油氣田地面非金屬管道現(xiàn)場監(jiān)檢測技術(shù)

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(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西 　西安　710077)

0　引　言

非金屬管道由于不發(fā)生腐蝕，而且設(shè)計(jì)壽命長，因此成為治理傳統(tǒng)金屬管道腐蝕問題的一個有效手段；此外由于非金屬管道質(zhì)量輕、管道內(nèi)壁光滑，具有安裝和運(yùn)輸方便、水力摩阻因數(shù)低、耐磨損和不易結(jié)蠟結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各大油氣田。

1　非金屬管道應(yīng)用現(xiàn)狀

非金屬管道在國內(nèi)地面油氣田的應(yīng)用情況可以2010年為界劃分為兩個時期。2010年以前，油田用戶嘗試使用非金屬管道解決日益嚴(yán)重的鋼管腐蝕問題，此時期的非金屬管道種類少且用量有限，缺乏相應(yīng)的產(chǎn)品檢測標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，市場較為混亂。2010年以后進(jìn)入非金屬管道的快速發(fā)展時期，此時期的管道種類增多，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)初步建立，市場行為基本規(guī)范，同時油田用戶也開始關(guān)注耐腐蝕性能之外的其他功能性。目前，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系的指導(dǎo)下，非金屬管道的選材、設(shè)計(jì)、制造、施工和驗(yàn)收等服役前期階段已經(jīng)規(guī)范化[1]，而且現(xiàn)有的失效分析水平已經(jīng)能夠甄別出對應(yīng)于制造與施工階段的事故原因[2]，然而目前針對非金屬管道服役階段開展的工作卻很少。長期以來非金屬管道都被認(rèn)為是不腐蝕且免維護(hù)的，事實(shí)上雖然非金屬管道不會發(fā)生由腐蝕引起的管壁穿孔和減薄，但是隨著服役時間的延長，高分子材料的性能(內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等)在輸送介質(zhì)、溫度和載荷的共同作用下會發(fā)生變化，這將導(dǎo)致非金屬管道的承壓能力逐漸降低，進(jìn)而造成管道失效。因此，及時掌握非金屬管道的狀態(tài)對于可靠服役和安全生產(chǎn)都具有重大意義。但是目前的現(xiàn)狀是：對非金屬材料在油氣介質(zhì)中的性能變化機(jī)理還處于研究階段，沒有明確對應(yīng)于管材性能退化的表征參數(shù)；而且由于二者材料特性的顯著差別，非金屬管道無法直接采用金屬管道的無損檢測技術(shù)。因此，對于非金屬管道而言，盡管可以在選材階段進(jìn)行材料的介質(zhì)相容性評價，可以對現(xiàn)場取樣進(jìn)行長期靜水壓試驗(yàn)以校驗(yàn)其承壓能力，但是這并不能獲得管道性能的變化趨勢也不能預(yù)測管道的剩余壽命。

目前，缺乏現(xiàn)場監(jiān)檢測技術(shù)已成為制約非金屬管道應(yīng)用的技術(shù)屏障，為了保證非金屬管線的安全運(yùn)行，有必要開展相關(guān)研究。除此之外，非金屬管道的監(jiān)檢測工作也是一種有效的完整性管理措施，可以及時了解管道的狀態(tài)，從而為后期建立管道失效模型和剩余壽命預(yù)測提供依據(jù)。因此，在地面油田應(yīng)用的各類非金屬管道中，選擇用量最大的“玻璃鋼管”和發(fā)展最快的“增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管”為對象，從材料和結(jié)構(gòu)相似的角度出發(fā)，借鑒其他領(lǐng)域的成熟技術(shù)，探討開展非金屬管道監(jiān)檢測技術(shù)研究的可行性。

2　玻璃鋼管

玻璃鋼管(Glass Reinforced Plastic，GRP)，是我國油田最早應(yīng)用的非金屬管道，用量也最大，占非金屬管道總量的半數(shù)以上。玻璃鋼管的基體使用熱固性樹脂(如，環(huán)氧樹脂)，增強(qiáng)材料為玻璃纖維，經(jīng)纏繞成型和高溫固化后得到成品。玻璃鋼管道的管體不分層，單根管道長度固定，屬于剛性管道。目前，油田使用的玻璃鋼管道主要采用螺紋連接，即在管體兩端分別預(yù)制內(nèi)外螺紋，現(xiàn)場將單根管子依次首尾相連形成管道。由于連接時在螺紋處涂抹了固化型的密封脂，因此這種連接形式是不可逆的，若施工質(zhì)量不合格，如試壓時發(fā)現(xiàn)接頭部位有滲漏甚至分離，只能將此接頭切除，隨后在截?cái)嗵巸啥说墓荏w上現(xiàn)場制作外螺紋，再通過短節(jié)實(shí)現(xiàn)修復(fù)連接。

