尹 安 劉兆鵬 于海昆 王 亮 馬光皎 王翔東

（青島鋼研納克檢測防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

油氣管道途徑鐵路、高速公路、大中型江河等復(fù)雜地況時(shí)，經(jīng)常采用水平定向鉆機(jī)將穿越管段按照設(shè)計(jì)軌跡通過障礙物的水平定向鉆穿越（HDD）敷設(shè)。地下障礙物如碎石、礫巖難免會(huì)磨損和刮傷管道防腐層，甚至造成貫穿性損傷，暴露管道本體，從而導(dǎo)致外涂層防腐性能的降低或失效，增加管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。

受常規(guī)防腐層檢測方法應(yīng)用條件的限制，國內(nèi)外對水平定向鉆穿越管道外涂層評價(jià)主要通過電流-電位法、電流密度法等饋電試驗(yàn)方法。GB 50254-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》6.3.6規(guī)定：穿越施工完成后需要對穿越段外涂層電導(dǎo)率進(jìn)行測試，測試宜在穿越完成15d后且穿越段管道與主管線連接前進(jìn)行；新建管線穿越段外涂層標(biāo)稱電導(dǎo)率不應(yīng)大于200μS/m2或外涂層絕緣電阻率不應(yīng)小于5000Ω·m2，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)陰極保護(hù)并在兩端追加必要的陰極保護(hù)措施[1]。

當(dāng)穿越段管道兩端連頭之后，保護(hù)面積增大，管線整體達(dá)到保護(hù)電位所需的饋電電流遠(yuǎn)大于穿越段管道陰極極化電流。通過電壓降法可以計(jì)算管道穿越點(diǎn)、出土點(diǎn)管中電流的大小，變化值為穿越段管道達(dá)到陰極保護(hù)電位需要的極化電流。

1 電流-電位法

電流-電位法又稱饋電試驗(yàn)法，即在穿越管段一端設(shè)置臨時(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)，給管道施加饋電電流并控制穿越兩端斷電電位在-0.85～-1.05V之間，通過測試兩端電流的衰減和電位的變化來計(jì)算管道穿越段外涂層的絕緣電阻率。

1.1 測試步驟

電流-電位法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線如圖1所示，測試步驟分為以下五步：

（1）饋電位置選擇。饋電點(diǎn)距測試點(diǎn)應(yīng)大于300m，斷開所有與穿越管道電連接的犧牲陽極、接地體，測試穿越兩端的自腐蝕電位和土壤電阻率；

（2）測試設(shè)施安裝。每處測試點(diǎn)設(shè)置極化探頭或便攜參比電極1支，若無可用的測試閥井，管道上另需焊接測試線；

（3）臨時(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝。輔助陽極距離管道不小于100米，接地電阻盡量小，必要時(shí)采取降阻措施。電源正極接陽極地床，負(fù)極接管道，臨時(shí)電源采用2支12V蓄電池或汽油發(fā)電機(jī)，根據(jù)實(shí)際電流大小安裝電阻調(diào)節(jié)器；

（4）管道電位極化。接通臨時(shí)陰極保護(hù)電源并調(diào)節(jié)輸出電流，確保電流輸出穩(wěn)定，管道充分極化，通電點(diǎn)沒有過保護(hù)，Ua,b off 控制在-0.85～ -1.05V之間；

（5）饋電參數(shù)記錄。記錄電源輸出電流、測試點(diǎn)通斷電電位，重復(fù)3次。

1.2 計(jì)算過程[2]

（1）依據(jù)圖1，測試點(diǎn)a和b的電位變化按下公式計(jì)算：

圖1 電流-電位法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線示意圖

（2）電位變化比按下式計(jì)算：

1）當(dāng)電位變化比k在0.625～1.6之間時(shí)，采用通用法計(jì)算評價(jià)。兩端電位變化的算術(shù)平均值認(rèn)為是管道穿越段的平均電位變化，按下式計(jì)算：

