埋地鋼制管道外腐蝕綜合檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

朱 平，龐 旭，季云健

（1. 云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，云南 昆明 650000；2. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；3. 云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通過埋地鋼制管道對(duì)石油、天然氣進(jìn)行運(yùn)輸已經(jīng)成為主流方式[1]。但是，隨著管道使用時(shí)間的推移，由于長(zhǎng)期埋地、外部環(huán)境等原因的影響，管道的防腐層會(huì)遭到破壞，產(chǎn)生安全隱患，可能導(dǎo)致管道腐蝕，引發(fā)泄露、火災(zāi)、爆炸，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境污染、人員損失[2]。因此，正確的利用管道腐蝕性檢測(cè)技術(shù)，確保埋地鋼制管道防腐層狀態(tài)完好，使管道能夠長(zhǎng)期處于安全運(yùn)行的狀態(tài)就顯得十分重要[5]。

管道外腐蝕性檢測(cè)是指采取相應(yīng)的間接檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋地鋼制管道防腐層以及陰極保護(hù)效果進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)[3]。管道外腐蝕性檢測(cè)的目的在于精確找出埋地管道由于長(zhǎng)期掩埋在地下或受其他環(huán)境因素的影響所造成的缺陷，從而確認(rèn)管道的運(yùn)行狀態(tài)是否存在隱患，以便能夠及時(shí)修復(fù)，避免受到更大的損失[4]。

管道外腐蝕檢測(cè)是管道檢測(cè)的重要內(nèi)容，管道受損的原因除了人為、自然災(zāi)害等，最主要的受損原因在于管道的腐蝕，因此通過腐蝕檢測(cè)找出管道所存在的問題，對(duì)于管道的維護(hù)至關(guān)重要[8]。如何對(duì)埋地鋼制管道外防腐層狀況進(jìn)行檢測(cè)，是目前急需解決的關(guān)鍵問題[6]。但因開挖不易，在了解國(guó)內(nèi)使用較多的外檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，提出一種在不開挖下能夠?qū)β竦劁撝乒艿劳夥栏瘜舆M(jìn)行檢測(cè)的綜合方案。

1 常用管道外檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

據(jù)查閱文獻(xiàn)了解，到目前為止，國(guó)際上通用的管道外腐蝕檢測(cè)方法有如下幾種：開挖深埋法、陰極保護(hù)參數(shù)法、泊松法、直流電壓梯度檢測(cè)法、密間隔管地電位檢測(cè)法、PCM 法、雜散電流測(cè)繪儀SCM檢測(cè)方法等[7]。這些檢測(cè)方式在地面以不開挖方式通過儀器對(duì)埋地鋼制管道防腐層進(jìn)行間接檢測(cè)，找出其破損點(diǎn)的位置，但因每一種方式原理和優(yōu)缺點(diǎn)不同，為了達(dá)到檢測(cè)效果，必須了解各檢測(cè)方法的應(yīng)用范圍。本文著重介紹了其中幾種外檢測(cè)方法，以便于接下來所提出埋地鋼制管道綜合檢測(cè)方案提供參考。

1.1 變頻—選頻法

1987年，在結(jié)合我國(guó)輸油行業(yè)的管理模式后，郵電部第五研究所和東北輸油管理局完成了測(cè)量長(zhǎng)線運(yùn)輸埋地鋼制管道外防腐絕緣電阻、評(píng)價(jià)管道防腐層完好性方案的研究[9]。這種方法的原理是通過在待檢測(cè)管道的一端施加一個(gè)可變頻率電信號(hào)，檢測(cè)另外一端信號(hào)的衰減幅度，對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)整，從而讓信號(hào)衰減處于 23dB的范圍內(nèi)。然后由頻率的大小判斷電阻值，高則管道防腐層絕緣電阻值大，低則管道防腐層絕緣電阻值小。在1991年，此法被中國(guó)石油天然氣公司加入SY/T5919-94標(biāo)準(zhǔn)之中，為我國(guó)埋地鋼制管道防腐層后續(xù)檢測(cè)工作打下基石[14]。

這種方法適用于長(zhǎng)輸埋地鋼制管道的測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量所需花費(fèi)低，使用簡(jiǎn)便；但對(duì)操作人員要求比較苛刻，使用時(shí)需提前對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，較繁瑣；需要多種設(shè)備配合使用；只能對(duì)埋地鋼制管道通常為1公里的部分單元及有測(cè)試樁的埋地鋼制管道的絕緣層進(jìn)行測(cè)量，很難判斷外防腐層破損點(diǎn)所在位置；特殊情況下（比如存在陽極管段時(shí)）須通過開挖檢測(cè)點(diǎn)來分段測(cè)量。

