海洋生产平台立管检测国内外技术发展现状与分析_李明朝.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-02-12修回日期 2020-03-06 作者简介 李明朝 （1985-） ， 男 （汉族） ， 山东东营人， 助理研究员， 现从事海洋石油工程装备设计与研发工作。 海洋生产平台立管检测国内外技术发展现状与分析 李明朝* （中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院， 山东 东营 257017） 摘要 介绍了海洋生产平台立管的结构特点及潜在的风险因素， 总结了生产平台立管常用的检测 方法及特点， 对每种检测方法的优缺点进行了详细的分析与比较， 指出了磁记忆检测方法在立管结 构早期疲劳损伤检测中的优势， 为生产平台立管结构检测方法的选择提供依据。 关键词 立管； 检测技术； 检测方法及特点； 磁记忆 中图分类号 TD82.72 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0062-04 1概述 海底管道是海上油气田开发工程设施的主要组成 部分， 担负着海上油气输送的重要任务。目前世界海 底油气管道总量已超过8104km， 最大作业水深已达 3000m。生产平台立管是连接平台与海底管道系统的 咽喉要道， 是海洋油气田开发生产系统非常关键的组 成部分， 长期服役于恶劣的海洋环境中， 内部有高温高 压的油气流通过， 外部受复杂载荷、 风浪流和悬空作用 的影响， 关键部位容易产生应力集中和疲劳裂纹， 易于 发生损伤与破坏， 一旦发生事故， 会引起严重的环境污 染、 造成巨大经济损失[1]。 世界各石油生产国对油气输送管线的安全检测十 分重视， 许多发达国家通过立法要求对管线进行定期 检测， 海洋立管结构检测技术的应用， 可以明显降低事 故发生频率， 延长管道服役年限， 最大限度减少经济损 失和环境污染， 有效杜绝更大的安全事故发生。 2海洋生产平台立管检测常用方法及特点 2.1超声导波检测法 超声导波检测技术是利用低频扭曲波和纵波在管 体中传播的物理性质来对管体的缺陷进行探测的一种 方法。其原理是 激励装置发出可充斥整个圆周和管 壁的超声能量脉冲向远处传播， 遇到在截面上有一定 面积的缺陷时， 会返回一定比例的反射波， 可由探头阵 列检出返回信号反射波来发现和判断缺陷情况。该方 法可以检测出管子内外壁由腐蚀或侵蚀引起的缺陷， 根据缺陷产生的附加波型转换信号， 可将金属缺损与 管子外形特征 （如焊缝轮廓等） 识别开来[2]。 超声波检测方法国内外研究较多， 陆地管道检测 技术成熟， 也是海洋立管检测中常用的检测技术， 常用 立管超声导波检测装置见图 1， 例如 Technip 和 TA- TOL公司采用此技术完成尼日利亚Agbami油田的柔 性管完整性管理。对于立管而言， 该检测技术可以用 于钢质或钛合金材质， 但对于复合型材料， 目前检测还 有一定误差， 除此之外对立管的壁厚和结构也有一定 要求。 2.2电磁涡流检测法 电磁检测技术是利用电磁感应原理， 通过测定被检 工件内感生涡流的变化来检测被测工件缺陷的方法。 其原理是 当载有交变电流的试验线圈靠近金属时， 线 圈产生的磁场在金属表面感应产生涡流， 涡流及其磁场 同金属材料的电导率、 磁导率、 裂纹、 几何形状和尺寸等 有关， 从而可以得知金属材料 （或零件） 的几何尺寸、 裂 纹以及与材料电导率、 磁导率等有关的参量[3]。 国外早在FPS2000项目应用中， 单凭涡流在抗压 骨架中就能够检测出0.2mm的局部侵蚀和直径1mm 的孔洞缺陷， 经过不断发展， 目前能代表国际领先水平 的是加拿大Russell NDE公司远场涡流检测器 “Ferro- scope308”（可检测铁磁性和非铁磁性） 。2012年中海 油引入远场涡流检测技术， 并将其首次运用于平湖油 田原油立管检测项目中， 海洋石油工程股份有限公司 杨威等利用远程涡流检测器对海管立管进行内检测， 并设计出一套详细的采用远场涡流检测器检测海管立 管的内检测方案， 并将其在某海洋平台使用， 检测效果 较好[4]， 立管电磁涡流检测装置如图2所示。 62 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 2.3漏磁检测方法 漏磁检测技术是利用铁磁材料被外加磁场磁化 后， 在缺陷处形成的漏磁场来完成检测的方法。