水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質量評價方法的研究現狀

竇宏強,馬曉成,郭娟麗,丁 杰

(中國石油天然氣管道工程有限公司,廊坊 065000)

油氣管道在通過河流、連片水塘、高速公路、海灣等特殊地理環境時，最優的方式是水平定向鉆穿越(HDD)。隨著水平定向鉆技術的發展，穿越管道的管徑、長度和穿越深度等記錄不斷被刷新，穿越的地質環境也越來越嚴苛。同樣隨著管道技術的發展，油氣輸送管道的直徑越來越大，管壁越來越厚，管道自重也越來越大，直徑1 422 mm管道達到約1 t/m，這些參數的增大對水平定向鉆技術的要求也越來越高，如保持穿越管道防腐蝕層完整性。為最大限度降低管道腐蝕穿孔引起的環境破壞和財產損失，穿越管道防腐蝕層質量的評價技術得到了廣泛應用，且越來越受重視。本工作對國內外幾種水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質量評價方法進行了介紹，希望為編制相應的國家規范做準備。

1 評價方法分類

目前,國內外相關標準[1-5]對水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質量的評價方法進行了規定。根據測試過程中所測電位的不同，這些方法分為“ON(通電)電位測試法”和“OFF(斷電)電位測試法”。

1.1 ON電位測試法

該方法通過向被測管道施加陰極測試電流，使管道的ON電位偏移達到要求，然后根據電流和電位的變化計算管道防腐蝕層的絕緣電阻率或單位電流密度。其要點是測試管道通電后的管/地ON電位。ON電位測試法有俄羅斯ΓOCT51164-1998標準規定的防腐蝕層絕緣電阻率法[1]和澳大利亞/新西蘭等國采用的單位電流密度法。

1.1.1 防腐蝕層絕緣電阻率法

防腐蝕層絕緣電阻率法主要應用于中俄原油管道項目、中亞塔國項目、中亞哈國項目的水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質量評價中。

ON電位測試防腐蝕層絕緣電阻率法的測試接線如圖1所示，測試步驟分為以下四步：

1-管道；2-未經防腐蝕處理的管頭；3-電纜；4-直流供電電源；5-臨時輔助陽極地床；6-安培表；7-可調電阻器；8-伏特表；9-銅/飽和硫酸銅參比電極圖1 防腐蝕層絕緣電阻率法測試接線示意圖Fig. 1 Wiring diagram of testing by anti-corrosion coating insulation resistivity method

1) 切斷被測管道的所有外部電連接，測量管道兩端的管/地自然腐蝕電位和土壤電阻率。

2) 按圖1所示連接測試儀器和儀表。其中，臨時輔助陽極地床與被測管道的距離不小于100 m。開啟電源，調節可調電阻，直至管/地ON電位較自然腐蝕電位的偏移量大于0.7 V。

3) 測量管道兩端的管/地ON電位，記錄對應的測試電流值。

4) 按式(1)～(2)計算被測管道的防腐蝕層絕緣電阻率，對防腐蝕層質量進行評價。

(1)

(2)

式中：RT為管道防腐蝕層絕緣電阻率，Ω·m2；RP為陽極地床分流電阻率，Ω·m2；ρ為土壤電阻率，Ω·m；D為管道直徑，m；H為管道的埋深，m；R為鋼管的縱向電阻，Ω/m；L為管道長度，m；ΔU為電位偏移量，V；I為測試電流，A。

ON電位測試防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質量評價準則為：

1) 對于兩層、三層聚烯烴防腐蝕層和熱收縮聚烯烴材料防腐蝕層，其絕緣電阻率應不小于30×104Ω·m2；

2) 對于液體環氧防腐蝕層和熔結環氧粉末防腐蝕層，其絕緣電阻率應不小于10×104Ω·m2；

3) 對于瀝青類防腐蝕層，其絕緣電阻率應不小于5×104Ω·m2。

1.1.2 單位電流密度法

該方法主要應用于澳大利亞或新西蘭等國家的項目上，但還沒有成形標準，應用較少，國內也沒有引入，部分項目文件上有簡單的應用介紹。

ON電位測試單位電流密度法的測試接線如圖2所示，測試步驟為：

1) 切斷被測管道的所有外部電連接，測量管道兩端的管/地自然腐蝕電位。

2) 按圖2所示連接測試儀器和儀表。其中，臨時輔助陽極地床與被測管道的距離不小于100 m。開啟電源，調節可調電阻，使管/地ON電位較自然腐蝕電位的偏移量大于1 000 mV。

