吳 聰， 陳志光， 秦朝葵， 吳意彬

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201804)

1 概述

隨著城市公共交通等設施的建設發(fā)展，燃氣管道敷設的環(huán)境越來越復雜，對管道輸送安全提出了更為嚴格的要求。以上海市為例，截至2018年底，全市軌道交通全網(wǎng)絡規(guī)模增至705 km、415座車站[1]，各級燃氣管網(wǎng)總長度逾2×104km，存在大量燃氣管道與軌道相交敷設的情況。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》規(guī)定：穿越鐵路和高速公路的燃氣管道，其外應加套管；燃氣管道穿越電車軌道和城鎮(zhèn)主要干道時宜敷設在套管或地溝內(nèi)，套管法在施工中將會得到越來越廣泛的使用?，F(xiàn)有工程常用的套管有水泥套管、鑄鐵套管和鋼質(zhì)套管。套管的添加可確保穿越內(nèi)管的機械強度，方便后期維護更換，保證管道的安全運行。但是，套管的使用也存在著一些問題，如套管內(nèi)部空間的電解質(zhì)有無及內(nèi)管腐蝕工況監(jiān)測等。

套管和內(nèi)管的連接狀態(tài)與管道的腐蝕機理有著很大的關系，不同的連接狀態(tài)對管道的陰極保護系統(tǒng)設計也有著不同的要求。張珂等人[2]、和宏偉等人[3]分析了鋼質(zhì)套管對陰極保護影響的原因，在套管空間內(nèi)有電解質(zhì)(地下水、土壤等)的情況下，套管和內(nèi)管絕緣，則內(nèi)管保護較好，套管內(nèi)部會流出電流，從而受到嚴重腐蝕；若套管和內(nèi)管之間存在短路，則內(nèi)管處于自然腐蝕的狀態(tài)，套管會受到保護，犧牲陽極消耗加劇。孫慧潔等人[4]認為內(nèi)管能夠得到有效陰極保護的條件是內(nèi)管與套管之間存在導電介質(zhì)，并給出在套管內(nèi)安裝纏繞陽極或鐲式陽極的實施方案。上述文獻均未對如何判斷套管與內(nèi)管的連接狀態(tài)進行說明，周冰等人[5]介紹了3種方式用來判斷套管與內(nèi)管是否存在金屬短路，分別是管中電流衰減測試、穿越兩端電位測試、套管與管體搭接情況直接檢測，但具體實施方式及準確性有待進一步探討。

套管與內(nèi)管連接狀態(tài)判定屬于埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價(ECDA)的“間接檢測與評價”階段測試的內(nèi)容。SY/T 0087.1—2018《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價標準 埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價》僅指出密間距電位測量法(CIS)、電流電位梯度法(ACVG/DCVG)、地面音頻檢漏法、交流電流衰減法(PCM)在無可行措施下不適用于帶套管的管段評價，對于套管與內(nèi)管連接狀態(tài)的判定方法并未提及，在國內(nèi)其他現(xiàn)行標準中也尚未發(fā)現(xiàn)。而在國外的標準中，針對套管與內(nèi)管連接狀態(tài)的判定早已給出了詳細的介紹。對套管與內(nèi)管的環(huán)形空間內(nèi)有無電解質(zhì)的判定，可通過在其內(nèi)部安裝液位監(jiān)測裝置來進行，而是否存在金屬接觸的判斷則較為復雜。本文對國外常用的美國標準《NACE SP0200 2014 Standard Practice：Steel-Cased Pipeline Practices》與英國標準《BS EN ISO 16440:2016 Petroleum and natural gas industries—Pipeline transportation systems—Design, construction and maintenance of steel cased pipelines》中關于套管連接狀態(tài)內(nèi)容進行了整理，介紹4種用于判斷鋼質(zhì)套管與內(nèi)管之間是否存在短路的測試方法，分別是電位測試、內(nèi)阻測試、套管去極化測試以及4線IR降測試，在此基礎上結合上海市某車站處燃氣管道穿越改造工程對電位測試、內(nèi)阻測試方法進行了現(xiàn)場應用，分析了套管與內(nèi)管的連接狀態(tài)。

