朱 平，龐 旭，季云健

（1. 云南省特種設(shè)備安全檢測研究院，云南 昆明 650000；2. 昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(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

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通過埋地鋼制管道對石油、天然氣進(jìn)行運輸已經(jīng)成為主流方式[1]。但是，隨著管道使用時間的推移，由于長期埋地、外部環(huán)境等原因的影響，管道的防腐層會遭到破壞，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，使管道能夠長期處于安全運行的狀態(tài)就顯得十分重要[5]。

管道外腐蝕性檢測是指采取相應(yīng)的間接檢測技術(shù)對埋地鋼制管道防腐層以及陰極保護(hù)效果進(jìn)行測量和評價[3]。管道外腐蝕性檢測的目的在于精確找出埋地管道由于長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)管道的運行狀態(tài)是否存在隱患，以便能夠及時修復(fù)，避免受到更大的損失[4]。

管道外腐蝕檢測是管道檢測的重要內(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，因此通過腐蝕檢測找出管道所存在的問題，對于管道的維護(hù)至關(guān)重要[8]。如何對埋地鋼制管道外防腐層狀況進(jìn)行檢測，是目前急需解決的關(guān)鍵問題[6]。但因開挖不易，在了解國內(nèi)使用較多的外檢測方法的基礎(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)行檢測的綜合方案。

1 常用管道外檢測技術(shù)的現(xiàn)狀

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

1.1 變頻—選頻法

1987年，在結(jié)合我國輸油行業(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量長線運輸埋地鋼制管道外防腐絕緣電阻、評價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管道的一端施加一個可變頻率電信號，檢測另外一端信號的衰減幅度，對信號頻率進(jìn)行調(diào)整，從而讓信號衰減處于 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，此法被中國石油天然氣公司加入SY/T5919-94標(biāo)準(zhǔn)之中，為我國埋地鋼制管道防腐層后續(xù)檢測工作打下基石[14]。

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

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]?？梢詸z測到有陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道防腐層破損點，在引入我國后，國內(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間斷關(guān)開的直流電信號在埋地鋼制管道中，當(dāng)部分管道外防腐層存在破損點時，會有球面電場分布在管道破損點處上方的地面上。該方法用毫伏表來測量兩電極間電壓差，離埋地鋼制管道外防腐層破損點越近，則電壓差越大，而離埋地鋼制管道外防腐層破損點越遠(yuǎn)，則電壓差越小，位于管道外防腐層破損點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所在的位置。然后可通過破損點處IR降推算出埋地鋼制管道的破損點大小。最后用埋地鋼制管道外防腐層破損點上方土壤電位分布的等位線圖對該點的大概形狀進(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。這個方法對巖石區(qū)、凍土區(qū)等區(qū)域的埋地鋼制管道，難以測量。同時對于城鎮(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，這是最早在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的檢測方法[12]。其原理是通過發(fā)送固定頻率的交流電信號給埋地鋼制管道，當(dāng)埋地鋼制管道防腐層存在破損點時，會在破損處形成電流通路，發(fā)生漏電流，輻射到地面上，并在漏點正上方位置形成地表電場分布。用人體做其傳感元件時，測量人員在漏點附近走動時，儀器會發(fā)生聲響，以及其表頭都會發(fā)生抖動，當(dāng)位于埋地鋼制管道外防腐層漏點正上方地表時，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所在的位置。

此方法對巖石區(qū)、凍土區(qū)等區(qū)域的埋地鋼制管道，難以測量；同時對于城鎮(zhèn)地段的埋地鋼制管道，采用皮爾遜法進(jìn)行檢測時，其準(zhǔn)確性較低；適用范圍較低，且該方法只能夠測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?？梢栽谘毓芫€上檢測到地面電位并對比，從而對管道的 CP系統(tǒng)性能進(jìn)行評估。 通常用于評價CP性能的數(shù)據(jù)包括：沿線所得電位、電位值的變化、長短距離點上的通/斷、去極化電位，及其他的測量信號特征。其原理是：將一個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)點是：適和復(fù)雜的地面狀況，也可水下操作[16]；測量點多，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；無須另配發(fā)射機；缺點是：測量過程復(fù)雜度高，對操作人員要求較為苛刻；在測量時所需人員多，至少保證有三個人參加，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。對于巖石回填或巖石區(qū)、凍土管段等情況，在進(jìn)行檢測時有很大障礙。同樣難以實施檢測。對于城鎮(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，該檢測設(shè)備最早從英國引進(jìn)，其原理是發(fā)射機將含有近于直流的多頻的電流信號施加于目標(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時，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，如老化、破損，此時電流就會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附近就會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，適用于其他場合。

