上海天然氣管網(wǎng)有限公司 史德化

隨著《中國人民共和國特種設(shè)備安全法》等相關(guān)國家相關(guān)法律法規(guī)的出臺，對埋地鋼質(zhì)管道的安全要求越來越高。由于這些管道埋設(shè)在地下，輕易不能開挖，如何對這些管道進(jìn)行精確定位，并準(zhǔn)確掌握在役埋地管道運(yùn)行狀況，對及時發(fā)現(xiàn)和消除事故隱患，保障生產(chǎn)安全具有重要意義。

目前，上海有600余公里高壓天然氣埋地鋼質(zhì)管道。隨著天然氣的大力發(fā)展，高壓天然氣埋地鋼質(zhì)管道會越來越長。高壓天然氣埋地鋼質(zhì)管道采用外防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)組成的聯(lián)合腐蝕防護(hù)系統(tǒng)。外防腐層是很重要一部分，管體的腐蝕往往是因為該處的防腐層失效，使得管體不能得到有效保護(hù)而導(dǎo)致的。防腐層在制作和施工過程中不可避免的會出現(xiàn)缺陷損傷，在埋入地下后，受環(huán)境、地質(zhì)等因素影響，會產(chǎn)生老化、龜裂和剝離。陰極保護(hù)系統(tǒng)是保障管道使用壽命的關(guān)鍵。當(dāng)管道防腐層發(fā)生破損時，如果陰極保護(hù)系統(tǒng)不能正常工作或達(dá)不到要求，管道就會發(fā)生腐蝕，因此要確保管道防腐系統(tǒng)的完好無損，必須利用一些先進(jìn)的檢測技術(shù)，開展防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對管道防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行評價，才能為管道防腐層、陰極保護(hù)系統(tǒng)的使用、修復(fù)和更換提供可靠依據(jù)。

1 外防腐層的檢測

高壓天然氣管道一般用3PE等防腐涂層。防腐涂層對埋地管道正常運(yùn)行起重要作用。一方面，它作為致密的高絕緣層，使得管體與土壤中腐蝕介質(zhì)隔離。另一方面，防腐層的質(zhì)量狀態(tài)嚴(yán)重制約著電化學(xué)保護(hù)的效果。防腐層質(zhì)量較差時容易造成管道在運(yùn)行中出現(xiàn)陰極保護(hù)電流增大，保護(hù)距離縮短的問題。由于外防腐層的安裝質(zhì)量、運(yùn)行過程中的自然老化、第三方破壞等，外防腐層整體質(zhì)量會逐漸下降。因此，需定期進(jìn)行檢測，確定管線外防腐層整體狀況。

1.1 外防腐層檢測技術(shù)

防腐層缺陷檢測方法很多。內(nèi)部檢測主要檢測管道壁厚，通過壁厚分析管道腐蝕、裂紋等管體缺陷。它不能直接檢測管道防腐層的狀況。外部檢測主要有標(biāo)準(zhǔn)P/S電位法，PEARSON測試法，密間隔電位測試法、電流衰減(PCM)法等。其中電流衰減法檢測可對埋地管道防腐層狀況進(jìn)行全面評價，應(yīng)用最為廣泛。

1.2 電流衰減(PCM)法

電流衰減法又稱為PCM法，主要測量管道中電流衰減梯度。根據(jù)電流衰減率dB/m、外防腐層電阻率(Rg值)、破損點分布等對管道外防腐層的整體狀況進(jìn)行評估。該方法在不開挖的條件下檢測，檢測速度快、操作簡單、準(zhǔn)確性和可靠性較高，結(jié)合后期數(shù)據(jù)處理軟件可以得到直觀的評價結(jié)果。