2）當(dāng)電位變化比k不在0.625～1.6之間時(shí)，采用電位或者電流衰減方法評價(jià)，計(jì)算式如下：

電位衰減法：

電流衰減法：

式中：L為測試點(diǎn)a和b之間的距離（m）；α為所測管段的衰減系數(shù)。

管段穿越段的電導(dǎo)按下式計(jì)算：

式中：r為單位長度管段的縱向電阻（Ω）；g為所測管段漏失電導(dǎo)（S）；α為所測管段的衰減 系數(shù)；

（3）平均電導(dǎo)按下式計(jì)算：

式中：G為穿越段管道涂層的平均電導(dǎo)（S/m2）；A為穿越段管道的表面積πdL（m2），L為管道穿越長度（m）；

（4）穿越段管底深度的平均土壤電阻率按下式計(jì)算：

（5）標(biāo)稱電導(dǎo)率的計(jì)算

在1000Ω·cm特定土壤電阻率中的涂層電導(dǎo)率，為標(biāo)稱電導(dǎo)率，計(jì)算式如下：

式中：Gn為標(biāo)稱電導(dǎo)率（μS/m2）；G為穿越段涂層的單位平均電導(dǎo)（S/m2）；

（6）外涂層絕緣電阻率R1000的計(jì)算

式中：R1000為外涂層絕緣電阻率（Ω·m2）。

1.3 外涂層質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0102-2002《Measurement of Protective Coating Electrical Conductance on Underground Pipelines》和GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》規(guī)定，外涂層質(zhì)量評估分級如表1 所示。

表1 標(biāo)稱電導(dǎo)率/絕緣電阻率與外涂層質(zhì)量比照表

2 電流密度法

被保護(hù)結(jié)構(gòu)物單位面積上流入的電流，稱為保護(hù)電流密度；達(dá)到最小保護(hù)電位-0.85V（CSE）所需的陰極極化電流密度稱之為最小保護(hù)電流密度[3]。外涂層絕緣電阻率越大，所需要的保護(hù)電流越少，電流密度越小。反之當(dāng)管道存在金屬搭接、絕緣法蘭（接頭）失效、防腐層破損、外涂層劣化等腐蝕問題時(shí)，達(dá)到保護(hù)電位需要較多的極化電流，電流密度越大。電流密度法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線如圖2所示。

圖2 電流密度法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線示意圖

2.1 計(jì)算過程

（1）保護(hù)電流密度計(jì)算公式為：

（2）極化電位偏移100mV時(shí)，保護(hù)電流密度計(jì)算公式為：

式中：J為電流密度（μA/m2）；J100mV為極化電位偏移100mV電流密度μA/（m2·mV）；I為極化電流（μA）；L為穿越距離（m）；D為管道直徑（m）；Uoff為斷電電位（mV）；U自為自腐蝕電位（mV）。

2.2 電流密度評級標(biāo)準(zhǔn)

HDD管道最小保護(hù)電流密度（斷電-0.85V/CSE）與外涂層質(zhì)量評級如表2所示。

3 電壓降法

電流沿管道縱向傳輸過程中呈不斷衰減趨勢。管道縱向電阻越小、外涂層對地散流電阻越大，所需的保護(hù)電流越少，陰極保護(hù)范圍越廣。完全絕緣的外涂層是不存在的，電流在涂層材料中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電壓降，ab段回路電阻為該管段電壓降與管內(nèi)電流的比值。由于埋地陽極地床接地電阻較小，回路電阻大致為ab管段的外涂層電阻。電壓降法測量接線如圖3所示。

圖3 電壓降法測量接線示意圖

3.1 適用條件

電壓降法適用于具有良好外涂層的管道，被測管段ab之間不得有法蘭盤、接地體、犧牲陽極、分流支管，并且已知管徑、壁厚、長度、管材電阻 率[4]。穿越端Lab、出土端Lcd間距不小于30m，測試點(diǎn)之間的電位差不小于50μV。

