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(陜西宇陽(yáng)石油科技工程有限公司，陜西 西安 710018)

某鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司鐵精礦輸送管道(以下簡(jiǎn)稱(chēng)管道)是集團(tuán)生產(chǎn)原料鐵精礦主要的輸送途徑，管道全長(zhǎng)102.3 km，采用219 mm×(12～7)mm的API5L-X60無(wú)縫鋼管，工作壓力為10.17 MPa，防腐層為厚度2.5 mm的HDPE(高密度聚乙烯)，補(bǔ)口采用同質(zhì)材料的熱收縮套，于1997年投入使用。陰極保護(hù)現(xiàn)狀：0～11.5 km為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，11.5～51.0 km為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，51.0～102.3 km埋地段為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，山洞內(nèi)及跨越段無(wú)陰極保護(hù)。

為使管道安全運(yùn)行，礦業(yè)公司委托專(zhuān)業(yè)公司對(duì)該管道防腐層及陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。主要檢測(cè)內(nèi)容[1-2]包括：管道陰極保護(hù)測(cè)試及評(píng)價(jià)(密間隔電位法,CIPS)、直流雜散電流測(cè)試(直流電位梯度法,DCVG)、防腐層破損點(diǎn)檢測(cè)及精確定位(皮爾遜法)、管道防腐層整體質(zhì)量評(píng)價(jià)(PCM)、土壤電阻率檢測(cè)、交流雜散電流測(cè)試和管體壁厚檢測(cè)及剩余壽命評(píng)估。

1 防腐層缺陷檢測(cè)

防腐層缺陷檢測(cè)采用皮爾遜法，具體方法是給被測(cè)量管道輸入1 000 Hz的交流信號(hào)，信號(hào)電流通過(guò)土壤流入防腐層缺陷點(diǎn)時(shí)在地表產(chǎn)生交變電壓場(chǎng)[3]。通過(guò)測(cè)量電位差的大小及變化來(lái)確定防腐層缺陷點(diǎn)位置。

埋地管道防腐層地面檢漏評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 埋地管道防腐層地面檢漏評(píng)價(jià)指標(biāo)

該次檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)管道缺陷點(diǎn)總數(shù)為327個(gè)，其中一類(lèi)點(diǎn)123個(gè)，占37.6%；二類(lèi)點(diǎn)67個(gè)，占20.5%；三類(lèi)點(diǎn)137個(gè)，占41.9%，平均每公里缺陷點(diǎn)為3.19個(gè)，大于標(biāo)準(zhǔn)中的每10 km 8個(gè)缺陷，屬于差級(jí)。一類(lèi)和二類(lèi)點(diǎn)占58.1%，從開(kāi)挖情況看，管道破損較為嚴(yán)重。

2 防腐層PCM電流衰減、絕緣電阻率檢測(cè)

PCM電流衰減檢測(cè)用于管道外防腐層整體質(zhì)量評(píng)價(jià)。工作原理是向管道施加一個(gè)混合低頻電流，通過(guò)分析管道各處電流的衰減規(guī)律尋找防腐層破損點(diǎn)。電流強(qiáng)度衰減大小與防腐層的絕緣性有關(guān)，防腐層電阻率大，電流衰減慢，反之則衰減快，也就是電流泄漏嚴(yán)重[4-5]。電流隨距離衰減的關(guān)系式為：

I=I0e-ax

式中：I為管道中任意處的電流強(qiáng)度；I0為發(fā)射機(jī)向管道施加電流點(diǎn)的電流；x為測(cè)量點(diǎn)到供電點(diǎn)的距離；a為衰減系數(shù)(與被測(cè)管道的防腐層絕緣電阻率、管道的直徑、壁厚、材質(zhì)有關(guān))。

管道的防腐層由同種材料構(gòu)成，且各段的平均絕緣電阻差別不大時(shí)，管道中電流強(qiáng)度的對(duì)數(shù)與管道遠(yuǎn)離供電點(diǎn)的距離成線(xiàn)性關(guān)系變化，其斜率大小取決于防腐層的絕緣電阻值。單位距離的衰減率與距離繪制成的二維圖形是一條平行于X軸的直線(xiàn)，即：

式中：y為單位長(zhǎng)度管道電流平均衰減率，nA/m;x1,x2為遠(yuǎn)離供電點(diǎn)的距離，m。

以60～61 km的檢測(cè)數(shù)據(jù)作為示例。管道128 Hz等效電流衰減曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 管道等效電流衰減曲線(xiàn)

在施加電流后，衰減率較小時(shí)，防腐層質(zhì)量好；如果正向衰減率較大，在排除管道破損點(diǎn)陽(yáng)極的情況下，管道防腐層整體質(zhì)量較差；如果負(fù)向衰減，防腐層質(zhì)量較好。