PCM法的主要工作原理為:在管道上(如測試樁處)施加一定頻率的電流信號。周圍便會產(chǎn)生相應(yīng)的電磁場，利用載流導(dǎo)線磁場原理換算出等效電流，它與管中電流大小成正比。利用接收端可從地表的磁場分量準(zhǔn)確測定管中信號電流的大小。當(dāng)管道防腐層完好時，隨著管道的延伸，管道周圍產(chǎn)生的磁場較穩(wěn)定，等效電流信號會隨著施加信號點距離的增加而減小，衰減程度衰減較平穩(wěn)，按指數(shù)規(guī)律變化，即I=I0e-ax(其中a為電流衰減系數(shù))。當(dāng)管道防腐層有缺陷存在時，電流將從防腐層破損點漏失到土壤中，管中電流會有明顯異常衰減。通過連續(xù)測量分析電流衰減變化規(guī)律，對防腐層的狀況進(jìn)行評估，結(jié)合A字架對防腐層破損點進(jìn)行定位。測試原理見圖1。

防腐層絕緣電阻Rg是指單位面積防腐層法線方向上的電阻。Rg越高，表明防腐層質(zhì)量越好。利用測試數(shù)據(jù)經(jīng)配套軟件分析處理后計算出Rg，按照《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》(SY/T 5918—2011)，可對防腐層狀況進(jìn)行評價。也可通過計算電流衰減率Y定性反映管道防腐層的優(yōu)劣程度。

圖1 PCM法測試原理

在測試過程中，當(dāng)無干擾時，電流曲線總的變化趨勢為弧狀衰減(如圖2所示)，當(dāng)存在異常干擾時，則呈鋸齒狀(如圖3所示)。

圖2 無干擾時電流曲線示意

圖3 有干擾時電流曲線示意

1.3 電流衰減法檢測實例

檢測管道為外環(huán)線LNG遠(yuǎn)東大道段。該管段材質(zhì)為SS400，防腐層為2PE。設(shè)計壓力1.6 MPa，管道規(guī)格為D529×10。2013年12月份運(yùn)用PCM檢測儀對該段管道進(jìn)行了外防腐層全面檢測。數(shù)據(jù)見表1。

表1 外防腐層檢測數(shù)據(jù)

從表1知，管線300 m處電流從372 mA衰減到273 mA，衰減率為0.060 1，管線500 m處電流從305 mA衰減到265 mA，衰減率為0.022 4，可以判斷該兩處防腐層有泄漏點。從電流曲線的斜率可以推測防腐層質(zhì)量好壞，斜率越大，防腐層質(zhì)量越差。從軟件計算的電流衰減率，可以對該管段防腐層質(zhì)量進(jìn)行評級。該管段質(zhì)量為一級的防腐層長度為550 m，占這段總長的68.75%；質(zhì)量為二級防腐層長度為250 m，占這段總長的31.25%。

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)的檢測

為了延長埋地鋼質(zhì)管道的使用壽命、保證安全運(yùn)行，一般都采取外防腐層加陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)方式。陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的檢測與評價是非常重要的一項內(nèi)容。

2.1 傳統(tǒng)管地電位的測量

管地電位時判定陰極保護(hù)是否達(dá)到保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。美國腐蝕工程師協(xié)會NACE RP0196規(guī)定“在通電情況下，埋地鋼結(jié)構(gòu)最小保護(hù)電位為-0.85 V(CSE)或更負(fù)。該電位不含土壤中的IR降，一般情況下為-0.85～1.25 V。

目前國內(nèi)傳統(tǒng)的管地電位測量方法是在測試樁處測量管地電位。一般采用地表參比法，用數(shù)字萬用表，將飽和CuSO4參比電極放在管線頂部上方1 m范圍內(nèi)的地表潮濕土壤上，保證參比電極與土壤接觸良好。通過測得的管道地電位數(shù)值來判斷管道是否達(dá)到保護(hù)電位。

該方法測量的管地電位并不能測量真正消除IR降的電位，更不能全面評價整條管道的陰極保護(hù)水平，一般這種方法只對測試樁附近1～2 m的距離有效，而且距離測試樁很近的防腐層缺陷會對測試樁讀數(shù)產(chǎn)生較大影響。

2.2 全線管地電位檢測(密間隔電位CIPS法)

CIPS是評價陰極保護(hù)系統(tǒng)是否達(dá)到有效保護(hù)的首選方法之一。檢測中，使用數(shù)據(jù)采集器代替常規(guī)萬用表，采集器的一端與參比電極相連，另一端通過電纜與管道測試樁相連。將參比電極沿管道移動，間隔1～2 m連續(xù)讀取并儲存管地電位數(shù)據(jù)，通過軟件繪出連續(xù)的管地電位曲線。這樣就可以得到整個管線上陰極保護(hù)電位的分布曲線。如圖4所示。

