、冲刷和机械疲劳。
3.1 大气腐蚀（有/无隔热层）
未敷设隔热层的管道当其防腐层破损时其金属表面与空气、水接触,从而形成腐蚀。当管道操作温度比较低,足以形成湿气或管道表面结冰时,其防腐层容易遭到破坏,易发生腐蚀。站内管道易发生大气腐蚀主要在调压部分管道,这部分管道易产生结冰现象,温差变化,导致防腐层破损；
其次为出地管道易产生水蒸气凝结现象,在管道外表面形成大量液滴,防腐层易产生破损。
敷设隔热层等覆盖层的金属在覆盖层下发生的腐蚀,又称层下腐蚀,具体表现为覆盖层下局部减薄。将碳钢和低合金钢的隔热材料拆除后,隔热层下腐蚀损伤常形成覆盖在腐蚀部件表面的片状疏松锈皮；
一些局部腐蚀的情况中,腐蚀呈现为痈状点蚀（常见于油漆或涂层系统破损处）。站内管道存在层下腐蚀的部位主要在压缩机入口管道、压缩机出口至空冷器部分的管道。
3.2 酸性水腐蚀
酸性水腐蚀是指含有硫化氢且pH值介于4.5～7.0之间的酸性水引起的金属腐蚀。由于站内工艺管道输送介质为气态天然气,不可避免会存在硫化氢和气态水,在某些特定情况下,如冬季在某些低点会存在液态水,这样可能在局部低点如站内管道导淋、汇气管低点导淋或低点堵头部位,会存在含有硫化氢的湿润环境,可能会发生腐蚀。
3.3 土壤腐蚀
土壤腐蚀多表现为以点蚀为主的局部腐蚀,腐蚀的严重程度取决于局部的土壤条件和设备金属表面环境条件的变化。土壤腐蚀与土壤电阻率、水分含量、溶解盐浓度、酸度、温度、位置、保护涂层、阴极保护、杂散电流等有关,地下埋地管道可能存在土壤腐蚀。
3.4 环境开裂
站内管道的环境开裂主要是湿硫化氢破坏,是指在含水和硫化氢环境中碳钢和低合金钢所发生的损伤,站内管道可能发现开裂的部位主要是可能产生湿润环境的低点附近的焊接接头,如站内管道导淋、汇气管低点导淋或低点堵头部位。
3.5 机械疲劳
在循环机械载荷作用下,材料、零件或构件在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹的过程。经一定循环次数后,裂纹不断扩展,可能导致突然完全断裂。
站内工艺管道发生机械疲劳的部分主要集中于压缩机进出口管道。其中压缩机出口管发生机械疲劳可能性高于入口管线；
另外站内部分出地、入地管线,则可能因为管线的布置等原因存在明显震动,为避免开裂的发生,应及时改进设计；
站内的压缩机进口汇气管主要起到缓冲的作用,存在一定循环载荷,也有可能发生疲劳开裂。
3.6 冲刷
固体、液体、气体或其任意之间组合发生冲击或相对运动,造成材料表面层机械剥落加速的过程。发生冲刷损伤的部位一般为各类弯头、三通、异径管等处。站内管道介质为气态天然气,无相态变化,且介质较为纯净,其冲刷的作用一般不会太明显,但是在压缩机出口、调压阀后由于存在压力差,会存在较大冲刷剪切力,这部分冲刷会比较明显,如压缩机出口和调压阀后第一个异径管和第一个弯头。
从以上站内管道损伤机理的分析可知,其潜在损伤机理有：大气腐蚀（无隔热层）、大气腐蚀（有隔热层）、酸性水腐蚀、土壤腐蚀、湿硫化氢破坏、冲刷、机械疲劳。其中大气腐蚀、酸性水腐蚀、土壤腐蚀、冲刷等造成的失效模式主要是壁厚减薄,而湿硫化氢破坏和机械疲劳对应的失效模式为开裂。在定期检验中针对以上2种失效模式进行针对性的检验策略制定,即可降低站内管道的安全风险。
4.1 宏观检查
站内管道的宏观检查主要包括管道表面防腐层检查、支吊架检查、安全附件、地下管道的土壤是否存在塌陷、管子变形、表面的磕碰、阴极保护等,建议对每条管道从起点至终点逐一检查。
4.2 壁厚减薄检测
管道的壁厚减薄分为内壁减薄和外壁减薄,其中引起内壁减薄主要的损伤机理为酸性水腐蚀、冲刷；
引起外壁减薄的损伤机理对于埋地管道主要是外防腐层破损后的土壤腐蚀,对于架空管道主要为防腐层破损的大气腐蚀。
1）内壁减薄。站内管道防腐层一般要求较高,漆层较厚,现场打磨测厚点工作量大,风险大,为此建议地上部分管道采用电磁超声测厚或脉冲涡流测厚[3],对于小管径部位建议采用隔涂层超声波测厚仪测厚,测厚重点部位为弯头背弧面、变径、三通以外,测厚比例抽查不低于20%管件,同时应对管道的导淋、低点堵头、放空管进行重点抽查。
2）外壁减薄。对于地上部分管道,在宏观检查存在防腐层破损的位置进行壁厚测定抽查；
对于埋地管道,采用不开挖检测方法和开挖检测相结合的方法进行检测,首先采用电流衰减法进行整体质量检测和交流电位梯度法查找外防腐层破损点,该方法不需要进行管道开挖即可进行检测；
然后进行敷设环境腐蚀调查,包括土壤腐蚀性测试和杂散电流测试,判断杂散电流干扰源特性；
最后进行开挖点导波检测[4],开挖位置的确定主要选择防腐层破损处、阴极保护失效处、低位排水点处、弯头及三通等管件处、应力集中点等。开挖直接检验内容包括外防腐层性能检测、管段结构与焊缝外观检查、管体壁厚测量、管体外壁腐蚀状况检测、管地电位近参比测试[5]。重点检测部位为埋地管线入地后第一个和出地前最后一个弯头位置,曾经发生过外部减薄的管线。