1.2 直流電壓梯度（DCVG）技術(shù)

加拿大CT公司所生產(chǎn)的DCVG是直流電壓梯度技術(shù)的代表儀器[10]。可以檢測(cè)到有陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道防腐層破損點(diǎn)，在引入我國(guó)后，國(guó)內(nèi)的部分廠家也開發(fā)了類似設(shè)備[21]。它的原理是通過加入一個(gè)間斷關(guān)開的直流電信號(hào)在埋地鋼制管道中，當(dāng)部分管道外防腐層存在破損點(diǎn)時(shí)，會(huì)有球面電場(chǎng)分布在管道破損點(diǎn)處上方的地面上。該方法用毫伏表來測(cè)量?jī)呻姌O間電壓差，離埋地鋼制管道外防腐層破損點(diǎn)越近，則電壓差越大，而離埋地鋼制管道外防腐層破損點(diǎn)越遠(yuǎn)，則電壓差越小，位于管道外防腐層破損點(diǎn)正上方的電壓差則為零，從而可以明確埋地鋼制管道破損點(diǎn)所在的位置。然后可通過破損點(diǎn)處IR降推算出埋地鋼制管道的破損點(diǎn)大小。最后用埋地鋼制管道外防腐層破損點(diǎn)上方土壤電位分布的等位線圖對(duì)該點(diǎn)的大概形狀進(jìn)行判斷[13]。

這種方法可以定位防腐層破損位置，以及能夠判斷防腐層破損的大小，但該方法要求能夠施加直流電流到埋地鋼制管道上，且地面導(dǎo)電性須很好。這個(gè)方法對(duì)巖石區(qū)、凍土區(qū)等區(qū)域的埋地鋼制管道，難以測(cè)量。同時(shí)對(duì)于城鎮(zhèn)地段的埋地鋼制管道，其大部分采用犧牲陽極保護(hù)，且該地段地面處于硬化狀態(tài)，使得此方法的應(yīng)用遭到限制[11]。

1.3 皮爾遜法

皮爾遜法即人體電容法，這是最早在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的檢測(cè)方法[12]。其原理是通過發(fā)送固定頻率的交流電信號(hào)給埋地鋼制管道，當(dāng)埋地鋼制管道防腐層存在破損點(diǎn)時(shí)，會(huì)在破損處形成電流通路，發(fā)生漏電流，輻射到地面上，并在漏點(diǎn)正上方位置形成地表電場(chǎng)分布。用人體做其傳感元件時(shí)，測(cè)量人員在漏點(diǎn)附近走動(dòng)時(shí)，儀器會(huì)發(fā)生聲響，以及其表頭都會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，當(dāng)位于埋地鋼制管道外防腐層漏點(diǎn)正上方地表時(shí)，儀器所產(chǎn)生的反應(yīng)最大，從而可精確找到埋地鋼制管道防腐層的破損點(diǎn)所在的位置。

此方法對(duì)巖石區(qū)、凍土區(qū)等區(qū)域的埋地鋼制管道，難以測(cè)量；同時(shí)對(duì)于城鎮(zhèn)地段的埋地鋼制管道，采用皮爾遜法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其準(zhǔn)確性較低；適用范圍較低，且該方法只能夠測(cè)量管道防腐層是否遭到損壞。

1.4 密間隔電位法（CIPS）

此方法在國(guó)際上通常被作為衡量陰保系統(tǒng)和管道保護(hù)度的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。可以在沿管線上檢測(cè)到地面電位并對(duì)比，從而對(duì)管道的 CP系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。 通常用于評(píng)價(jià)CP性能的數(shù)據(jù)包括：沿線所得電位、電位值的變化、長(zhǎng)短距離點(diǎn)上的通/斷、去極化電位，及其他的測(cè)量信號(hào)特征。其原理是：將一個(gè)參比電極安放在地面，與電壓表相連接，表的另外一端與埋地鋼制管道相連接，以此獲得埋地鋼制管道與地表的電位差。在管道外施加電流保護(hù)，再通過獲取的管道與地表的電位分布圖，就可知該段埋地鋼制管道的保護(hù)水平。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：適和復(fù)雜的地面狀況，也可水下操作[16]；測(cè)量點(diǎn)多，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；無須另配發(fā)射機(jī)；缺點(diǎn)是：測(cè)量過程復(fù)雜度高，對(duì)操作人員要求較為苛刻；在測(cè)量時(shí)所需人員多，至少保證有三個(gè)人參加，一人負(fù)責(zé)管道定位，另外一人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，還有一人負(fù)責(zé)導(dǎo)線的回收。

