完整性管理和管线修复技术.docx
《完整性管理和管线修复技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整性管理和管线修复技术.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整性管理和管线修复技术
在役管线的完整性管理和修复技术
一个基于团队的方法
英国Lonik顾问公司AlanDenney
英国JPKenny有限公司PaulO’Connell，GeoffreyBoyd
摘要:
对管道安全性的要求和环境意识的不断提高，推动着管线完整性管理的过程朝着一个更加常规的，基于风险的方向发展，以适应不断增长的后役期管线的数量和近期管线事故的高发率的现实，以及配合一些新规程（部分是对上述问题的应对）的实施。
这种趋势给管道行业带来了严重挑战：
完整管理团队应如何构成，团队内应如何实施管理与交流，使用哪些检测工具和评价方法，如何采集管线的完整性信息、如何对信息进行综合有效的管理。
本文讨论了相关行业如何面对这些挑战：
改进计划和管理流程，采取基于风险管理的策略，改进检测、监测手段及数据分析的水平，正确应用当前可用信息技术等等。
引言
在实施管线修复工程时，若想成功地控制预算和按进度表施工，达到委托方的工程目标的话，就需要在合同签订之前预先精确地制订出工程的相关施工范围。
不断拓展的工程范围需要多个自律团队之间的积极协作，这些团队对管线完整性有着详细深入的理解。
这样的典型团队往往有着一批从若干不同组织中获取专业技能的专业人士。
当团队成员广泛地分布在不同的机构、办公室和区域场所时，能否有效地理解和交流本身的挑战性在不断增长。
随着后服役管线数量的不断增长，认真地计划和执行对管线及设施的评价和修复就显得尤为重要。
行业内主要的发展趋向是：
-更为严格的规程
-采取新的国际规范标准
-对管道行业更高的公众期望
-高的可用性/更短停工期要求的驱动
-修复成本的控制/更为细致的进度表
管道行业对这些挑战以如下的形式加以应对：
-改进计划/管理的过程
-基于检测的风险管理策略
-改进的检测与监测手段
-改进的分析方法
-采用更加广泛的可用技术
长服役期管线的数量
尽管是已经超出了最初的设计寿命，大量的油气管线仍然在生产运行。
就管线本身而言，这并不意味着面临着不可避免的危险，但是高发管线事故已经迫使人们对管线完整性越来越关注了。
附录中的表2所给出的是近期发生的，对行业看法产生了相当大影响的事件。
它们是在美国发生的管线事故，直接导致了对管理规程的修订。
在表1列出了引起输气管线破裂起因的大致统计结果。
这些管道的失效原因要么是管体的金属腐蚀，或者是第三方对管道的破坏。
表1导致美国管线故障的原因分析
事故原因
百分比
外力破坏（他方施工）
40%
结构/材料的缺陷
20%
内部的腐蚀
16%
外部的腐蚀
7%
其他原因
其余
（源自1996-1999的管线安全统计办公室）
经济方面的考虑
正如表2所显示那样，管线故障的发生即使不是由误操作引起的，也会导致如下的严重后果：
-生命的伤害或伤亡
-现场清理的花费
-损失收入
-环境破坏
-对良好愿望和公司形象损害
在公众、媒体，当然还有管线运营商的心目中，怀有对环境问题不断提升的意识，特别是管道运营商们有着成为好邻居的美好愿望。
经济因素也正在迫使管道运营商们努力维护管线资产使之处于良好的操作条件下。
对已经受到腐蚀损伤的管线采取措施（例如降低运行压力），或者要在维持产量和商业利益的两者之间做出选择，对管线完整性或运行风险给出一个解决方案都是困难的，即使只是在短期内的应付技术和政治方面压力依然是如此。