4.3 开裂检测
站内管道损伤机理主要有湿硫化氢破坏和疲劳开裂,其中湿硫化氢破坏主要发生在各种低点、容易产生积水的部分,如导淋、低点堵头等,而疲劳开裂仅在压缩机进口和出口或部分存在震动的出地、入地管道存在,因此站内大部分管道不需要进行开裂检测或只需要必要的抽查即可,对上述部位进行重点抽查即可有效控制开裂风险,上述管道的抽查检测建议不少于2道焊缝。
考虑站内管道压力高、直径大、壁厚较厚、工作量大等特点,现场采用数字射线进行焊接接头的开裂检测较为方便。同时对于存在疲劳开裂的焊接接头,建议进行表面检测,采用磁粉检测或涡流阵列[6]检测等。
4.4 其他检测
损伤分析中没有考虑由于材料本身质量和焊接质量导致的管道失效问题,因此有必要对原始的焊接质量进行必要的抽查,为此应对部分管道进行焊接接头的表面检测,表面检测在条件允许时可以采用除漆除锈后的磁粉检测,或者采用涡流阵列技术进行检测[6]。这部分管道建议以抽查进站越站区、过滤分离区、调压分输区管道为主,抽查比例由检验人员根据场站管道施工质量自行确定。
在2021年,依照上述的检验策略,对北京某公司24个场站（4个压气站、20个分输站）站内管道进行定期检验,在检验中累计发现89处缺陷,缺陷情况见表1。其中腐蚀减薄的有11处,缺陷情况见表2,为了验证该处是否存在液态水,在减薄部位进行了射线检测,从底片上发现焊缝处存在内凹或积水情况,这与损伤机理分析的结果一致,从而可以验证该处腐蚀为酸性水腐蚀；
采用数字射线检测技术对管道内表面进行了检测,发现内表面开裂缺陷仅有1处,开裂部位为管道的环焊缝上部熔合线附近,且位于阀后第一道环焊缝上,裂纹情况见图2,推测该处缺陷可能是湿硫化氢破坏引起的环境开裂；
管道外表面检测发现缺陷73处,均为外表面裂纹,这些裂纹从形貌上来看,大多数是由表面或近表面缺陷引起的（如夹渣、表面划伤等,见图3和图4）,其他裂纹可能是焊接的局部应力在长期使用过程中释放造成的（见图5）。
表1 缺陷检测情况汇总
表2 腐蚀减薄部位分布情况
图2 数字射线检测的裂纹缺陷
图3 管道外表面缺陷形貌
图4 管道外表面缺陷形貌
图5 管道外表面缺陷形貌
在2021年的检验中,共计检验了4个压气站,对压气站的压缩机出口管道和入口管道焊接接头进行了数字射线检测和表面涡流阵列检测,在检测中未发现存在开裂问题,这说明其发生疲劳开裂的可能性虽然存在,但是不明显。埋地管道进行了开挖后导波检测,共计检测15个点,检测过程中均未发现明显的壁厚减薄问题,说明站内管道埋地部分土壤腐蚀不敏感。
通过以上对比验证分析,发现大气腐蚀、酸性水腐蚀和湿硫化氢破坏发生的位置与上文损伤机理分析的结果基本一致,这说明损伤机理分析是正确的。而与土壤腐蚀、机械疲劳、冲刷等损伤机理相关的缺陷在检验中并未发现,这是因为跟这些损伤机理相关的缺陷与管道投用的时间有很强的相关性,随着管道投用时间的增加,相关损伤也有可能发生。同时外表面原始缺陷或局部应力集中引起的表面开裂也比较常见,在定期检验中进行检验也是必要的。通过以上对比验证分析,在天然气场站管道定期检验中采用上述检验策略开展检验是合适的,可以提高检验的针对性,又可以提高检验效率。
随着我国能源管网的建设及安全监管要求的提升,站内管道定期检验的需求越来越大,对站内管道开展损伤机理识别,开展基于损伤模式的有针对性检验,既可以降低风险,又节约企业成本。本文通过损伤机理的应用,识别了站内管道潜在的损伤机理,相应的损伤机理在检验中得到验证。据此开展相应的检验工作能够提高检验的针对性和检验效率,降低企业检验费用,为今后天然气场站站内管道的标准化检验,积累了一定的技术支撑。
猜你喜欢 场站机理压缩机 基于Attention-LSTM的分布式光伏超短期发电功率预测中国新技术新产品(2022年14期)2022-11-01天迈科技助力深圳东部公交场站标准化建设 打造场站新标杆城市公共交通(2022年6期)2022-08-22“新基建”背景下公交场站建设思路转变的思考城市公共交通(2022年1期)2022-04-07Review of a new bone tumor therapy strategy based on bifunctional biomaterialsBone Research(2021年2期)2021-09-11隔热纤维材料的隔热机理及其应用建材发展导向(2021年14期)2021-08-23周礼与儒学的机理当代陕西(2020年23期)2021-01-07关于加强往复式压缩机维护管理的几点经验活力(2019年17期)2019-11-26BOG压缩机在小型LNG船舶上的应用船舶标准化工程师(2019年4期)2019-07-242011款奔驰C200车空调压缩机的磨合方法汽车维护与修理(2019年17期)2019-03-15金属切削中切屑的形成机理智富时代(2018年8期)2018-09-28