3) 測量管道兩端的管/地ON電位，記錄對應的測試電流值。

4) 按式(3)計算被測管道的單位電流密度，對防腐蝕層質量進行評價。

(3)

式中：J為單位電流密度即每1 000 mV的ON電位

1-直流供電電源；2-電流通斷器；3-直流電壓表；4-直流電流表；5-臨時陽極地床；6-銅/飽和硫酸銅參比電極圖2 單位電流密度法測試接線示意圖Fig. 2 Wiring diagram of testing by unit current density method

變化時引起的電流密度變化，μA/(m2·mV)；I為測試電流，μA；Ua,on為a點ON電位，mV(相對于銅/飽和硫酸銅參比電極CSE，下同)；Ub,on為b點ON電位，mV；Ua,自為a點自然腐蝕電位，mV；Ub,自為b點自然腐蝕電位，mV；D為管道直徑，m；L為管道長度，m。

ON電位測試單位電流密度法的管道防腐蝕層質量評價準則為：每1 000 mV ON電位變化,單位電流密度不大于1 μA/(m2·mV)時，管道防腐蝕層質量合格，反之，管道防腐蝕層質量不合格。

1.2 OFF電位測試法

OFF電位測試法通過向被測管道施加陰極測試電流，使被測管道的OFF電位達到要求，再根據電位和電流的比值計算被測管段的防腐蝕層絕緣電阻率、電導率或單位電流密度。該方法的要點是測試管道通電后的管/地OFF電位，極化時間應足夠。OFF電位測試法有NACE TM 0102-2002標準規定的防腐蝕層電導率法[2]、國內幾個標準[3-5]規定的防腐蝕層絕緣電阻率法及澳大利亞/新西蘭等國使用的單位電流密度法。

1.2.1 防腐蝕層電導率法

防腐蝕層電導率法是現行水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質量評價中應用最廣泛的方法，國際管道研究委員會(PRCI)對此方法的評分高達83分，排名第一[6]。OFF電位測試防腐蝕層電導率法的測試接線也如圖2所示，測試步驟為：

1) 切斷被測試管道的所有外部電連接，測量管道兩端的管/地自然腐蝕電位和土壤電阻率。

2) 按圖2所示連接測試儀器和儀表。其中，臨時輔助陽極地床與被測管道的距離不小于100 m。開啟電源，調節可調電阻，使管/地的OFF電位不低于-1 100 mV。

3) 測量管道兩端的管/地ON電位和OFF電位，記錄對應的測試電流值。

4) 按(4)～(5)計算被測管道的標稱防腐蝕層電導率，對防腐蝕層質量進行評價。

(5)

式中：G為防腐蝕層電導率，S/m2；Gn為防腐蝕層標稱電導率(在電阻率為1 000 Ω·cm土壤中)，S/m2；I為測試電流，A；Ua,on為a點ON電位，V；Ub,on為b點ON電位，V；Ua,off為a點OFF電位，V；Ub,off為b點OFF電位，V；D為管道直徑，m；L為管道長度，m；ρa為a點處的土壤電阻率，Ω·cm；ρb為b點處的土壤電阻率，Ω·cm。

OFF電位測試防腐蝕層電導率法的管道防腐蝕層質量評價準則如表1所示。

表1 防腐蝕層電導率法的管道防腐蝕層質量評價準則Tab. 1 Evaluation criteria for anti-corrosion coating quality of pipeline by conductivity method