1.6 雜散電流檢測技術(shù)

雜散電流干擾對埋地鋼制管道所產(chǎn)生的危害目前已得到國家的重視和研究，我國為此還制定了相關(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，在檢測設(shè)備領(lǐng)域還沒有專門的現(xiàn)場操作設(shè)備，檢測方法相對簡單、效率不高，對治理方案的實行有直接影響。檢測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，用SCM智感器對測量所選埋地鋼制管道內(nèi)所流動的干擾電流，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、破損點尺寸與位置、破損點的嚴(yán)重性與陰陽極傾向[25]。

通過SCM檢測，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，對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提供了可行性，提供了埋地輸氣管道超聲波檢測的可行性，是替代漏磁通檢測的有效方法。

2 綜合檢測技術(shù)方案

基于上述各種檢測方法優(yōu)缺點和適用環(huán)境的分析，為了適應(yīng)復(fù)雜多變的檢測環(huán)境，獲取更詳細(xì)、準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，確保管道安全高效運行，提出埋地鋼制管道綜合檢測技術(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、破損點尺寸及所在位置、破損點的損壞程度與陰陽極走向，為管道監(jiān)管部門對埋地鋼制管道進(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中，為了確保在管道上方進(jìn)行檢測，首先需要清楚管道的位置和方向?？梢允褂?RD400-PDL來確定工廠區(qū)域的短距離管道的位置和方向；對于長距離管道，則使用RD400-PCM 進(jìn)行檢測；最后可使用探地雷達(dá)對較為復(fù)雜的管道進(jìn)行檢測，如霍克地下管線檢測雷達(dá)。

（2）管線外防腐層完好狀態(tài)檢測

采取PCM法評價管線外防腐層的完好程度?？刹捎迷O(shè)備PCM-TX進(jìn)行檢測。通過檢測，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

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量方法來全面評估管道的陰極保護(hù)效果[17]。而埋地管道外防腐層完好性差的管段，CIPS可以測試其潛在分布以確定陰保效果，從而確保管道的安全運行。對由于土壤的酸堿性而造成電阻率的區(qū)域，其可通過CIPS測試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的位置與尺寸

對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)檢測和定位其損壞點所處位置，并對其尺寸進(jìn)行估算。為了能夠有效地確定外防腐層損傷點的尺寸，應(yīng)使用DCVG + CIPS來確定外涂層損傷點的尺寸。

（5）缺陷點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的損壞程度以及陰陽極狀態(tài)對于管道的的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)具有重要意義?？赏ㄟ^DCVG + SCM來測定缺陷點和陽極/陰極狀態(tài)下的嚴(yán)重程度。通常，可以使用DCVG，對于更復(fù)雜管道，建議使用SCM方法。因為，對于管道的斷點，SCM可以更有效地進(jìn)行雜散電流測試，發(fā)現(xiàn)損傷點陰陽極，有利于管道的檢測和維護(hù)。

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

圖1 檢測方案流程圖Fig.1 Detection scheme flow chart

3 結(jié)論

一般來說，管道公司使用標(biāo)準(zhǔn)管電位測試作為常規(guī)測試的手段[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，則采用先進(jìn)的直流電位梯度檢測技術(shù)和密集間距電位測試技術(shù)，仔細(xì)檢測管道缺陷分布[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，同時可利用DCVG技術(shù)確定每個缺陷的性質(zhì)，陰陽極特征。此種綜合測試方法雖可全部將管道缺陷記錄在冊，但不能夠完全消除交直流雜散電流干擾，會對采集的數(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)合雜散電流檢測技術(shù)，從二制定對管道切實可行，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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