规程及展望
当前，许多运行者已经将管线完整性管理固定纳入了工作议程。
这既是由于下列原因所导致的，也是对其采取的应对措施：
-日益增强的环保意识，公众不能容忍碳氢化合物的排放。
-新的法规的实施。
比如在美国，关于完整性管理方法实践需求。
（见参考文献1，2）
其效果是，管线运行者在基于任何必须修复程序的优先级范围，将愈加维持必要信息的数据集合。
此外，当前存在着行业标准和实践方法全球化的趋势。
例如：
在美国颁布国际性的规程本身相当相似于澳大利亚、加拿大和英国采用的规程。
这些美国规程自然而然地被采用在本地规程没有严格需求的地区。
它们也可以被采用在井然有序的石油生产区域。
诸如在联邦体制的国家内（CIS），其趋势是国际石油公司往往采取双重规程—俄国和美国，或俄国和国际性组织的规程。
规划及管理过程
任何一个重大的管线评价和修复工程需要由多个自律专业团队的协作来完成，且来这些团队来自多个机构，并且分布在包括现场在内的多个地点。
专业团队的成员包括：
-管线管理和运行团队，对修复的管线确定出操作上的需求。
-管线工程师，掌管管线和设施的设计，并根据管线状况制定出新的配置。
-检测专家，负责管道内检测，腐蚀监测和现场（地面上）检测，并且做出非常规的需求分析。
-管线条件评价专家，完成智能猪和其他检测数据的分析和解释，并推荐应采取的正确措施。
-完整性的管理团队，包含风险和可靠性专家，负责从宏观上理解管线的运行条件。
他们在复修工程中的主要职责是确定出需要密切关注的管段长度，以及对其确定修复的优先次序。
-信息专家，负责管理管线完整性管理数据库和GIS模型。
-维修、修复、建筑和涂层专家。
方案的效力将依赖于：
a）适当地应用关键的、可用的信息技术，以及，
b）良好的项目管理实践经验，有着明确定义的目标、严格的计划、良好的交流、明确的职责和界面。
潜在的收益来自于更好的规划、管理和交流是：
-团队内不断加深对应充分关注领域的共有理解；
-不断改进管线再设计流程的效率。
-承包人在工作范围的全面拓展，在领域内努力使效益更大化。
-减少实施过程中被索赔和工程延期的可能范围。
频繁发生的不幸的原因是，在对管线的宏观条件只达到有限的理解时就开始了管线修复工程。
它的危险是会导致对工程范围的很差界定，这将引起项目管理在定义和控制范围、工作面貌、预算和进度表上的争斗。
更坏的是，项目可能已经完成，但是没有能够针对关键问题。
针对某些事件的研究显示，一个重新涂层和阴极保护的修复工程，是几乎没有预先的检查或是理解管线的内在条件下进行的。
在‘修复’长度的管段内，由于内腐蚀的原因，导致了数年后管道泄露，造成管道没有收益的停工期和费用巨大的重新修复。
完整性管理系统
基于安全、环境保护、成本效益和有效持续地使用资源等原因，管道行业已经对管线完整性的关注点进行了更新。
管道的运行商们对完整性管理系统（或流程）存在着日益增长的需求。
期望这样的系统既能提供基于风险的检测，以及基于风险的修复行为。
管线完整性管理系统要实现在改进后管理流程与适当的信息技术（关于数据分析、直观显示和管理）之间的结合。
通过复原管线以满足操作需求、完整性规程，增强了维持管道产量的信心。
基于风险管理的策略
在美国，管线安全性办公室已经颁布了新的管理规程（49CFR195．452），作为完善联邦规程的新法规，规范了危险液体输送管线的运行和维护（参考文献1）。
新的规程要求分阶段地建立全面基于风险评价的完整性管理流程，特别是对靠近居民区和环境敏感区域内的管段。
美国石油协会颁发了API1160“关于危险液体管线完整性管理”（参考文献2）来配合49CFR195．452的实施。