2 套管與內(nèi)管短接判定方法

2.1 電位測試

在管道監(jiān)測中，套管和內(nèi)管的電位測試可以評估陰極保護的效果，同時，通過電位對比也可判斷套管與內(nèi)管之間是否存在短路，主要的測量參數(shù)是內(nèi)管—參比電極電位差和套管—參比電極電位差。

使用電壓表分別測量套管和內(nèi)管相對于參比電極(銅和飽和硫酸銅參比電極)的電位差，見圖1，參比電極應埋設于套管一端、內(nèi)管上方的土壤中，電壓表的一端連接參比電極，另一端分別連接內(nèi)管與套管的引出線。由于放散管與套管相互接觸，套管的引出線可從放散管引出。

圖1 電位測試接線

管道之間是否存在金屬短路可以用套管和內(nèi)管之間的電位差來說明，當電位差相差較大時，套管和內(nèi)管之間未接觸或者說未發(fā)生短路。當電位差小于100 mV時，則可能存在短路，此時應進行另外的測試進一步分析。

2.2 內(nèi)阻測試

通過測量套管和內(nèi)管之間的內(nèi)阻可判斷套管和內(nèi)管是否發(fā)生金屬短路，內(nèi)阻測試接線見圖2。

圖2 內(nèi)阻測試接線

使用直流電源連接套管和內(nèi)管的測試引出線T3和T4。在導通之前，測得套管T1和內(nèi)管T2之間的電位差U；電源導通，在T3和T4之間施加一個固定電流，電源最大輸出電流不超過10 A。當電流為I時，測得T1和T2之間的電位差為U′。電源導通前后T1和T2之間的兩次電位差的差值的計算式為：

ΔU=|U-U′|

(1)

式中 ΔU——電源導通前后T1和T2之間的兩次電位差的差值，V

U——未施加電流時，套管T1和內(nèi)管T2之間的電位差，V

U′——施加電流后，套管T1和內(nèi)管T2之間的電位差，V

則套管與內(nèi)管之間的內(nèi)阻為：

(2)

式中R——套管與內(nèi)管之間的內(nèi)阻，Ω

I——在T3和T4之間施加的電流，A

需要注意的是，為防止因套管與內(nèi)管存在金屬接觸而使電源兩極直接相連，應先串聯(lián)一個電阻，再進行測試。當套管和內(nèi)管之間的電阻小于0.01 Ω時，則說明兩者之間發(fā)生金屬短路。

2.3 套管去極化測試

套管去極化測試是一種通過套管排出直流電流來確認套管隔離狀態(tài)的方法,見圖3。測試前，在套管側面距其15 m處，利用插入土壤中的鋼棒或與土壤接觸良好的鋁帶建立1個臨時性金屬結構物。與電位測試法類似，在內(nèi)管上方且靠近套管端部的位置放置1個參比電極，使用直流電壓表，測量并記錄套管和內(nèi)管相對于參比電極的電位差。將直流電源負極連接到臨時性金屬結構物上，正極與套管相連，在剛施加電流后的1～2 min內(nèi)，自套管釋放出的電流增量應在0.1 A左右。一段時間之后，中斷電流，測量內(nèi)管—參比電極、套管—參比電極的瞬時斷電電位，以確定施加電流對電位產(chǎn)生的影響，并記錄電流增量。之后繼續(xù)增大電流，測試至少3組數(shù)據(jù)，最大電流不得超過10 A。

圖3 套管去極化測試

施加電流后，套管—參比電極電位差將正偏，若套管與內(nèi)管之間存在金屬接觸，內(nèi)管—參比電極電位差也會正偏，正偏幅度與套管相同；若不存在接觸，內(nèi)管—參比電極電位差正偏很小(mV級)，在某些情況下還可能出現(xiàn)少量負偏。

