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管道完整性管理实践综述
Hossam A. Kishawy,Hossam A. Gabbar
文章信息
文章历史：2009.7.13接收
2010.4.13修订表格
2010.4.30授予
关键词：管道完整性 管道失效分析 完整性管理
摘要：
管道完整性是许多工业和工程系统的基石。本文提供管道完整性相关的各个环节的回顾与分析，管道威胁的解释和故障分类。对使用压力标准的设计实践进行了讨论。检验技术研究和用作描述相应的完整性评估技术，是一个基础与完整性监控和维护标准。最后，管道完整性管理系统设计采用活动模型，过程模型，知识结构。本文将有助于进一步开发自动化工具，支持管道完整性管理。
- 引言
管道功能如同血脉一样带来生活必需品如水或天然气，并带走生活垃圾如污水。他们被认为是大批量的气/液运输最受欢迎的方式。许多管道是由特定的公司在各自的地区上向客户运输商品的。此外，管道公司必须继续经营获利，因此管道在国家和全球层面上互联。管道其他运输方式如汽车/火车由于其成本效益，方便的网络，土地利用效率高，可靠性高，安全和环保以及在远距离程度较高而有首推率。
然而，由于管道基础设施的代表一个高资本投资和管道必须是免于退化的风险，这可能会导致环境危害和生命的潜在威胁的风险，管道完整性设计，监测和管理变得非常关键。例如，不当设计的暴雨下水道可能会威胁生命，如溺水儿童，甚至成年人冲进或掉进一个没有一个壁炉的风暴下水道。天然气管道的维护不当，会导致管道泄漏或破裂而引起爆炸和火灾，造成财产和生命的威胁。此外，高度危险的气体或液体，如氰化物，高度放射性废物，如核武器工厂中存在的这些放射性废物，对这些工程的工人和这些工厂的邻居构成了很高的风险。他们必须在设计和操作进行极端注意。泄漏或管道破裂必须不惜一切代价阻止。
“管道完整性”意味着防止失效，检查和修理的概念，还包括产品、实践和服务，帮助运营商最大限度地发挥他们的资产。全部经济建立可靠的管道，其完整性从其管状结构的高技术的建筑，建模，管理，监测和维修的方法比以往任何时候都受到更多的关注。它开始在项目构思阶段，允许风险缓解和长期优化的性能，以建立最终的设计。本文将简要介绍管道的完整性面临的典型威胁和广泛使用的管理和监控技术。
1.1 管道完整性威胁
很多公里的管道埋在泥土或水中，有从几微米到几米的厚度范围内的涂层，管道的完整性有很多种类的威胁：
·材料和施工缺陷，如有缺陷的纵向管焊缝，管体或接头焊缝；
·从施工机械损坏，维修或第三方开挖；
·错误操作；
·腐蚀、蠕变和断裂机制；
·设备失灵和故障；
·地震等地球军队、滑坡或大地电流和天气有关的威胁，如强风，汹涌的海洋或冷/热温度；
由于不同形式的威胁，出现一种趋势，不仅在思维上防守，面对安全和资产优化也占据积极的位置。为了跟上法规、经济和应用的要求，管道的可靠性开始于管道使用的质量。公司建设新的管道在他们的位置上有一系列的材料和涂料，这在几年前还不能用。在冶金领域的进步给予了管道制造商满足最苛刻的条件，包括高温/高压，北极和酸的应用的能力。
然而，即使有了这些技术的进步，有一个强大的管道完整性管理系统仍然是重要的。以评估和减轻管道风险，以减少事故的可能性和后果是一个过程。
1.2 管道完整性管理
最近的管道故障，如图1所示，已经导致美国交通运输部做出旨在加强管道完整性管理通过检查，测试和分析的管道运行或接近高结果区的规定[1]。管道完整性管理主要包括管道的评估、检查、缺陷及维修、维护等方面的工作。然而，基于不同类型的管道，完整性管理的重点也放在不同的方面的系统。例如，高压管道，指的是管道的内部压力很高，管理首要关注的是保证爆破或泄漏的管道安全。最长距离石油和天然气管道属于这一类。低压管道内的内部压力太低，重点应放在控制外部负载。多数下水道涵洞属于这一类。对于中间压力管，特别是大直径和相对较薄的管壁，受到大的外部荷载和地震或其他自然灾害。
图1.美国最近的管道故障[1]
亚力山大[2]开发的一个基于工程的完整性管理的发展现状
程序（eb-imp）这部分基于原则体现在API 579健全服务文件。在其核心，应用程序的579个层次的评估过程中使用的一个特定的组件或系统的服务，以评估健全。还有其他的方法和模型的模型像5米的加拿大石油生产商协会（CAPP）。一般每个管道完整性管理程序应包含以下成分[3]：