此方法不但可以檢查出防腐層損壞，而且能夠知道管道陰極保護(hù)效果如何。但此方法和DCVG相同，對(duì)于管道可以施加直流電流，地面具有良好的導(dǎo)電性能有一定的要求。要求管道能夠施加直流電流，地面導(dǎo)電良好。對(duì)于巖石回填或巖石區(qū)、凍土管段等情況，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)有很大障礙。同樣難以實(shí)施檢測(cè)。對(duì)于城鎮(zhèn)管線，該方法的應(yīng)用也受到限制。

1.5 PCM法

PCM法即多頻管中電流法，該檢測(cè)設(shè)備最早從英國(guó)引進(jìn)，其原理是發(fā)射機(jī)將含有近于直流的多頻的電流信號(hào)施加于目標(biāo)管道上，多頻電流沿著管道走向與地表形成電流回路，當(dāng)埋地鋼制管道的外防腐層無破損點(diǎn)時(shí)，管道中的多頻電流隨著傳播距離的增加而有規(guī)律地衰減[18]。當(dāng)腐蝕保護(hù)層受損時(shí)，如老化、破損，此時(shí)電流就會(huì)泄漏到土壤或其余的管線中，由于這種電流的泄漏問題，管線電流在防腐層的損傷點(diǎn)附近就會(huì)有明顯的電流陡降異常的現(xiàn)象產(chǎn)生。由于電流密度的增加，土壤中的環(huán)路電流呈現(xiàn)出明顯的交流電位梯度異常。

此方法不但能定位管道的位置，而且能估量管道外防腐層狀況以及防腐層的破損的情況。除了在交流高壓輸電線路干擾環(huán)境下埋設(shè)的管道不適用外，適用于其他場(chǎng)合。

1.6 雜散電流檢測(cè)技術(shù)

雜散電流干擾對(duì)埋地鋼制管道所產(chǎn)生的危害目前已得到國(guó)家的重視和研究，我國(guó)為此還制定了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，給出了一些電腐蝕的解決方案，技術(shù)要求也非常清晰和完善[15]。當(dāng)時(shí)，在檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域還沒有專門的現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備，檢測(cè)方法相對(duì)簡(jiǎn)單、效率不高，對(duì)治理方案的實(shí)行有直接影響。檢測(cè)手段的單一性和低效率性，直接影響了維護(hù)方案的可行性。

SCM的工作原理在于通過智信器發(fā)送固定的電流信號(hào)，用SCM智感器對(duì)測(cè)量所選埋地鋼制管道內(nèi)所流動(dòng)的干擾電流，以此獲知埋地鋼制管道的走向與深度、外防腐層完好性、陰極保護(hù)電位分布狀況、破損點(diǎn)尺寸與位置、破損點(diǎn)的嚴(yán)重性與陰陽極傾向[25]。

通過SCM檢測(cè)，可以了解管道上陰極保護(hù)電流的分布情況，也可以明確管道雜散電流的出入點(diǎn)，對(duì)于找出和消除雜散電流給埋地鋼制管道防腐層的保護(hù)所帶來的干擾是一個(gè)安全有效的方法[26]。此技術(shù)為埋地鋼制管道的超聲波檢測(cè)提供了可行性，提供了埋地輸氣管道超聲波檢測(cè)的可行性，是替代漏磁通檢測(cè)的有效方法。

2 綜合檢測(cè)技術(shù)方案

基于上述各種檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用環(huán)境的分析，為了適應(yīng)復(fù)雜多變的檢測(cè)環(huán)境，獲取更詳細(xì)、準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，確保管道安全高效運(yùn)行，提出埋地鋼制管道綜合檢測(cè)技術(shù)方案。

通過該方案，基本可以掌握埋地鋼制管道的走向、外防腐層完好程度、陰極保護(hù)有效性、破損點(diǎn)尺寸及所在位置、破損點(diǎn)的損壞程度與陰陽極走向，為管道監(jiān)管部門對(duì)埋地鋼制管道進(jìn)行管理與維護(hù)提供依據(jù)[27]。