管道 漏磁检测的原理是 利用永磁铁产生强磁场使管道局 部磁化， 若管壁上没有缺陷， 磁感应线将全部通过管 道， 磁场分布均匀； 在管道的表面或近表面处存在缺陷 时， 部分磁感应线会泄露到材料表面的空间中， 从而在 材料表面缺陷处形成漏磁场， 通过传感器检测漏磁场 的变化， 可以确定缺陷的深度、 宽度等特征[5]。 漏磁检测技术是目前全球较为成熟且工业应用最 广泛的管道内检测技术。目前， 生产实用性漏磁检测 的主要厂家有GE PII公司、 德国的ROSEN公司 （见图 3） 、 美国的TDW公司、 挪威的Subsea 7公司等企业。 近几年， 国内在海洋管道漏磁检测技术方面有很大突 破， 其中主要研发单位有沈阳工业大学杨理践教授带 头的研究课题、 中国船舶重工集团716研究所及中油管 道检测技术有限责任公司等， 其中， 2016年由管道局检 测公司和中国船舶重工集团716研究所研制成功的32″ 海洋管道高清晰度漏磁腐蚀检测器， 能够实现管道缺 陷的多功能检测与精确定位。打破了国外技术公司 长期对中国海洋管道检测领域的技术服务垄断， 实 现了中国海洋管道检测器从无到有的里程牌式发展 [6]。 2.4磁记忆检测方法 磁记忆检测技术是一种利用金属磁记忆效应来检 测部件应力集中部位的快速无损检测方法。其原理 是 承载的铁磁工件受地磁场激励， 在应力和变形集中 区域会发生不可逆的磁场畸变， 利用磁敏元件扫查工 图1立管超声导波检测装置 图2立管电磁涡流检测装置 63 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 件的磁场变化， 可灵敏确定微观缺陷或应力集中的位 置及特征， 从而对其早期损伤做出准确判断， 防止突发 性的疲劳损伤， 是无损检测领域的一种新的检测手 段[7]。 国内中海油、 中国海洋大学、 中国石油大学等单位 在立管磁记忆检测方面进行了部分研究， 但尚未开发 出实用化的工程样机。2011年中国海洋大学邓瑞博士 针对海洋立管系统进行研究， 建立复杂受力情况下的 力学模型， 再基于磁各向异性检测技术研制了适用于 不同直径的海洋立管应力检测仪器和软件， 但是未进 行现场试验， 与工程实际结合还有一定距离。中国石 油大学 （北京） 樊建春教授实验室长期从事磁记忆检测 技术研究， 并且成功地将该技术应用于隔水管疲劳损 伤检测。整体来说， 磁记忆检测技术相对于电磁检测 技术、 漏磁检测技术研究时间较短， 还有待于做更进一 步的深入研究和发展。 3检测方法比较与分析 超声导波检测法， 可以实现长距离、 大范围的管道 检测， 检测效率高， 缺陷直接定位， 可一定程度反映缺 陷大小 （截面损失） 。但是缺陷定性难度大、 定量精度 不高， 难以发现小缺陷； 管件包裹的保温层、 浮力块、 防 腐层会导致导波迅速衰减。 电磁涡流检测是非接触测量， 不用耦合剂， 可获得 裂纹深度的参考数据， 能检出油漆层或金属蒙皮下金 属构件的表面裂纹， 检测速度快， 便于自动化。但是该 方法只适于导电材料， 对试样材质、 形状和尺寸敏感， 某些干扰因素不能同时排除， 仅适于金属表面层检查 和分析。 漏磁检测方法技术成熟， 应用广泛， 重复性好， 但 是该方法属于接触测量， 探头易磨损， 需外加磁化设 备， 装置长， 增加卡堵风险， 并且无法识别立管的应力 集中和早期疲劳损伤。 磁记忆检测方法， 可同时检测裂纹、 磨损等多种缺 陷类型， 反映裂纹萌生至起裂的异常变化， 无需磁化， 低能耗、 设备轻、 体积小， 非接触测量， 受提离效应影响 小， 灵敏度高， 但是只能用于铁磁性材料的检测， 并且 应力的定量评价技术有待进一步研究和发展[8]， 常用检 测方法优缺点对比如表1所示。 4结论与建议 综上所述， 超声导波、 电磁涡流技术， 在立管的微 观裂纹缺陷检测方面有一定的检测能力， 但是由于它 们或者存在检测灵敏度不高， 对管件的表面处理有较 高的要求或者对于检测材料的材质、 形状等几何尺寸 较为敏感等因素， 限制了它们在立管早期疲劳损伤检 测方面的发展， 漏磁检测目前技术成熟、 应用广泛， 但 是无法对早期疲劳损伤进行检测， 磁记忆检测技术凭 借其优点在立管的应力集中和早期疲劳损伤检测方面 具有明显的优势， 国外进行了大量的研究和应用， 国内 目前尚处于起步阶段， 具有广阔的应用前景和发展空 间。 参考文献 [1]宋青武.海洋立管风险评价与安全措施研究[D].