（1）确定一个用于识别管道段和故障模式的方法，该方法可影响高结果区域；
（2）基线评估计划；
（3）一个集成了所有可用的信息，完整的管道和失败的后果的分析；
（4）评估计划和信息分析中提出的维修措施的标准；
（5）保持管道完整性的持续评估与评价方法；
（6）保护高后果区的预防和缓解措施；
（7）方法测量程序的有效性；
（8）一个完整性评估结果的审查和信息分析的过程。
经验表明，几十年来，正确设计，检查和维护管道可以继续安全地满足需求。这就是为什么管道运营商使用了直接评估，水压试验和内部检查工具的组合，以确保世界上最重要的自然资源安全和可靠的交付。
2.管道完整性设计
基于不同类型的管道，有专门的设计考虑：
2.1.高压管道
对于压力管道的温度变化的影响，必须考虑。对刚性支承的管道，管道受到支持扩大纵向。如果发生重大的温度变化，由于天气变化或转冷后，在维修过程中的约束管的热焊接，高应力，可以产生在管道中，使管道破裂，变形，或弯曲过度，或破坏支撑。
对于不支持的管道和横向荷载存在时，管弯曲是另一个需要考虑的因素，当设计的高压管道。任何适用于管道的横向荷载，包括其自身的重量，使管在相邻支座之间的凹陷或弯曲。这样的弯曲会导致管的任何截面的弯矩，从而产生弯曲的拉伸应力。最大弯曲应力发生在最大弯矩的位置，其中最经常发生在中间的，和在外表面或边缘的弯曲，应力是一个张力的外部的弯曲，和压缩的内部侧的弯曲。这种弯曲应力也发生在埋管时，由于冲刷，地震，或地面沉降，或地面支撑的埋管的一部分。管道弯曲对管道设计的影响是另一个重要途径。管道中的流量可以产生非常大的管道弯曲和负责腐蚀和腐蚀，特别是当流体压力高。这需要仔细设计的推力块，通常是沉重的钢筋混凝土结构，来抵御这种推力。
2.2. 低压管道
对低压管道的分析和设计主要是针对土壤性能，管土互动、安装（基底）的方法，和管道的刚度。
低压或无压力管道的设计主要集中在外部而不是内部荷载。尤其重要的是，这些管道的设计是土压力荷载，这取决于土壤的性质和条件。同时，系统在结构上的不确定，使管间的相互作用高度复杂。这意味着，在土壤和管道之间的力量和压力，不能确定使用静态和动态（牛顿定律）。在分析中还应包括管道的刚度特性，进一步复杂化的问题是土壤性质随空间和时间的变化而变化。由于这种复杂的相互作用，污水管大多数分析是半经验的依赖许多简化的假设和实验数据。
基于管道的刚度特性，设计应区分刚性和柔性管道。对于刚性管道系统，完整性设计包括以下3个步骤：（1）确定土压力荷载；（2）通过使用经验数据确定活荷载；（3）将土压力荷载与动态荷载结合起来；（4）选择施工类型，并确定相应的顺层因素；（5）确定安全系数从标准或规范（如果不存在安全系数，使用最小为1.5）。
在柔性管道上，当一个圆形截面的管子在接地荷载时。这个力使管变形为椭圆形。这种变形和挠度，分别被称为环变形和环挠度。这样大的变形减少流动的横截面面积，并造成了流体运输潜在的风险和在测试中的障碍。刚性管、高压管伴随的其他因素，包括有弯曲、地震荷载作用下，由热膨胀引起的应力，也应该是柔性管设计应考虑的。
3.管道检测管理
完整性管理的目的是确保应用于安全管道的材料、做法，以及使用检测工具是最先进的。评估过程通常包括制定管道完整性评价的管理计划，收集信息，进行风险评估和优先利用风险排序软件。
正确的检查是安全可靠的管道操作的关键。一些检测方法包括：检测、水压试验、外腐蚀直接评价（ECDA）和内腐蚀直接评价（ICDA），和其中的一些简要介绍如下[ 3-6 ]：
3.1. 智能猪
“智能猪”是由石油管道行业使用的圆筒形电子装置，用于检测金属损失，和一些情况下的管道变形。插入管道的液流推动，智能猪通过管道时记录某些物理数据管道的完整性（如位置，减少管壁厚度、凹痕等）。智能猪数据的评估，允许管道运营商在他们成为一个问题前作出关于管道的完整的决定并找到和缓解潜在的问题领域。
自20世纪60年代以来，智能猪经历了几代的技术进步。随着智能养猪技术的发展，管道运营商已经要求使用专业的“智能猪”，专业的智能猪已经演变成了三种类型：金属损耗工具、裂纹检测工具和几何工具。
3.1.1. 金属损耗工具（腐蚀工具）