玻璃鋼管在國外已有成熟的應(yīng)用，并建立了標(biāo)準(zhǔn)體系，其中標(biāo)準(zhǔn)ISO 14692-4:2002(已等同轉(zhuǎn)化為GB/T 29165.4-2015)在附錄E中給出了玻璃鋼管的無損探傷(NDE)方法，用于管道安裝后的質(zhì)量檢驗(yàn)。見表1對玻璃鋼管道而言，成熟的無損檢測技術(shù)有超聲波技術(shù)和射線技術(shù)，但是從適合現(xiàn)場應(yīng)用、環(huán)境保護(hù)和人員安全等角度考慮不建議采用射線測試；而聲發(fā)射技術(shù)和紅外熱像技術(shù)雖然有著良好的發(fā)展前景，但目前尚不成熟。

表1　玻璃鋼管無損監(jiān)測方法[3, 4]

玻璃鋼管道雖然屬于復(fù)合材料，但是其管體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)單一，沒有明顯的分層或獨(dú)立的增強(qiáng)單元，因此可以將其視為均質(zhì)的，與之相似的結(jié)構(gòu)有風(fēng)電領(lǐng)域的葉片?，F(xiàn)在幾乎所有的商業(yè)級風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片均采用復(fù)合材料為主體，葉片是一個復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)；大部分復(fù)合材料葉片采用的是玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂體系[5]。由于風(fēng)電葉片的材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都同玻璃鋼管類似，而且同樣具有體積大、服役時間長、服役環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，因此風(fēng)電葉片使用的無損監(jiān)檢測技術(shù)具有很高的參考價值。有學(xué)者[6]比較了風(fēng)電葉片的各類無損檢測方法，提出：超聲波檢測技術(shù)適用于葉片安裝前的靜態(tài)檢測，紅外熱成像檢測技術(shù)比較適用于葉片的現(xiàn)場檢測，聲發(fā)射檢測技術(shù)比較適用于葉片服役過程的動態(tài)監(jiān)測。

超聲脈沖回波法是通過分析傳感器接收到的反射波信號進(jìn)行缺陷識別，如果葉片中存在氣泡、分層等缺陷，都將會引起超聲波的衰減。脈沖回波法有A、B、C三種掃描檢測方式，用于復(fù)合材料檢測時通常為C掃描顯示檢測，C掃描顯示直觀且速度快，易于缺陷的分析判斷。Force Technology公司開發(fā)的用于葉片缺陷檢測的移動式超聲掃查儀ASM-46和ASM-57具有一個大型的掃描探頭，具有較高的檢測效率，可以分別對處于水平和垂直狀態(tài)的葉片進(jìn)行檢測，一支40 m長的風(fēng)電葉片完全檢測僅需20 min，在葉片生產(chǎn)車間應(yīng)用該儀器，可以很好地對葉片主要結(jié)構(gòu)區(qū)域的缺陷進(jìn)行檢測，操作使用也比較方便[7]。由于常規(guī)超聲技術(shù)，受到探頭尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)大面積的快速掃查，而且數(shù)據(jù)判讀和缺陷檢出率受人為因素影響較大，而超聲相控陣技術(shù)可以克服上述缺點(diǎn)。超聲相控陣換能器由多個相互獨(dú)立的陣元組成，按一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個陣元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，在反射波的接收過程中，按與發(fā)射相同的規(guī)則和時序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示。超聲相控陣系統(tǒng)主要有兩部分組成，即超聲陣列換能器和電子控制系統(tǒng)。通過電子系統(tǒng)控制超聲相控陣換能器中各陣元的相位，從而獲得合成波束，實(shí)現(xiàn)動態(tài)聚焦和高速掃查[8]。Olympus公司開發(fā)了基于超聲相控陣技術(shù)的檢測裝備，大量的研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明[9]：使用超聲相控陣技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地檢測風(fēng)電葉片內(nèi)部缺陷，包括玻璃纖維外殼內(nèi)部的分層和干絲缺陷，以及玻璃纖維外殼和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)之間的脫粘缺陷，其優(yōu)勢包括直觀C掃描成像、檢測效率高、易于存儲記錄等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在風(fēng)電制造行業(yè)有著廣泛地應(yīng)用前景。