1.2.2 防腐蝕層絕緣電阻率法

國內用于水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質量測試和評價的主要規范是GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規范》、SY/T 6968-2013《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設計規范》和SY/T 7368-2017《穿越管道防腐技術規范》。這3個標準均參照NACE TM 0102-2002標準編制，因此測試的接線方式、測試步驟和計算公式均與NACE TM 0102-2002標準相同。表2為防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質量評價準則。將防腐蝕層絕緣電阻率轉換為防腐蝕層標稱電導率，結果也列于表2中。

表2 防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質量評價準則Tab. 2 Evaluation criteria for anti-corrosion coating quality of pipeline by insulation resistivity method

1.2.3 單位電流密度法

香港長洲島供水管道工程的水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層評價采用了此方法。OFF電位測試單位電流密度法的測試接線同樣如圖2所示，測試步驟與NACE TM 0102-2002標準規定的防腐蝕層電導率法相同。

管道極化電位每變化100 mV時，單位電流密度計算如式(6)所示。

(6)

式中：J為單位電流密度即每100 mV OFF電位變化引起的電流密度變化,μA/(m2·mV)；I為測試電流，μA；Ua,off為a點OFF電位，mV；Ub,off為b點OFF電位，mV；Ua,自為a點自然腐蝕電位，mV；Ub,自為b點自然腐蝕電位，mV；D管道直徑，m；L管道長度，m。

OFF電位測試單位電流密度法的管道防腐蝕層質量評價準則為：每100 mV OFF電位變化,單位電流密度值不大于0.1μA/(m2·mV)時，管道防腐蝕層質量合格；反之為不合格。

2 評價方法的難點和存在問題

2.1 測試方法的有效性

水平定向鉆穿越管道防腐蝕層的質量評價方法均來源于淺埋大開挖方式施工管道的防腐蝕層質量評價方法。管道淺埋時，埋設深度為1.5 m時一般僅存在單一類型的土壤層，且在1～2 km的水平距離上，管道所經過的地質情況基本相同，土壤電阻率沒有大的變化，因此測試電流沿管道軸向在管道周圍的土壤中均勻分散流通。這種均勻的土壤不會對測試電流的流動路徑和分布產生大的影響，測試電流均勻流到管道表面。這樣即使只測試管道兩端的電位，也可以假設中間未測試段管道的電位也是按照均勻衰減規律分布的，這樣就可利用兩個端點的測試數值來確定中間未測試管段的數值，保證了測試方法的有效性。但水平定向鉆穿越管道的埋設深度遠超過1.5 m，已知的穿越深度可深達110 m，管道穿越段在短距離內可能通過水域、沼澤、黏土、砂巖或花崗巖等各種電阻率差別非常大的地層，這種急劇變化的介質層將極大影響測試電流在各種電阻率介質中的流動，進而影響電流在管道上的分布。測試電流將由均勻流通變為僅通過低電阻率通道流通，高電阻率介質內的管段可能沒有測試電流到達，而低電阻率介質內的管段得到了更多的測試電流。這導致高電阻率介質內的管段沒有極化或僅部分極化，而低電阻率介質內的管段過度極化。整個管段的極化將不再遵循均勻衰減的規律，管道兩端的電位將不能用于假定推測中間未測試管道的電位。因此，對于采用定向鉆穿越方式施工的管道，在利用此測試方法進行防腐蝕層質量評價時，應對測試方法的有效性進行分析。PRCI已有研究[6]表明，這種測試方法在土壤電阻率變化劇烈時，極大的影響管道的軸向電位分布。

2.2 土壤電阻率的影響

在以NACE TM 0102-2000標準為代表的OFF電位測試方法(包括GB 50424-2015、SY/T 6968-2013和SY/T 7368-2017)中，土壤電阻率對測試結果有非常大的影響，甚至會成為評價結果的決定性因素。比如某咸水海灘穿越管道在不考慮土壤電阻率時，防腐蝕層絕緣電阻率僅為81 Ω·m2，根據評價準則為“差”級；但由于咸水的電阻率極低，僅為0.2 Ω·m，當換算為標稱防腐蝕層絕緣電阻率(10 Ω·m)后，為4 050 Ω·m2，可評價為“良”級。防腐蝕層的質量等級由于土壤電阻率的介入而發生了劇烈的變化。