- 漏磁（MFL）：这个工具对管道产生一个磁场。当它的运行，它定位和记录在管道中的磁通异常。所记录的磁通数据被转换成信息，该信息可提供管道中的金属损耗的指示。这些工具有两种类型，高分辨率的漏磁检测和标准分辨率漏磁检测。两者之间的主要区别是在传感器的数目和分辨率。如果腐蚀异常是内部或外部的管壁，大多漏磁工具可以确定位置和点位置的金属损失异常检测。它还提供了每个腐蚀异常的数据，包括其长度和最大的坑深度，这使得计算，以确定管道的剩余强度。漏磁检测猪一般能够检测腐蚀深度大于管壁厚度20%的腐蚀深度，虽然智能猪供应商实际指示报告和腐蚀异常结构变化。然而，轴向应力腐蚀开裂等缺陷，焊缝腐蚀和轴向选择性很难用漏磁检测猪发现。
- 超声：也叫“UT工具”，这个工具提供了类似的物理管数据作为检测工具，但它使用超声波技术。UT工具发射一个超声波脉冲，在管壁和直接测量其厚度。由于这项技术需要一个干净的管道壁，它一般不用于某些管道，如粗线与石蜡堆积。UT工具也有壁厚限制。它对于厚壁管工作书美丽，但对于薄壁管不能良好的工作，它并不是广泛使用的检测工具。
3.1.2.裂纹检测工具
这些都是最近除了管道运营商的完整评估工具套件。其中一些技术是相当先进的，而且还在开发中：
A.超声波探伤：这个工具会产生一个超声波信号到管壁，反射的内部和外表面的管道。如果裂纹被检测到，该信号沿相同的路径的工具反映回去。由于传感器和管壁之间需要一个“液体耦合”，该工具只适用于液体管道。
B.横向漏磁通：这个不断发展的技术磁化管壁周边来检测裂缝，如纵向焊缝裂纹和纵向焊缝腐蚀。这个工具类似于标准漏磁工具以上；然而，感应磁场是横向或垂直的方向。该工具还具有一定的缺陷，裂缝必须有足够的宽度，或间隙，以被检测，并不能确定裂纹的严重程度。
C.弹性波工具：这个不断发展的技术，通过发送超声波沿管道方向来定位和测量纵向裂缝和制造缺陷。
3.1.3.几何工具
几何工具的目的是收集管道物理形状，或几何形状的信息。几何工具，主要用于发现管道“外力损伤”，或凹痕管道。然而，他们也可检测和定位主线阀门，配件，及其他附属设施。与所有的内联检查工具一样，这些工具在使用范围和结果的范围上都有限制。这2个主要类型的几何工具，利用相同的原则：
A.钳工具：这个工具利用一套机械手指或手臂搭在管的内表面或用电磁方法检测凹痕或变形
B.管变形工具：这个工具是一个卡钳一样的工具，但它也利用陀螺仪提供管道内的凹痕或变形点的位置。该工具一般可以提供管道弯曲信息。
3.2. 映射工具
这个工具可以利用与其他工具上面提供的全球定位系统（GPS）结合相关映射的管道和其他物理位置数据，如阀门等附件。
3.3. 长距离导波检测
导波技术在运行中的管道，绝缘，甚至被掩埋中，检查金属损耗，如腐蚀和侵蚀。长范围的导波频率小于100千赫被用来映射在管道中的腐蚀和侵蚀
3.4. 水压试验
水压试验是用于在制造过程中进行强度试验，以及在该领域的管道安装完成之前被放置来服务。在管道运行后，静液试验也被使用时，对完整性进行了保证。管道是不能够在内部检查或如果缺陷内部检查智能猪可能无法检测到，水压试验通常是首选的完整性评估方法时。水压试验确定了管道的承载能力，并可以识别可能影响操作过程中的完整性的缺陷。测试完成的压力，是大于管道的正常工作压力。这提供了一个安全边界。该试验强调管道将其规定的最小屈服强度的预定百分比，并且试验一般为八小时。如果应力腐蚀开裂可能出现，测试压力可能会增加至100%至105%的规定的最低屈服强度或更高的30分钟到一个小时[ 3 ]。轴向缺陷如应力腐蚀开裂，纵缝开裂，选择焊缝腐蚀，狭长的轴（通道）的腐蚀和轴向豁口很难用漏磁检测（MFL）猪，更好的检测是水压试验，水压试验需要获得大量的测试水的功能，在一些地区可能是困难的。一旦使用，测试水可能含有石油产品微量，可排放或处置之前需要处理的水。最后，水压试验要求的管道是服务了一段时间，因此可能会减少可用汽油、喷气燃料、柴油、原油、在交货点和/或家庭取暖油。
图2.管道开挖检查外涂层和评估腐蚀[ 6 ]。
4.管道的评估方法
4.1.外腐蚀直接评价
因为只有约50%的管道是通常运行清管器的，直接评价被开发为一种内部检验工具和压力测试[ 6-8 ]。这是一个积极的程序，在它们增长到一个大小足以损坏管道的结构完整性之前，可以防止和检测外部腐蚀缺陷。外腐蚀直接评估通常是评估一段管道完整性的四个步骤：
·预评估
·间接检查
·直接检查
·后评价
预评估涉及的数据收集和可视化，对直接评价的可行性判定，外腐
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