聲發(fā)射是指伴隨固體材料在斷裂時釋放儲存的能量產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測方法是通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法，探測到的能量來自被測物體本身，是一種動態(tài)非破壞檢測技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)可有效的檢測出葉片裂紋等缺陷，雖然該方法與超聲波法相比，在檢測靜態(tài)葉片品質(zhì)方面沒有優(yōu)勢，然而由于該技術(shù)對被檢件的接近要求不高，因而比較適用于在役風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)時監(jiān)測，采用多傳感器長距離布置的方式，能夠接收到葉片在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過后處理可以獲得損傷部位的動態(tài)信息[6]。近年來，國外相關(guān)學(xué)者相繼開展了聲發(fā)射技術(shù)在風(fēng)電葉片早期損傷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的應(yīng)用研究，國內(nèi)在該領(lǐng)域處于起步階段，有學(xué)者[10-14]針對葉片材料的層間開裂、層間剪切、壓縮損傷、拉伸損傷、彎曲損傷等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了不同損傷模式對應(yīng)的聲發(fā)射的幅度、能量、撞擊、上升時間、持續(xù)時間和基數(shù)等特征參量，這些特征參量是風(fēng)電葉片復(fù)合材料聲發(fā)射檢測中判定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷破壞程度的依據(jù)。

紅外無損檢測是一種利用物體的熱屬性，通過觀測、記錄、分析和處理被檢對象紅外輻射及其變化的差異性來實(shí)現(xiàn)對物體表面下結(jié)構(gòu)或缺陷進(jìn)行檢測的方法。紅外無損檢測通常根據(jù)是否采用熱激勵分為主動式紅外檢測和被動式紅外檢測。在主動式紅外無損檢測實(shí)驗(yàn)中，需要根據(jù)缺陷位置、大小、類型選擇不同的熱激勵方式，在被動式檢測中則利用其自身輻射信息來進(jìn)行檢測[15]。此方法屬于非常規(guī)檢測方法，但由于其具有操作安全、靈敏度高、檢測效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年受到廣泛關(guān)注。目前雖然紅外熱成像檢測技術(shù)能夠檢測出玻璃纖維葉片的幾種典型缺陷，但對于缺陷的檢出和定性分析有一定難度[6]。所以，該方法在應(yīng)用方面還有待進(jìn)一步研究。

由上述對比可知，在三種檢測手段中超聲波檢測技術(shù)最為成熟，其中又以超聲相控陣檢測技術(shù)最有可能實(shí)現(xiàn)玻璃鋼管的現(xiàn)場檢測。但是商業(yè)化的通用設(shè)備無法獲得滿意的檢測結(jié)果，需要針對玻璃鋼管的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制專用設(shè)備、開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法。而且開發(fā)檢測方法時應(yīng)著眼于油田現(xiàn)場應(yīng)用，設(shè)備需要便攜化，應(yīng)不需要水浸等復(fù)雜的配套條件。此外玻璃鋼管外部常采用發(fā)泡聚氨酯的“黃夾克”保溫層，現(xiàn)場鋪設(shè)時僅有接頭部分外露，待試壓合格后再進(jìn)行保溫層補(bǔ)口，而在實(shí)際應(yīng)用中接頭部分也是一個薄弱環(huán)節(jié)，因此在現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)針對接頭部位的檢測技術(shù)。

