基于PCM聯合檢測技術的某天然氣長輸管道防腐層檢測及開挖驗證

張小兵 劉 超 王魯鵬 劉 鑫

（1. 中國石油化工股份有限公司天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南 250000；2.中石化天然氣分公司華南天然氣銷售中心，廣東 廣州 510000；3. 山東省中遠天然氣技術服務有限責任公司濟南分公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著國內天然氣需求日益增加，近年來國內天然氣長輸管道投資項目日漸增多，天然氣管道也逐漸代替傳統公路、鐵路、船舶等運輸方式成為天然氣遠距離輸送的主要方式。天然氣埋地長輸管道防腐層在管道敷設過程中以及后續生產運營中由于外力、腐蝕等因素造成破損，從而引起陰極保護功能失效加速管道本體腐蝕，嚴重影響天然氣管道運行安全。如進行埋地管道大范圍開挖檢測成本高、檢測工期長且效率低下，難以滿足長輸管道的生產運行要求[1]。采用埋地長輸管道可以在管道不停輸的情況下完成管道檢測，具有環保、高效率、低成本等優點，但是僅能對管道外防腐層進行檢測[2]。目前針對埋地長輸管道外防腐層的主要檢測方法有：皮爾遜檢測法、直流電位梯度法（DCVG）及多頻管中電流檢測法（PCM）、交流地電位梯度法（ACVG）等[3]。針對本天然氣長輸管道項目，采用PCM聯合ACVG、DCVG技術對管道防腐層進行檢測。

1 某天然氣長輸管道基本情況

某天然氣長輸管道線路全長70KM，全部為埋地敷設。輸送天然氣為LNG氣源，氣質純凈，管道內腐蝕較弱，目前存在的腐蝕主要為管道防腐層破損導致的外腐蝕。通過測試管道沿線土壤電阻率，評價土壤腐蝕性級別，土壤腐蝕性評價整體等級為“弱”，該天然氣管道基本情況如表1所示。

表1 某天然氣長輸管道基本情況

2 防腐層破損的檢測

2.1 聯合檢測技術的基本原理

PCM檢測技術的基本原理是在埋地的輸油輸氣長輸管道上施加電流，通過外接電流自接入點沿埋地輸油輸氣管道衰減的規律來獲取埋地管道路由走向、管道埋深等數據。如果管道防腐層產生破損，則電流會通過防腐層破損點進入土壤而造成電流信號的衰減，防腐層破損點越大則電流衰減越嚴重。通過電流信號檢測及衰減情況，可以判斷管道的埋深、走向、防腐層破損情況、管道周邊金屬構筑物情況等。PCM系統主要由信號發射機和信號接收機組成，PCM發射機通過發射電流信號施加于埋地長輸管道，電流信號強度隨著管道長度增加而逐漸減小，電流信號衰減率受管道防腐層情況、管道周邊土壤電阻率、管道本體電阻情況而改變。當管道防腐層存在破損點時，電流會從防腐層破損處進入土壤流失，在此處電流衰減率（Y值）會產生突變激增，由此可以準確判斷防腐層破損點位置，通過電流衰減率的變化則可以判斷埋地管道防腐層整體情況的優劣，從而為管道防腐層的篩查提供依據。PCM防腐層檢測原理如圖1所示。

圖1 交流電流衰減法PCM 測試原理

交流地電位梯度法（ACVG）是PCM檢測技術與交流地電位差測量儀，通過測量埋地管道沿線土壤交流地電位梯度，通過交流地電位梯度的變化來查找埋地管道防腐層破損點，從而確定埋地管道破損點的準確位置。通過向埋地長輸管道施加一特定的檢測信號且信號通過管道向前傳播，當埋地管道防腐層出險破損的情況下信號電流從破損點流入或者流出管道，在流入點或流出點會出現以破損點為中心的“點源”電場和“點源”磁場。通過A字架和接收器所測量的管道防腐層破損點的地電位梯度（dB 值），如果接收器所顯示的dB值較低（一般小于30）并且顯示不穩定，如指示箭頭前后無變化則說明該處未發現管道防腐層破損點；接收器所顯示的dB值較大且箭頭顯示穩定，則說明箭頭指向可能存在破損點。交流地電位梯度法（ACVG）確定破損點原理如圖2所示。

圖2 ACVG 法確定防腐層破損點圖

使用埋地管道外防腐層檢測儀PCM在對發現的管道防腐層破損點進行準確定位的情況下，可以通過直流電壓梯度法（DCVG）對管道防腐層破損點腐蝕程度及腐蝕活性進行檢測和判定。直流電壓梯度法（DCVG）的原理是：當管道防腐層出險破損時，陰極保護電流會從破損點的周圍通過破損點流入埋地管道管體，電壓梯度會在破損點按照電流密度與土壤電阻率形成球形的等位線，越靠近破損點則電位梯度變化越大。電壓梯度的大小與防腐層破損點的大小成正比例關系，通過在地面上檢測電位梯度值的變化來確定防腐層的位置和大小[4]。

依據SY/T 0087.1-2018《鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準埋地鋼質管道外腐蝕直接評價》，按照破損點的dB值、土壤腐蝕性、雜散電流干擾程度、陰極保護效果將破損點分為一類點（立即維修類）、二類點（計劃維修類）、三類點（監控類）。