这些规程标志着该行业的管线完整性管理程序正在朝着更规范的方向发展。
既包括基于风险的检测也覆盖了基于风险的修复规划。
这还预示着另一个趋势：
区别于以前的完整性管理流程，以管道路由上方航飞、通球除水、阴保电位的测量、以及控制内部腐蚀的测量等手段为特色。
与API1160的规程配套的另一个流程是：
对所有的管段界定是否会涉及高风险区（HCA），并依此制定出基于基线评价的计划。
高风险区域（HCA）的定义为：
-有着商业航行的水路
-一个人口大于5万或人口密度大于1000人/平方英里的区域。
-（小一些）居民区，但人口居住很集中的其它区域。
-在规程195．6中所定义（环境上）的异常敏感区域。
在美国，由管线安全性管理办公室来确定HCA区域，并提供这样的区域图。
还说明管段是否对HCA产生影响，并对这样影响提出相应的应对需求。
对于那些不临近HCA区的管段，要综合管段通过地域的地形、管线的压力梯度、及其他的重要因素，决定管段是否需要进行评价。
标准的关键特征是，基于风险考虑而非靠经验或是其它规定。
参照正规的风险评价规程，采用决定性的关键因素，例如：
-安全性和完整性项目中的管线临界长度。
-实施检测和监测的种类和频度。
-管道维修的先后顺序,可接受的维修类型和维修时间表。
完整性评价的基线，并生成：
-一个维修和减缓行为的优先次序列表，这个优先次序是基于风险的方法得来的。
-一个附加的预防措施和减缓行为的优先次序列表，它是源于风险分析结果（例如改进的监测和检测）。
-一个实施补救检测进度表。
它是参照API1160的指导方针，对特定类型的管道缺陷制定的。
这些结果来自于管线的基线完整性评估，它们有效地表达出修复流程的需求。
这种强调风险评价和规划的重要性，已经隐含着如下的内容：
-组成管线完整性管理团队（包括风险管理专家），以及
-必须信息的数量和种类，以及如何的收集、综合、管理和交流。
改进的检测及监测
与长期服役期管线量增加的事实相比，持续地开发出应用管线检测、监测技术，风险模型和数学模型去评价管道缺陷的技术现状并不能够令人满意。
不断改进的检测及监测技术，上升为对管线完整性的更高认识，强化了集中关注于关键因素进行完整性管理的能力。
管内检测
管内检测提供了一种确定管线内部和外部100%条件检测的方法，但是其应用特点要加以注意：
-管线必须具有适宜于检测工具运行的条件，比如，管段两端有发球/收球设施。
-并非所有的缺陷都是可以检测到的。
-成本过高以及要中断管道的运行，致使该方法不能频繁地使用。
在过去的十余年中，应用于管内检测工具（智能猪）以及对检测结果的分析解释方法已经有了长足的进步。
智能猪工具已经从原来只能对管体的缺陷给出“轻微，中等，严重”的定性报告，发展成为对管道内部和外部进行高分辨率探测的设备，能对每个缺陷（异常）给出精确深度、长度和宽度等信息的报告。
针对管道的内检测有多种类型的检测设备，每一种都有特定的检测缺陷能力。
例如，横断场的漏磁检测设备被用于检测在管道上位置大体一致的纵向排列的缺陷。
基于超声波技术的工具也在逐步地发展，它是用于管体厚度的精确测量，以及管体裂缝的检测。
数据评价
管内检测可以提供出有关管道缺陷的庞大数据集合。
这些数据带来了一个新的课题，所检出的缺陷能够承受的管道运行压力，以及是否需要维修的判别准则。
经过多年的努力，现已经开发出了若干个判别管道失效临界条件的数学模型。
即：
ANSI/ASMEB31.G.
Rstreng.NG18.
APIRP579.
DnVRPF101.
BS7910（针对线性的缺陷）.