2.4 4線IR降測試

4線IR降測試接線見圖4，該方法可用于找出套管與內(nèi)管之間發(fā)生金屬接觸的位置，但若接觸點不止1個，位置確定可能不準確。

圖4 4線IR降測試接線

① 測量套管的線性電阻

首先，測量套管T3、T4之間的電位差U1；然后在T1和T2之間施加電流I1，再次測得T3、T4之間的電位差為U2。計算前后兩次測試T3、T4之間的電位差，得到校正因子ε1：

(3)

式中ε1——校正因子，A/mV

I1——在T1和T2之間施加的電流，A

U1——未施加電流時，套管T3和T4之間的電位差，mV

U2——施加電流后，套管T3和T4之間的電位差，mV

美國標準《NACE SP0200 2014 Standard Practice：Steel-Cased Pipeline Practices》中給出的部分管道設計參數(shù)見表1。對于不同規(guī)格的管道，根據(jù)表1給出的設計參數(shù)，查出其校正因子ε，然后除以管道長度L，得到校正因子ε2：

(4)

式中ε2——校正因子，A/mV

ε——管道設計校正因子，A·m/mV

L——T3與T4之間管道長度，m

表1 部分管道設計參數(shù)

對比校正因子ε1和ε2，若ε1和ε2的偏差在5%范圍內(nèi)，則進行接下來的測試；若偏差超過5%，應該進行重復測試，直到偏差低于5%。

② 確定上游端回路

確定電流回路時，端子的標注有所不同，見圖5。將電源的負極連接T2(內(nèi)管端子)，正極連接T1(上游放散管)。在電源連接之前，測T3、T4之間的電位差U3，施加電流I2后，測得T3、T4之間的電位差為U4。套管與內(nèi)管的金屬接觸點距上游T4端的距離占T3與T4間距的百分比d1為：

(5)

式中d1——套管與內(nèi)管的金屬接觸點距上游T4端的距離占T3與T4間距的百分比

U3——未施加電流時，套管T3和T4之間的電位差，mV

U4——施加電流后，套管T3和T4之間的電位差，mV

I2——在T1和T2之間施加的電流，A

圖5 上游端回路

③ 確定下游端回路

將T1(下游放散管)連接電源正極，T2(內(nèi)管端子)連接電源負極，見圖6。在電流輸出前后，測得T3和T4之間的電位差分別為U5、U6，此時電流為I3，則套管和內(nèi)管金屬接觸點距離下游T3端的距離占T3與T4間距的百分比d2為：

(6)

式中d2——套管與內(nèi)管的金屬接觸點距下游T3端的距離占T3與T4間距的百分比

U5——未施加電流時，套管T3和T4之間的電位差，mV

U6——施加電流后，套管T3和T4之間的電位差，mV

I3——在T1和T2之間施加的電流，A

圖6 下游端回路

根據(jù)上游端與下游端回路分析，d1代表著金屬接觸點距上游T4端電阻與T3到T4總電阻之比，而d2代表接觸點距下游T3端電阻與T3到T4總電阻之比。若d1為100%、d2為0，則說明短路發(fā)生于下游T3端。因此，通過分析d1與d2，便可找出發(fā)生金屬接觸的位置。

3 現(xiàn)場測試

測試現(xiàn)場位于上海市某車站處，燃氣管道穿越地鐵以及電氣化鐵路。該項目采用DN 1 000 mm的舊鋼質(zhì)管道作為套管，內(nèi)部則為新敷設的DN 500 mm主管道，穿越長度約80 m。施工時，內(nèi)管采用頂管推進的方法，套管和內(nèi)管之間采用絕緣支撐，進行隔離，同時可防止防腐層破壞；為避免穿越段管道與相鄰管段產(chǎn)生影響，在內(nèi)管兩端安裝了絕緣接頭。同時對套管兩端進行密封，在套管空間內(nèi)設置放散管，防止出現(xiàn)事故。