3　增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合管

增強(qiáng)熱塑性塑料管(Reinforced Thermoplastic Pipe，RTP)，國內(nèi)又稱為柔性復(fù)合管、柔性復(fù)合高壓輸送管等。具有多層結(jié)構(gòu)，主要由聚合物內(nèi)襯層、增強(qiáng)層、外保護(hù)層構(gòu)成。聚合物內(nèi)襯層通常采用聚乙烯樹脂，也可以采用交聯(lián)聚乙烯樹脂、聚偏氟乙烯樹脂或其他高分子聚合物樹脂；增強(qiáng)層為聚合物內(nèi)襯層上編織或纏繞的滌綸長絲、芳綸長絲、超高分子量聚乙烯長絲或鋼絲繩/帶等；外保護(hù)層采用聚乙烯樹脂。RTP管管體采用多層結(jié)構(gòu)，層與層之間可粘結(jié)為一體也可以相對獨(dú)立，管體柔性可盤卷，單根管道長度大。RTP管在國內(nèi)是近十年發(fā)展起來的產(chǎn)品，由于其結(jié)構(gòu)具有很高的可設(shè)計(jì)性，因此受到極大關(guān)注，目前已成為用量僅次于玻璃鋼管的非金屬管，并已開始嘗試應(yīng)用于高溫、高壓、含硫等苛刻環(huán)境的油氣介質(zhì)輸送。由于RTP管管體為多層結(jié)構(gòu)，而且其承載的結(jié)構(gòu)層位于管道環(huán)空內(nèi)(內(nèi)襯層和外保護(hù)層之間的空間)，這使得現(xiàn)階段尚無適用的無損檢測手段。

在海洋石油領(lǐng)域使用的柔性立管，其結(jié)構(gòu)同RTP管極為相似，屬于多層的柔性管道。由于服役環(huán)境苛刻，且失效后的損失極高，因此柔性立管采用了多種在線監(jiān)測手段：如激光漏點(diǎn)探測、渦流、磁致應(yīng)力、超聲波、環(huán)空排氣監(jiān)測、過度變形檢測、聲發(fā)射、光纖等。在這些測試技術(shù)中，光纖技術(shù)可對管體環(huán)空內(nèi)的應(yīng)變、溫度、壓力和存在的氣體進(jìn)行監(jiān)測，而且已有商業(yè)應(yīng)用，如NKT開發(fā)的應(yīng)變、溫度、壓力和氣體傳感光纖，以及Schulemberger和Technip基于反向散射光分析技術(shù)開發(fā)了分布式溫度傳感器[16]。柔性立管的光纖監(jiān)測是通過在管道制造階段將光纖植入管體實(shí)現(xiàn)的，植入方式有兩種[17]：將包裹金屬外殼的光纖隨同鎧甲線一起編織進(jìn)入管體，或先將空外殼編織進(jìn)入管體隨后再將光纖“泵入”。

目前國內(nèi)已經(jīng)有廠家實(shí)現(xiàn)了在RTP管中植入動力和信號線纜，用于井下服役。由此分析，通過將測試光纖植入RTP管的結(jié)構(gòu)層內(nèi)，即可制造出具備自監(jiān)測功能的新型RTP管，實(shí)現(xiàn)在服役期間對管體環(huán)空內(nèi)的溫度、應(yīng)力以及氣體組分的監(jiān)測。然而實(shí)現(xiàn)這一想法卻面臨一些障礙：

1)盡管RTP管的單根長度可以達(dá)數(shù)百米，但是為了便于運(yùn)輸、安裝和更換，實(shí)際產(chǎn)品的單根長度多在幾十米，這必然會增加整條管道中的接頭數(shù)量，如何保證接頭位置的信號連接將是一個技術(shù)難題。

2)如有管道破損，修復(fù)后如何重新連接管體內(nèi)的光纖。

3)目前國內(nèi)的地面油田都在力求降低開采成本，這就要求管道的價格不能在現(xiàn)有的水平上有大幅度的增加，這必然會限制新型RTP管及其配套的監(jiān)測裝備的研制和推廣。

4　結(jié)　語

綜上所述，開發(fā)地面油氣田用非金屬管的現(xiàn)場監(jiān)檢測技術(shù)具有重大的科研和現(xiàn)實(shí)意義，同時也是不能可回避的。就現(xiàn)階段而言，首先可以通過借鑒其他領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，針對各類非金屬管材研發(fā)監(jiān)檢測技術(shù)，以確保管道的現(xiàn)場施工質(zhì)量，并能夠在實(shí)際服役過程中及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確定位失效；其次，還應(yīng)持續(xù)開展非金屬材料性能退化的機(jī)理研究工作，在確定直接表征管材性能的參數(shù)上取得突，進(jìn)而開發(fā)出有效的現(xiàn)場監(jiān)檢測技術(shù)，為真正實(shí)現(xiàn)非金屬管道剩余壽命預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

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