天津大学， 2009. 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Development Status and Analysis of Riser Inspection Tech- nology at Home andAbroad for Offshore Production Plat LI Ming-chao Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petro- 图3ROSEN公司管道漏磁检测装置 64 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 leum Engineering Co., Ltd., Dongying Shandong 257017, China Abstract This paper introduces the structural characteristics and potential risk factors of riser of offshore production plat, sum- marizes the common detection s and characteristics of pro- duction plat riser, analyzes and compares the advantages and disadvantages of each detection in detail, and points out the advantages of magnetic memory detection in the early fatigue damage detection of riser structure, so as to provide the ba- sis for the selection of riser structure detection . Key words riser； testing technology； testing s and charac- teristics； magnetic memory 检测技术 超声导 波 检测 电磁涡 流 检测 漏磁检测 磁记忆检 测 可检测缺陷 内表面、 外表面缺陷 表面缺陷 表面及近 表面缺陷 表面及内 部缺陷 优点 （1） 长距离、 大范围检测效率高； （2） 可实现缺陷和壁厚同时检测 （1） 非接触测量， 不用耦合剂， 检 测速度快； （2） 适用于多种类型的腐蚀和裂 纹缺陷； （3） 能检出油漆层或金属蒙皮下 金属构件的表面裂纹 （1） 重复性好， 高速自动化检测； （2） 技术成熟， 应用广泛 （1） 可检测应力集中， 能确认早期 疲劳损伤； （2） 非接触测量， 对介质和被测表 面要求低； （3） 无需耦合剂、 不需电磁激励 缺点 （1） 缺陷定性难度大、 定量精度不高， 难以检测小缺陷； （2） 管件包裹的保温层、 浮力块、 防腐层会导致导波迅速衰减； （3） 对管件的外表面处理要求较高 （1） 只适于导电材料； （2） 对试样材质、 形状和尺寸敏感， 仅适于金属表面层检查和分析 （1） 接触测量， 探头易磨损； （2） 需外加磁化设备， 装置长， 增加卡堵风险； （3） 无法识别早期疲劳损伤 （1） 应力的定量评价技术有待发展； （2） 只能用于铁磁性材料 表1检测方法优缺点对比 （上接第61页） （1） 对5-1/2″钻杆， 不同服役年限 （1～10年） 钻杆 的疲劳极限在613～628MPa之间； 对3-1/2″钻杆， 不同 服役年限 （1～10年） 钻杆的疲劳极限在560～613MPa 之间。 （2） 随着服役年限增加， 5-1/2″与3-1/2″钻杆的疲 劳性能均未发生显著的变化。 （3） 钻杆实际服役过程中受到的弯曲应力小于钻 杆受到的疲劳极限， 当只考虑钻杆材质的疲劳性能时， 不同服役年限 （0～10年） 的钻杆均能满足使用要求。 参考文献 [1]罗军,白马,董海龙.塔河油田钻具失效分析及预防措施[J].西 部探矿工程,2018 （1） 57-60. [2]周杰, 卢强, 吕拴录,等.塔里木油田用钻杆失效原因分析及 预防措施[J].钢管,2010,39448-51. 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