常规的组织管理
-缺陷的自动分析。
也就是，对大量缺陷能够进行低费用的高效分析，减少因操作者的错误带来的运行风险。
减少操作错误的危险
-多种检测方法、不同时间的检测结果的交叉分析；不同测距方法（如里程表与测绳）之间偏差的矫正等等。
-管道缺陷的直观显示工具，按上下文的形式将结果显示在管线分布图的相应位置上。
图1，2，3及4中，给出了这些仪器的分析数据软件使用例子。
管线地面上方的检测
管线内检测方法所得到的是整个检测段上管道端点到端点的腐蚀状况指示。
其它的监测或检测方法则通常都更多给出的更为局部化或专业信息，而这样的信息则要求更为专业性的数据解释。
管线上方的各种检测方法，则用于调查埋地管线外部条件的各种信息。
防护层破损通过直流电压梯度法（DCVG）方法探测。
用密间隔测量法（CIPS）则可测量局部管段上阴极保护电位（用于阴极保护系统的效果）。
这两方法从技术上说是相当成熟的，也可以同时进行CIPS和DCVG的检测，并可将检测结果通过数据记录仪进行记录，以备之后分析解释。
这两种方法所提供的数据能用于判断腐蚀发生的区段，进而确定出修复的相应区段。
对于应用DCVG的忠告是，如果防腐层所于非常低劣状况的话，检测信号将会迅速减弱。
一个熟练的检测员无论如何都会毫无困难地确定出信号衰减的原因。
腐蚀监测
常规的腐蚀监测方法如铁的含量（ironcounts）法、缓蚀剂残留法、以及各种固定位置腐蚀探头（但很少用在管线上）等等，以及与监视线圈（monitoringspool）（如：
场地签名检测法、Ceion方法、实时检测）结合法。
直接评价
将检测方法或监测技术而得到的检测数据加以综合使用，替代管内检测或注水压力测试方法的做法已被命名为“直接评价”方法。
对很多管线应用内检测技术无法实施检测，注水测试方法也是不可行或是用户不愿意采用，尤其对于输送干燥介质的管线更是如此。
美国新规程的实施结果是，要求操作人员对自己管线所有情况都有充分的了解，对管道实施的测试和检测要有完整的规划，以验证管道的完整性，并针对这些缺陷采取相应的措施。
为了提供一个可靠的过程框架，国家腐蚀工程师协会（NACE）已经颁布了用于管线内部和外部直接评价的评价标准。
（参考文献4和5）
可用的信息技术
高效、低成本管线完整性管理的关键成功因素包括：
a）访问大量的，不同来源，不同的格式，与决策制定相关联的信息。
b）通过使用分析手段，直观化以及决策支持工具，可使工程师快速地获得相关信息。
API1160规范中规定：
信息的综合是完整性管理系统的关键组成部分。
这里有一系列“可用的”技术，这些技术可应用到管线的完整性管理中，用来实现新的信息技术带给其它行业的各种生产效益。
它们包括：
-信息系统和特定的GIS系统平台
-遥感技术（卫星图像及航空调查）
-现场数据处理（卫星定位、电子数据记录等）
-管线调查技术（无损探测、内检测猪等等）
-空间分析（斜坡稳定性，泄漏危害模型等）
-通信（网络，电信，远程数据访问等）
所有的管线信息都有其相应的地理信息，也就是每条管线都与地表上的某一位置有着信息关联。
这些地理（或空间）信息意味着结合了空间技术的GIS系统对管线完整性管理有着特殊意义。
管线信息
在管线系统设计、建设施工和运行等环节中，会产生大量的，不同格式，众多来源的原始资料和信息。
这些信息可以根据用途分为以下类别：
-工程（设计，施工，安全，适应性，检测，升级，维修）。
-操作（产品类型--历史的和现在的，罐的容积，介质流量，压力，阀门操作，漏点探测）。
-相关联络（第三方，所有者，规划编制、突发事件服务，事故报告的部门）。
负责管线条件评价与修复的团队需要访问这些信息。
这个团队在分析问题，详细设计及说明，实施解决方案的过程中还将生成更进一步的信息。
一个项目实施的效率将取决于访问，显示，分析和管理这些信息的难易程度。
基础管线数据，包括：
-基本地形图（公路、城镇、河流、行政区）
-专用的图（航空图片，卫星视图，三维的大地模型）
-土地所有权证明
-路由勘查和检测（照片，视频）
-设计数据（可研、报告书、设计计算表、工序单等）
-地面上装置（平面图，P&ID，相关文档资料，检测记录）
-设备/仪器（供应商详细情况，规格，保养记录，阴保设施，SCADA）
-第三方设施（道路,铁路,人行道,电话设施,供气设施）.