3 陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)

管道外腐蝕影響因素主要有土壤環(huán)境、雜散電流、防腐層破損、老化剝離、陰極保護(hù)、管道本身的應(yīng)力和外部應(yīng)力等[6]。其中影響最大的是防腐層破損老化和管道應(yīng)力。陰極保護(hù)是延長(zhǎng)管道壽命的重要措施，不但能抑制土壤對(duì)管道防腐層破損點(diǎn)處的腐蝕，也能抑制一部分雜散電流對(duì)管道的干擾，同時(shí)也能抑制部分管道應(yīng)力腐蝕。

3.1 犧牲陽(yáng)極管段陰極保護(hù)檢測(cè)與評(píng)價(jià)

取8～9 km犧牲陽(yáng)極保護(hù)管段的檢測(cè)數(shù)據(jù)作為示例。2012年管道8～9 km CIPS+DCVG實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，明顯凸起的是陽(yáng)極埋設(shè)點(diǎn)，明顯凹下的是正在發(fā)生腐蝕的位置、穿越公路或部分橋掛。較2005年，2012年?duì)奚?yáng)極段管地電位正移了很多。

管道共計(jì)45 km犧牲陽(yáng)極保護(hù)管段，2012年?duì)奚?yáng)極為82組，平均每公里1.5組；2008年?duì)奚?yáng)極為53組，平均每公里1.17組；2012年較2005年(平均每公里3.6組)160組減少了50%。隨著管道服役時(shí)間的延長(zhǎng)，管道防腐層逐年老化，需要的陰極保護(hù)電流也逐年增大；加之隨著犧牲陽(yáng)極消耗，其表面積越來(lái)越小，能提供的電流逐年減小。一般犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)壽命為20 a，由于PE防腐層絕緣電阻率較高，需要的保護(hù)電流密度較瀝青防腐層小，所以現(xiàn)在大部分管段保護(hù)合格[7]。管道周?chē)┕ら_(kāi)挖引起的陽(yáng)極與管道斷開(kāi)的情況在所難免，同時(shí)也出現(xiàn)了少部分管段欠保護(hù)的狀況。建議補(bǔ)充80組犧牲陽(yáng)極。

圖2 8～9 km CIPS+DCVG實(shí)測(cè)結(jié)果

3.2 強(qiáng)制電流段陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)與評(píng)價(jià)

2012年強(qiáng)制電流保護(hù)管道12～13 km CIPS+DCVG實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，明顯凹下的是破損點(diǎn)、穿越公路或部分橋掛。管道強(qiáng)制電流保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)整改，較2008年改善很多，但仍然有少部分管段保護(hù)電位正于-850 mV[8]，系統(tǒng)仍然需要整改。

3.3 絕緣短管絕緣性能

管道絕緣短管檢測(cè)漏電匯總見(jiàn)表2。

序 號(hào)位置檢測(cè)方式施加電流/mA漏電電流/mA漏電率/%1管道起始0km施加電流,檢測(cè)絕緣短管上游側(cè)電流6007011.7211km測(cè)試樁施加電流,檢測(cè)絕緣短管下游側(cè)電流300206.7351km測(cè)試樁施加電流,檢測(cè)絕緣短管上游側(cè)電流50035075.0467.75km測(cè)試樁施加電流,檢測(cè)絕緣短管下游側(cè)電流291030.7555號(hào)洞入口施加電流,檢測(cè)絕緣短管下游側(cè)電流1005050.0613號(hào)洞入口施加電流,檢測(cè)絕緣短管下游側(cè)電流1085551.0717號(hào)洞出口施加電流,檢測(cè)絕緣短管上游側(cè)電流3104414.2898.7km施加電流,檢測(cè)絕緣短管上游側(cè)電流3538.59末端站102.3km施加電流,檢測(cè)絕緣短管下游側(cè)電流30026086.7

根據(jù)以上檢漏結(jié)果，管道絕緣短管有著不同程度的漏電現(xiàn)象，為了保證陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，減少設(shè)備的功率消耗，建議及時(shí)更換絕緣性能較差的短管。

4 交/直流雜散電流及土壤電阻率檢測(cè)

根據(jù)全線(xiàn)埋地段管道的DCVG法檢測(cè)結(jié)果，各位置點(diǎn)的電位梯度曲線(xiàn)與圖3下部曲線(xiàn)類(lèi)似，曲線(xiàn)波動(dòng)大意味著直流干擾強(qiáng)烈。40～51 km直流干擾已經(jīng)使管地電位偏移，陰極保護(hù)系統(tǒng)整改后只要管道測(cè)試樁電位小于-900 mV，直流干擾對(duì)管道的影響就會(huì)減?。?1～71 km少數(shù)管段直流干擾強(qiáng)烈，建議立即在干擾附近補(bǔ)加陽(yáng)極。

