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之后才進行檢測的， 如漏磁檢測技術、超聲波檢測技術、 渦流檢測技術、 射線檢測技術和導波檢測技術等， 這意味著公司收入的大量流失并使管道業主的管道停產檢修。 如何在內腐蝕成為問題之前就提出解決辦法， 進行預防性維護就成了管道維護的關鍵所在。 油氣管道外腐蝕直接評價技術(ECDA)已日趨較成熟， 所以， 同樣需要開發管道內腐蝕直接評價技術對管道的內部腐蝕情況進行評價， 國外即采用內腐蝕直接評價方法(ICDA)。 這個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)干擾的輸氣管道。 它通過計算預測沿線最有可能首先積聚電解質， 如水及乙二醇的位置， 并進行開挖驗證， 以提供剩余管道的信息。 本文分析了內腐蝕直接評價輸的理論基礎及執行步驟， 以期為我過開展內腐蝕直接評價提供參考。

1 理論基礎

美國西南研究院最早提出來的內腐蝕直接評價技術主要是針對于那些不能進行內檢測的天然氣管道的內腐蝕評價。 這個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會形成了標準NACE SP 0206 干氣管道內腐蝕直接評價技術“Internal Corrosion DirectAssessment Methodology for Pipelines CarryingsNormally Dry Natural Gas (DG-ICDA)”。 這個方法的最初目的是用來確定所選管道是否可能發生內腐蝕。 如果說最有可能發生水分積聚的位置沒有發生內腐蝕， 則其它位置也不太可能發生內腐蝕， 無需再進一步進行檢測。

1.1 氣-液兩相流流態分析

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)、 液體分散環狀流、 氣泡分散兩相流。 輸氣管道中液體相非常的少， 而且無序間斷分布。 當液體速率增加， 才會發生間歇流； 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， 輸送管道只可能會產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，任何液滴都會被氣化。 相對于水分， 在氣相中的液滴是不飽和的， 在傳輸過程中會氣化。 液滴具有高的表面/體積比， 液滴表面的氣體流速非常大。 管道中薄膜流驅動力為流動氣體的剪切力和管道傾角產生的重力。 圖2列出了3種條件下的流動狀態。 氣液之間剪切力與重力的平衡關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。 水分優先在第一個傾角大于臨界傾角的位置積聚， 連續的水分進入且沒有揮發， 使得水分充滿第一個臨界傾角， 然后帶到下一個傾角。

1.2 流動模型計算結果

通過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為氣體表觀速度； θ為臨界傾角。

當傾角小于0.5度時， F=0.33±0.07； 當傾角大于2度時， 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。 壓縮因子可以通過下面公式計算，

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。

流動模型計算的結果就是預測最先積水的位置， 通過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 內腐蝕直接評價執行步驟

2.1 預評價

天然氣管道內腐蝕直接評價仍是一種基于風險(risk-based)的評價方法， 所以在預評價階段需收集管道的基本運行數據(包括歷史和當前數據)， 進行綜合分析和風險量化， 確定DG-ICDA是否可行， 并對評價區域進行分區。 其需收集的資料包括設計資料， 建設記錄， 運行與維護歷史， 線路圖， 腐蝕調查報告， 氣質分析報告以及以前的完整性評價報告和維修記錄等， 具體可參見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， 用流動模擬結果預測最可能發生內腐蝕的位置。 間接檢測的理論依據是基于管道內部介質為分層流(氣體和液體單獨流動)， 通過對可能積水位置的識別， 預測出內腐蝕的高風險位置。 其主要內容包括以下三個方面：

1) 使用所收集的數據資料進行多相流計算，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 內腐蝕直接評價標準中推薦使用的臨界角計算式就是該經驗公式， 即

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

在計算過程中， 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， 利用非理想狀態下的氣體狀態方程進行轉換。

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檢測確認是否存在內腐蝕； 再者就是通過檢驗結果對整個DG-ICDA區段的內腐蝕情況進行評價。

首先找到第一個大于由操作條件和流動模擬結果確定的最大臨界角的管道傾角， 然后進行開挖驗證。 如果實際傾角都不大于臨界傾角， 則選取最大傾角的位置進行驗證。 如果該位置發現了腐蝕， 則選擇下游毗鄰的最大傾角部位進行檢驗。 如果該位置沒有發現腐蝕， 則選擇下一個毗鄰的最大傾角位置進行驗證， 應發現兩個連續位置都沒有內腐蝕的時候才算完成評價。 詳細檢查時開挖驗證應采用無損檢測方法(NDT)， 如射線、 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， 對最易發生腐蝕的位置進行實時監測。

2.4 后評價

后評價的目標主要有兩個， 一為評價DG-ICDA過程的有效性； 二為確定再次評價的時間間隔。后評價是通過發現腐蝕的位置與DG-ICDA預測的位置進行對比分析， 評價DG-ICDA的有效性， 并進行記錄， 作為再次評價的背景資料。 如果在任意位置都發現大面積的腐蝕， 則證明DGICDA對這管段是無效的。 依照相關檢測頻率規定、 監測結果、 腐蝕速率模型和室內流體性質測試等來確定再次評價時間間隔。

3 全面風險管理中的內腐蝕直接評價方法

ICDA可用來評價一定長度天然氣輸送管道腐蝕的可能性。 圖6為ICDA在全面風險評價中的作用。 ICDA沒有包含腐蝕減緩或修復內容， 但可以根據內腐蝕直接評價的結果， 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

實踐證明， 內腐蝕直接評價方法能有效識別 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行內檢測的管道進行內腐蝕評價， 能節約人力和物力， 同時還能在內腐蝕未發生之前識別出管道的內腐蝕高風險段， 進行預防性維護。國外在這個領域已經取得了一定的成果， 并且現已開始研究濕氣管道的內腐蝕直接評價技術(WG-ICDA)與液體管道的內腐蝕直接評價技術(LP-ICDA)， 國內在這方面還剛剛起步。 我國應重視并發展內腐蝕直接評價技術， 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）