圖4 CIPS測量電位記錄截圖

在陰極保護(hù)陽極地床和恒電位儀之間串接中斷器，數(shù)據(jù)采集器通過全球GPS系統(tǒng)與CP站之間的中斷器同步，可以測得陰極保護(hù)OFF電位，大大消除了IR的影響。如圖5所示。

CIPS方法克服了傳統(tǒng)的管地電位檢測僅在每一測試樁處對管道的陰保電位進(jìn)行檢測，但無法了解測試樁與測試樁之間管段的真正陰極保護(hù)電位狀況的弊端。它能夠檢測到管道沿線陰保電位的分布，不僅能對管道整個管道的陰極保護(hù)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評價，對可能發(fā)生的腐蝕部位進(jìn)行檢測的定位，還會得到防腐層破損點是否需要修補(bǔ)的相關(guān)信息。

圖5 間隔OFF電位測量原理

當(dāng)然，隨著城市軌交，電氣化鐵路，特高壓直流輸電系統(tǒng)等的不斷發(fā)展，地磁場的運(yùn)動，都會在管道上產(chǎn)生雜散電流，這些雜散電流都會對CIPS的檢測結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，從而影響對管道陰極保護(hù)水平的評價。

2.3 陰極保護(hù)系統(tǒng)CIPS檢測案例

檢測管道為外環(huán)線金海路段和滬太路段。該管段材質(zhì)為SS400，防腐層為2PE。管道設(shè)計壓力為1.6 MPa，管道規(guī)格為D529×10，該管段采用外加電流的陰極保護(hù)。2014年5月份公司運(yùn)用CIPS檢測儀對該段管道進(jìn)行了外防腐層全面檢測。本次檢測中，由于管網(wǎng)全線貫通，未加絕緣法蘭，所以不方便加中斷器，因此本次檢測只檢測ON電位，管線保護(hù)電位為VOFF=VON-IR(mV)。關(guān)于IR降，相關(guān)參數(shù)較多，當(dāng)有雜散電流時，更為復(fù)雜,并含有隨機(jī)因素，無準(zhǔn)確計算公式。本次根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和簡化公式估算，初步判斷IR降為200～300 mV。

金海路與S20交叉口管段CIPS陰保電位分布見圖6。

圖6 金海路與S20交叉口管段CIPS陰保電位分布截圖

由圖6可知該管段大部分陰保電位處于-0.85～-1.5 V之間，其中406至721段約300 m管道高于-0.85 V，未達(dá)到保護(hù)。

由圖7可知該管段陰極保護(hù)電位基本處于-0.85～-1.5 V之間，但電位波動較大，可知存在較強(qiáng)的雜散電流干擾。

圖7 滬太路匝道至南北高架段CIPS檢測陰保電位分布截圖

3 結(jié)語

高壓天然氣埋地鋼制管道的外防腐系統(tǒng)是管道安全運(yùn)行的可靠保證。工程實踐證明，PCM法和CIPS法檢測技術(shù)，對定位管道外防腐層點、評估防腐層整體質(zhì)量狀況、陰極保護(hù)系統(tǒng)狀況的有效性評價效果較好。但這兩種檢測方法也也有局限性。PCM法對三通、彎頭等特殊部位不適用，也不能檢測出防腐層剝離的情況。CIPS法在檢測時，如果現(xiàn)場無條件斷開陰極保護(hù)，也無法測試斷電電位。由于受外界雜散電流干擾的影響，CIPS檢測結(jié)果也會受到一定的影響。因此，建議在管道檢測時，首先應(yīng)了解被測管道的基本情況，避免干擾，再者，通過現(xiàn)場試驗，反復(fù)對比積累檢測經(jīng)驗，必要時綜合其他手段相互驗證，最終得出較為可靠的檢測數(shù)據(jù)，為管道防腐系統(tǒng)的修復(fù)和評價提供科學(xué)依據(jù)。