-第三方联络（服务公司,应急服务,其他联络）.
-环境约束（居民中心,树木保护禁令，SSSI）
-运行数据（输送介质流量，总量，历史记录，等等）
-事故及事件（事故、近期的疏漏，计划的相关工作）
-地质资料（土壤条件、土壤电阻率、pH值、缺陷、地壳变动记录，大地滑移）
-初建信息及维修记录（路由、结构、维修改造）
-调查/检测记录（内检测数据,CP等等）.
-操作文档（应急预案,管线安全需求,标准,变更记录）.
更多专门的管线环境数据，包括：
-在线检测数据（智能猪）
-阴极防护效果测量数据
-密间隔测量法数据
-测试点（测试桩）测量（通断电位测量）
-防护层（涂层）调查
-直流电压梯度法（DCVG）
-交流电压梯度法（ACVG）
-皮尔逊法（Pearson）
-交流衰减法（交变电流梯度法）
-直接检查
-涂层类型和条件
-现场补口的涂层类型和条件
-地表水的pH值
-土壤分析（氯离子，硫酸根离子，渗透性，氧含量，微生物活跃度，氧化还原电位，温度，pH值，沿管线路由地形的变化）
-腐蚀图
-腐蚀产物分析和类型评价
-管线温度
-通过ASMEB3.1.G,RStreng等标准分析管体的剩余强度
这种数据集合的搜集和管理，对于操作者来说意味着很大的投入。
这些数据的获得要依赖于适当的地理信息技术的应用，如：
卫星/航空图像，电子数据记录，管道猪，移动计算，卫星定位，数字等高线模型，制图/数据转换等等。
地理信息系统（GIS）
GIS首先是一个信息系统（也就是一个数据库系统），它由大量的数据组成。
可以通过一个拥有图形界面接口的软件系统来访问。
GIS的用户可通过单击地图属性来浏览数据信息，也可执行很多其它类型的查询和评价。
除了图形界面，一个GIS系统拥有了用户所期望的其它信息系统中的所有功能。
可以浏览数据列表，完成查询，生成正式报告等等。
GIS还是一个“一体化”技术。
它并不取代已存在，且已开发了的能够满足特殊需求的信息系统，它所做的只是提供访问这些系统中存储信息的另一种方法。
例如，用户可单击GIS系统中的土地区块图来打开相关土地所有者所有权记录，而实际的所有权记录可以继续存储（或保留）在最初的数据库中。
GIS也是一个综合了“多媒体”技术的系统。
它可以通过多种形式访问信息，如：
-地图（项目，地名索引，邮编，环境）
-CAD制图
-表格数据（文本,数字）.