在ГОСТ Р 51164-1998標準的ON電位測試方法中，土壤電阻率對測試結果存在有限的影響。如某長江穿越管道，測試土壤電阻率為32.5 Ω·m時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為89 502 Ω·m2；當土壤電阻率為325 Ω·m時，則管道的防腐蝕層絕緣電阻率變為88 094 Ω·m2；當土壤電阻率為3.25 Ω·m時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為89 621 Ω·m2。由此可見，土壤電阻對防腐蝕層絕緣電阻率的影響幾乎可以忽略。

2.3 管/地電位的影響

在ON電位測試法中，ГОСТ Р 51164-1998標準要求ON電位較自然腐蝕電位偏移應大于0.7 V，澳大利亞和新西蘭的單位電流密度法則要求ON電位較自然腐蝕電位偏移應大于1.0 V。某穿越黑龍江的管道，采用ГОСТ Р 51164-1998標準評價，在電位偏移大于0.7 V時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為34.2×104Ω·m2；但在增大測試電流，使電位偏移大于1.0 V時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率減小為19.7×104Ω·m2，變化量約為33%。

在OFF電位測試法中， NACE TM 0102-2002標準僅規定了OFF電位應不低于-1 100 mV；GB 50424-2015和SY/T 7368-2017標準規定OFF電位應位于-850～-1 050 mV；澳大利亞和新西蘭的單位電流密度法則要求OFF電位約為-1 100 mV。某長江穿越管道，出、入土點極化電位分別為-994 mV和-890 mV時，管段的防腐蝕層絕緣電阻率為28 370 Ω·m2；當出、入土點極化電位分別負向偏移到-1 071 mV和-1 058 mV時，管段的防腐蝕層絕緣電阻率減小為16 765 Ω·m2，變化量超過40%。

3 評價方法的發展

目前,水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質量的評價方法主要有兩個研究方向。

一個方向是在現有測試方法的基礎上結合現場目視檢測的方法，以提高評價結果的準確性。如文獻[6]中就給出了電流/電位測試法和現場防腐蝕層目測相結合的判定法。這種綜合評價方法需要管道在回拖結束后，再多回拖出1～2根管道進行管道防腐蝕層外觀的目視檢測。但在實際操作中，由于回拖鉆機排放位置的限制，很難做到多回拖1～2根管道。有時為了多拖出管道，甚至采用了其他不得已的施工方法，這種施工方法很可能加劇出土端管道外防腐蝕層的破損程度，反而使得最終防腐蝕層的質量評價失實，違背了這種評價準則的初衷。

另一個方向是采用有限元法進行管道的陰極極化模擬，根據模擬結果確定防腐蝕層的真實狀態。JKRISSA等[7]采用此方法對某河流穿越管道的外防腐蝕層進行了模擬評價，模擬中將整個穿越管道定義為由相同長度單位組成的串聯組合體，其中每個單位都假定了已知大小、形狀和位置的防腐蝕層缺陷，而且每一個單位均可以隨時激活或停用。結果發現：只有當假定的缺陷管段靠近出土點和入土點的測試位置時，模擬數值與實測數值才存在非常好的一致性；當缺陷位于中間最低位置、遠離出土點和入土點的測試位置時，測試結果和模擬結果差別極大。

4 結論

(1) 電流/電位法是評價水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質量的主要方法。NACE TM 0102-2002標準的理論基礎和可操作性得到了世界范圍內的共同認可。GB 50424-2015、SY/T 6968-2013和SY/T 7368-2017標準均參考NACE TM 0102-2002標準編制了水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質量評價的方法和準則，適用性高。

(2) 防腐蝕層絕緣電阻率評價的是管道埋地后防腐蝕層質量優劣的參數。此參數大小僅與被測試管段上防腐蝕層缺陷的大小、數量有關。土壤電阻率、管/地電位等不應成為評價結果的決定性因素。