使用萬(wàn)用表、參比電極或地釬檢測(cè)管道測(cè)試樁交流電位，結(jié)果表明：全線(xiàn)交流干擾較弱。

采用溫納四極法檢測(cè)土壤電阻率[9]，選用儀器為ZC-8型接地電阻儀。土壤腐蝕性強(qiáng)的有5處，中的有19處，弱的有63處，土壤總體腐蝕性較弱。

5 管體壁厚檢測(cè)及剩余壽命評(píng)估

采用磁性測(cè)厚儀對(duì)管道防腐層厚度進(jìn)行不少于4點(diǎn)環(huán)向測(cè)量，剝開(kāi)防腐層后可使用卡尺進(jìn)行實(shí)測(cè)校驗(yàn)。

管道壁厚測(cè)量采用超聲波法，測(cè)量值是剩余壁厚，最小剩余壁厚可以計(jì)算出最大腐蝕坑深。當(dāng)存在多個(gè)腐蝕坑，難以確定最大坑深時(shí)可以依次測(cè)量一系列較大腐蝕坑，記錄其坑深，取其最大值為最大坑深，或根據(jù)最大的10個(gè)坑深數(shù)據(jù)，用極值統(tǒng)計(jì)法推算其最大可能值。按照設(shè)計(jì)壓力15.3 MPa作均勻腐蝕評(píng)價(jià)—Ⅰ級(jí)評(píng)價(jià)[10]，開(kāi)挖管道管體檢測(cè)與剩余壽命評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表4可以看出，管道設(shè)計(jì)的20 a使用壽命全部測(cè)點(diǎn)通過(guò)一級(jí)評(píng)價(jià)，管體最小剩余壽命為19 a。隨著管道服役時(shí)間延長(zhǎng)，防腐層不斷老化，防腐層與管體粘接力也不斷降低，防腐層剝離現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越多，陽(yáng)極消耗也會(huì)不斷加大；強(qiáng)制電流段陽(yáng)極地床、長(zhǎng)效參比電極、恒電位儀、陰極保護(hù)電纜日常維護(hù)工作要不斷加強(qiáng)。上述計(jì)算結(jié)果是在不考慮陰極保護(hù)失效或者欠保護(hù)的情況下做出的，同時(shí)，以往檢測(cè)沒(méi)有開(kāi)挖檢測(cè)的具體數(shù)據(jù)，管道破損點(diǎn)腐蝕趨勢(shì)沒(méi)有詳實(shí)的數(shù)據(jù)，在一定程度上會(huì)影響評(píng)估結(jié)果。管道內(nèi)腐蝕很小，主要是控制外腐蝕，因而修復(fù)防腐層破損點(diǎn)，加大陰極保護(hù)整改力度是保障管道壽命的關(guān)鍵。

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)某鐵精礦管道外腐蝕狀況的檢測(cè)及評(píng)價(jià)，確定管道防腐層局部破損點(diǎn)較多，其中一類(lèi)點(diǎn)占比例較大，主要是防腐層與管體粘接力下降引起的剝離現(xiàn)象，防腐層整體質(zhì)量依然較好，陰極保護(hù)作為防腐層的有效補(bǔ)充，可以延長(zhǎng)管道1～5倍的壽命。

(2)皮爾遜法可判定防腐層缺陷點(diǎn)的位置并粗略指示缺陷大?。籔CM法根據(jù)施加到管道上的電流衰減變化可確定管道埋深、防腐層缺陷點(diǎn)的位置，同時(shí)可測(cè)量和評(píng)價(jià)絕緣裝置的絕緣特性；DCVG法適用于埋地管道防腐層破損點(diǎn)的查找和定位，對(duì)外防腐層破損點(diǎn)的大小及嚴(yán)重程度進(jìn)行定性分類(lèi)；CIPS法在“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)下可得到沿管道走向完整的管地電位曲線(xiàn)，提供所有缺陷處陰極保護(hù)狀況和正在發(fā)生腐蝕的位置。

(3)DCVG+CIPS的防腐層檢測(cè)技術(shù)利用直流地電位梯度的變化可以確定防腐層破損點(diǎn)的位置；通過(guò)破損點(diǎn)處土壤中的陰極保護(hù)電流的方向，可識(shí)別破損點(diǎn)的腐蝕活性IR%定性；依據(jù)破損點(diǎn)IR降百分比可定性判斷破損點(diǎn)的大小。

(4)各種管道防腐層檢測(cè)方法都有一定的適用范圍和局限性，具體應(yīng)用中還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)測(cè)量方法的選用作出調(diào)整，也可以對(duì)一種檢測(cè)方法評(píng)價(jià)結(jié)果為“重”的點(diǎn)采用另一種檢測(cè)方法加以校驗(yàn)。

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