-航空图片
-卫星图像
-视频影像
-照片
-其它图像（如原始的射线图片）
-Word文档
-Spreadsheets电子数据表
-数字等高线模型
结论
随着行业中长服役期管线数量的不断增加，维护管线完整性和“工具”发展方面的重要性也在不断的提升。
现有的检测、监测、分析评价技术的持续提高，使得对管线真实情况的理解能力也在不断进步。
应用在任一完整性管理系统中的范畴、结构和方法正在不断地规范化，并成为了规程的条款。
这些需求将逐步被国际上认可，这是可以预期的。
对新条款的需求是基于风险评价结果的，进而确定出管线维修的优先次序，以及对管线采取的缓解措施。
这为修复工程和适当的管理框架提供了一个可靠的基础。
信息技术系统提供完备的数据仓库访问，分析工具，描绘出可视化的管线信息，推动了更容易地确定修复工程范围。
它们还为团队内的沟通和相互理解提供了有效的帮助。
这些方法和体系作为修复工程中实际应用的流程，这需要对团队成员作出一个全新的定义。
团队成员包括：
-管线及设施工程师-完整性管理专家
-检测人员，包括：
专业检测人员，调查人员和检测分包商
-风险评估专家-信息管理专业人员
-软件开发人员
对管线完整性的正确理解和必要的补救行动，为制定管道修复计划表提供了一个可靠的基础。
这种方法可以从根本上为提高了对管线进行适时的、经济的完成修复项目的机会。
资料：
CEION®腐蚀监测法
CEION®是一种金属蚀失以及金属-液体表面的电化学条件的艺术级（state-of-the-art）技术。
相应的仪器能够反映出亚纳米（<10-9m）域的腐蚀性为，它相当于铁原子半径（125微微米）的精度。
操作理论：
由于表面缺陷、金属杂质、应变损伤、传导性沉积物导致的电子迁移及电流密度的变化，这些会影响金属样品表面上与溶液接触的电性传导路径。
仪器的实现：
交流的激励信号以及阻抗的变化可以提供反映这些变化的输出，进而得到监测过程所感兴趣的腐蚀参数。
采用精密的电子技术进行内在的噪声抑制、配置嵌入式的实时补偿算法，配合带有微结构、热力学补偿和静流体力学的平衡传感器。
方法的应用：
该技术应用在金属/液体界面的实时腐蚀条件及腐蚀形为的研究，得出关于溶液的传导性、膜、腐蚀沉积物、腐蚀性等综合信息。
窗体底端
CEION®腐蚀监测探头
参考文献
1CodeofFederalRegulationsAmendment49CFR195.452PipelineIntegrityManagementinHighConsequenceAreas.PublisherOfficeofPipelineSafety.
2API1160‘ManagingSystemIntegrityforHazardousLiquidPipelines’FirsteditionNovember2001.AmericanPetroleumInstitute.
3AS2885.3:
Pipelines–GasandLiquidPetroleum,Part3OperationandMaintenance.
4NACERP0502-2002,PipelineExternalCorrosionDirectAssessment.
5NACEdraftstandard,PipelineInternalCorrosionDirectAssessment.
表2 近年来对公众有重大影响的部分管线失效事件
管线/位置
事件
后果
Bridgeport天然气输送管线
阿拉巴马州Bridgeport
1999年1月22日，压力为35磅/平方英寸的管线被挖掘机损坏
由于泄漏到建筑物里，造成3死6人重伤，损失达140万美金
16’’奥林匹亚管线公司燃气管线华盛顿特区的Bellingham
1999年6月10日，由于管线缺陷造成的管线破裂，造成了237000加仑的燃气泄漏
3死8伤，4500万的财产损失
Potomac电力公司石油管线系统
2000年4月7日管线失效，导致了140000加仑的燃油泄漏。
没有伤亡，但清理工作要花费7100万
尼日利亚产品市场公司的管线
尼日利亚的Apawor
2000年7月10日，由于对管线的蓄意破坏导致了持续数周的大火
超过700人受到波及,主要是汽油泄漏导致的伤害
EI天燃气公司的30”管线
新墨西哥州的NrCarlsbad
2000年8月19年因管线严重的内腐蚀造成管线破裂
12死，100万的财产损失
Nigerian公司的原油管线
匈牙利的Amiyi
2003年6月19日，由于对管线的蓄意破坏造成穿孔，导致了持续数周的大火
波及超过120人，汽油泄漏对人体造成了伤害
图1.缺陷评价的表述实例
图2.缺陷评价分析和报告
图3.应用智能猪连续检测的对比实例
图4.基于GIS系统的软件中管线缺陷数据显示的实例介绍
图5.GIS系统成为可以面向全体队员使用的中心信息资源，即使面对远端访问也如此。
通过GIS界面可以获得各种格式的文档，例如照片及相应的注释说明信息。
图6.地面工作队应用GPS设备和现场计算机在管线设施的踏勘中的实例
图7.卫星技术（差分处理后）可以显示出微小的地面运动，用于探测地表下陷和移动。
图8.公共区域内可见的
升级会员 