2.2 外防腐層破損點檢測結果

本次檢測總長度70km，共檢測出破損點總計77個，平均1.1處/km，防腐層整體評價為1級。使用DCVG 測試對防腐層破損點處腐蝕活性判定，其中陽極/陽極：0個，占破損點總數量的0.00%；陰極/中性：19個，占破損點總數量的24.68%；陰極/陰極：58個，占破損點總數量的75.32%。對防腐層破損點缺陷進行分類：陽極/陽極、陰極/陽極、DB 值 70 以上設為一類；陰極/中性、DB值50～70列為二類；陰極/陰極、DB值50以下列為三類。其中一類點（立即維修類）的有0處，占比0%；二類點（計劃維修類）的有50個，占比64.94%；三類點（監控類）的有27個，占比35.06%。管道破損點匯總如表2所示。

表2 管道防腐層破損點匯總表

77處破損點中管道的防腐層質量等級為“1級”的占80.83%，防腐層質量等級為“2級”的占16.19%，防腐層質量等級為“3級”的占2.28%，防腐層質量等級為“4級”的占0.70%，防腐層整體評級為1級。建議對二類點安排定期修復計劃及時修復。檢測結果如表2所示。

3 開挖驗證

根據腐蝕防護系統檢測結果，選擇了8處進行開挖直接檢驗，具體檢驗內容包括：電火花檢漏、土壤腐性檢測、防腐層檢查、管道腐蝕狀況檢測、管體壁厚檢測等。此8處開挖點的基本情況如表3所示。根據GB/T 23257-2009《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》的要求，對該8處防腐層檢測破損點的防腐層厚度進行了檢測，8個檢測點管道防腐層厚度均符合標準要求，且對監測點的防腐層粘結力進行了檢測，檢測點管道防腐層粘接力均為“無變化”。通過開挖后的檢查，防腐層主要缺陷損傷類型為機械損傷為5處，占比62.50%；防腐層主要缺陷損傷類型為回填損傷1處，占比12.50%，兩處為干擾，占比25.00%。在8個檢測點中，2處管體有少量銹跡，1處管體有機械損傷。通過觀察5處防腐層機械損傷，導致管道防腐層出險破損的主要原因有：鋼管吊裝、下溝及回填施工過程中由于操作不規范造成的防腐層損傷；管道運輸及保管過程中由于運輸及存儲不當造成的防腐層損傷；管道防腐層補口等防腐處理過程中造成的防腐層破損等。該天然氣管道開挖點的基本情況如表3所示，幾處典型機械損傷如圖3～圖5所示。

圖3 序號1機械損傷

圖4 序號2機械損傷

圖5 序號3機械損傷

表3 某管道干線開挖點的基本情況表

4 影響管道外檢測精度的幾個因素

設備安裝位置、管道的埋深、防腐材質、破損點位置及土壤介電長輸、拾取信號極間距離極回路狀況等因素會對檢驗信號產生影響[4]，通過本次檢測及開挖驗證，對影響管道外檢測的幾個因素進行總結，主要有以下幾個方面：

（1）陰極保護設備材料影響。檢驗中遇到破損點偏離管道走向的情況，經開挖驗證排查，為陰極保護線造成的干擾從而影響檢測準確性，造成了信號突變。因此在管道外檢測過程中應重點關注檢測出的破損點如出險偏離管道正常走向的情況，優先考慮是否是受陰極保護材料的影響而導致檢測誤差；

（2）交叉管道或附近金屬構影響。埋地管道多存在與第三方管道交叉的情況，管道周邊也已有市政燃氣管道、其他金屬構件、電纜等，對檢測電信號產生影響。本管道開挖驗證中序號6處即為管道周邊金屬干擾造成的檢測誤差。如本次檢測的管道多次穿越鐵路以及第三方原油及成品油管道，易對管道外檢測造成影響；

（3）雜散電流影響。雜散電流的存在影響了管道周邊大地電位梯度的變化，從而對檢測信號產生干擾。但本管道經雜散直流電流、交流電流檢測，干擾程度為“弱”，干擾程度小。但在管道外檢測過程中應充分考慮雜散電流對管道檢測產生的影響，避免檢測誤差。同時管道雜散電流也是導致管道陰極保護系統失效的重要因素，在埋地長輸管道的生產運行中應予以重視；

（4）異常點的處理。在對檢測出的數據處理過程中，應對整體數據進行綜合分析，對于檢測出的疑似破損點，需進行事先清除后再重新分析和進行評分，以提高檢測的準確性[5]。

5 結語

天然氣埋地長輸管道不開挖檢測可以有效對地下管道的埋深、走向和防腐層的破損程度進行有效檢查檢驗及評價，可以幫助長輸管道企業全面了解管道使用情況，有效延長管道使用壽命[6]。而PCM技術可以在不開挖的情況下準確找到管道防腐層破損點，大大節省了檢測費用。本天然氣長輸管道通過PCM技術對管道防腐層進行了檢測、對防腐層破損點進行了定位并進行了開挖驗證，對檢測效果進行了檢驗，證明PCM技術對埋地管道防腐層檢測具有重要意義（本次檢測經抽查驗證準確率達75%），在實際應用中應不斷總結并提高檢驗精度，減少其他因素對檢測準確性的影響，不斷提高檢測的準確性，從而指導天然氣長輸管道保護工作。