穿越部分套管內(nèi)部的管道難以安裝測試線，不能檢測到內(nèi)管實際電位等參數(shù)，僅能在套管和內(nèi)管的兩端進行測試，用兩端測得的管地電位代表整個管段的數(shù)據(jù)。因此在測試中，需要清楚了解套管空間內(nèi)的情況，如是否有電解質(zhì)、套管與內(nèi)管是否有電連接等問題，以確定穿越段內(nèi)管電位的準確性。穿越段燃氣管道為南北走向，在南北兩側均設置1個相同的測試箱，為方便數(shù)據(jù)采集，所有測試接線全部接入測試箱中。測試系統(tǒng)的接線見圖7。以南側為例，左端為穿越端，利用現(xiàn)場預留測試端子，分別按照電位、內(nèi)阻測試的接線方式，對套管與內(nèi)管是否短路進行測試。

圖7 測試系統(tǒng)接線1、9.參比電極 2、8.鎂陽極 3.穿越段套管S4接線點4.穿越段內(nèi)管S2接線點 5.非穿越段內(nèi)管S1接線點6.非穿越段套管S3接線點 7.纏繞鋅帶接線點

3.1 套管內(nèi)部電解質(zhì)確定

為判斷套管空間內(nèi)有無電解質(zhì)，在其內(nèi)部安裝水位監(jiān)測裝置，見圖8。在測試中，水位監(jiān)測裝置出現(xiàn)過水位報警的情況，現(xiàn)場曾將套管與內(nèi)管環(huán)形空間的端頭封堵打開進行開挖檢驗，確定套管空間內(nèi)存在地下水。

圖8 水位監(jiān)測裝置

3.2 電位測試

電位測試依照圖1所示方法，選擇了某1天的3個時段，通過圖7中端子1、3、4分別進行測試。數(shù)據(jù)采集使用ADAM-4017輸入模塊，電壓測試范圍±10 V，精度為±0.1%，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集頻率1 HZ。

測試現(xiàn)場穿越段套管與內(nèi)管的電位測試結果見表2。由表2可知，測試每一時段內(nèi)套管與內(nèi)管的電位差均大于100 mV，可初步認為套管與內(nèi)管之間未發(fā)生金屬接觸。

表2 穿越段的套管、內(nèi)管電位差

3.3 內(nèi)阻測試

根據(jù)圖2所示方法進行了內(nèi)阻測試，選擇圖7中端子3、4連接設備，其中對應于圖2中套管的兩處接線T1、T3均連接到端子3，內(nèi)管的兩處接線T2、T4均連接到端子4。電源采用型號為施普DY-30V/20A的直流穩(wěn)壓恒流電源，輸出電壓范圍為0～30 V，分度值為0.01 V；輸出電流范圍為0～20 A，分度值為0.01 A。

施加電流之前，測得端子3、4之間的電位差為-0.01 V。施加2.5 A的電流于端子3、4，此時端子3、4之間的電位差變?yōu)?0.16 V，則電位差的差值為0.15 V，因此，計算得內(nèi)管與套管之間的電阻為0.06 Ω，大于0.01 Ω。

結合水位監(jiān)測、電位測試與內(nèi)阻測試的結果，可判定套管空間內(nèi)存在地下水等導電介質(zhì)，但二者之間絕緣較好，不存在短路現(xiàn)象，因而可以通過穿越段管道兩端的測試結果來反映其內(nèi)部情況。

4 結論

針對鋼質(zhì)套管與穿越段燃氣管道的連接狀態(tài)判定進行研究，通過調(diào)研國內(nèi)外標準，對判定方法進行總結，結合上海某現(xiàn)場，對國外標準中推薦方法進行測試檢驗。對于套管空間內(nèi)有無電解質(zhì)可通過安裝水位監(jiān)測裝置確定；套管與內(nèi)管之間是否發(fā)生金屬接觸，可通過電位測試、內(nèi)阻測試及套管去極化測試進行判斷。當電位差測試結果大于100 mV，內(nèi)阻測試結果大于0.01 Ω或者內(nèi)管—參比電極電位不存在與套管—參比電極相同幅度的正偏時，可認為套管與內(nèi)管之間未發(fā)生金屬接觸。相反，若確定存在金屬接觸，可進行4線IR降測試，以確定接觸位置，從而準確分析出套管與內(nèi)管的連接狀態(tài)。