具體操作步驟如下：

（1）確定管道的走向

在埋地鋼制管道外檢測(cè)中，為了確保在管道上方進(jìn)行檢測(cè)，首先需要清楚管道的位置和方向。可以使用 RD400-PDL來確定工廠區(qū)域的短距離管道的位置和方向；對(duì)于長(zhǎng)距離管道，則使用RD400-PCM 進(jìn)行檢測(cè)；最后可使用探地雷達(dá)對(duì)較為復(fù)雜的管道進(jìn)行檢測(cè)，如霍克地下管線檢測(cè)雷達(dá)。

（2）管線外防腐層完好狀態(tài)檢測(cè)

采取PCM法評(píng)價(jià)管線外防腐層的完好程度。可采用設(shè)備PCM-TX進(jìn)行檢測(cè)。通過檢測(cè)，可了解埋地鋼制管道的外防腐層完好性。

（3）陰極保護(hù)效果檢測(cè)

埋地鋼制管道外防腐層較完好的管段，可以使用管道電位測(cè)量方法來全面評(píng)估管道的陰極保護(hù)效果[17]。而埋地管道外防腐層完好性差的管段，CIPS可以測(cè)試其潛在分布以確定陰保效果，從而確保管道的安全運(yùn)行。對(duì)由于土壤的酸堿性而造成電阻率的區(qū)域，其可通過CIPS測(cè)試P/S電位，以解決IR降所造成的問題[19]。

（4）定位和估算外防腐層缺陷點(diǎn)的位置與尺寸

對(duì)埋地鋼制管道外防腐層遭到損壞的部分管段，及陰極保護(hù)效果出現(xiàn)問題的管段，應(yīng)檢測(cè)和定位其損壞點(diǎn)所處位置，并對(duì)其尺寸進(jìn)行估算。為了能夠有效地確定外防腐層損傷點(diǎn)的尺寸，應(yīng)使用DCVG + CIPS來確定外涂層損傷點(diǎn)的尺寸。

（5）缺陷點(diǎn)的損壞程度與陰陽極狀態(tài)判斷

判斷埋地鋼制管道外防腐層缺陷點(diǎn)的損壞程度以及陰陽極狀態(tài)對(duì)于管道的的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。可通過DCVG + SCM來測(cè)定缺陷點(diǎn)和陽極/陰極狀態(tài)下的嚴(yán)重程度。通常，可以使用DCVG，對(duì)于更復(fù)雜管道，建議使用SCM方法。因?yàn)椋瑢?duì)于管道的斷點(diǎn)，SCM可以更有效地進(jìn)行雜散電流測(cè)試，發(fā)現(xiàn)損傷點(diǎn)陰陽極，有利于管道的檢測(cè)和維護(hù)。

簡(jiǎn)而言之，可將上述步驟分為三個(gè)部分即：初步檢測(cè)，精確檢測(cè)，最終判斷。具體流程圖如圖 1所示。

圖1 檢測(cè)方案流程圖Fig.1 Detection scheme flow chart

3 結(jié)論

一般來說，管道公司使用標(biāo)準(zhǔn)管電位測(cè)試作為常規(guī)測(cè)試的手段[22]。在發(fā)現(xiàn)埋地鋼制管道防腐層出現(xiàn)影響管道安全程度的問題時(shí)，則采用先進(jìn)的直流電位梯度檢測(cè)技術(shù)和密集間距電位測(cè)試技術(shù)，仔細(xì)檢測(cè)管道缺陷分布[23]。這兩種方法的結(jié)合使用是非常有必要的。利用該綜合檢測(cè)結(jié)果可準(zhǔn)確定位所有的管道缺陷，并標(biāo)記其中心位置，同時(shí)可利用DCVG技術(shù)確定每個(gè)缺陷的性質(zhì)，陰陽極特征。此種綜合測(cè)試方法雖可全部將管道缺陷記錄在冊(cè)，但不能夠完全消除交直流雜散電流干擾，會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)造成一定的影響。因此在此綜合方法的基礎(chǔ)上，再結(jié)合雜散電流檢測(cè)技術(shù)，從二制定對(duì)管道切實(shí)可行，又經(jīng)濟(jì)可靠的修復(fù)方案，能夠在不開挖的情況下及時(shí)修復(fù)管道上由于腐蝕所造成的缺陷隱患，保持管道的安全使用[24]。

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