3.2 計(jì)算過程

管內(nèi)電流計(jì)算公式為：

式中：Iab為ab段管內(nèi)電流（A）；Uab為ab段電壓降（V）；D為管道外徑（mm）；δ為管道壁厚（mm）；ρ為管材電阻率（Ω·mm2/m）；Lab—ab段管道長度（m）；

IHDD為HDD管內(nèi)電流（A）；I穿越為ab段管內(nèi)電流（A）；I出土為cd段管內(nèi)電流（A）。

對測量區(qū)間有影響的保護(hù)電源應(yīng)安裝同步斷續(xù)器，給管道提供一個(gè)通12s、斷3s的保護(hù)電流，可采用“瞬間斷電法”測量各測試點(diǎn)的通斷電電位。否則需要在測試點(diǎn)處安裝極化探頭，采用“極化探頭法”測試。電壓降法測試水平定向鉆穿越管道管內(nèi)電流接線如圖4所示。

圖4 電壓降法測試水平定向鉆穿越管道管內(nèi)電流接線示意圖

4 工程實(shí)例

某高壓天然氣管道材質(zhì)為L360螺旋埋弧焊鋼管，規(guī)格為Φ323×8mm，三層聚乙烯（3LPE）結(jié)構(gòu)加強(qiáng)級防腐層，管道敷設(shè)已有9年，水平定向鉆穿越黃河。穿越管段長1.8km，管道埋深18m，深度超過儀器的檢測范圍，常規(guī)的檢測方法無法評估管道外涂層的防腐性能。

在黃河北岸（N）安裝臨時(shí)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行饋電試驗(yàn)，按照1.1步驟對黃河穿越段的外涂層絕緣電阻率測試評估，測試點(diǎn)設(shè)置如圖5所示。

圖5 黃河穿越管段外涂層絕緣電阻率測試點(diǎn)分布圖

通過深坑開挖測定電流分流大小，測試結(jié)果如下，管道參數(shù)如表3所示。

表3 （續(xù)）

表3 黃河水平定向鉆穿越段管道外涂層參數(shù)表

黃河北岸開挖點(diǎn)的間距d1-2長30m，測試點(diǎn)的電位差Ua為0.4mV；黃河南岸開挖點(diǎn)的間距d3-4長38m，測試點(diǎn)的電位差Ub為0.5mV。

穿越點(diǎn)電流大?。?/p>

出土點(diǎn)電流大小：

管內(nèi)電流變化：

電位變化比：

平均電位變化：

平均電導(dǎo)：

平均土壤電阻率：

標(biāo)稱電導(dǎo)率：

外涂層絕緣電阻率：

保護(hù)電流密度：

5 評價(jià)影響因素

（1）軸向電位

電壓降法應(yīng)用的前提條件是極化電流在單一土壤層中以管道為中心軸向分布，均勻衰減。但由于水平定向鉆穿越管道途徑河流、砂土層、巖石層等多種介質(zhì)層環(huán)境，這就導(dǎo)致低電阻率土壤中的管道優(yōu)先極化甚至過度極化，而高電阻率巖石層中的管道極化較慢或部分極化[5]。介質(zhì)層環(huán)境的急劇變化導(dǎo)致極化電流分布不再遵循均勻衰減的規(guī)律，穿越段管道水平軸向電位差異較大；

（2）電流屏蔽

水平定向鉆穿越高電阻率片巖時(shí)，絕緣屏障層會(huì)導(dǎo)致部分管道出現(xiàn)電流屏蔽效應(yīng)。絕緣屏障層與涂層管道之間即使具備水、土壤等電解質(zhì)環(huán)境，測試電流卻不能完全通過屏障層到達(dá)涂層缺陷位置。電屏蔽導(dǎo)致饋入管道的極化電流值往往比真實(shí)值要小，外涂層絕緣電阻率測試值偏大；

（3）土壤電阻率

表征水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣性能優(yōu)劣的主要因素是缺陷點(diǎn)的大小和數(shù)量[6]。但鹽度較高的介質(zhì)層土壤電阻率極低，換算成標(biāo)稱外涂層絕緣電阻率R1000數(shù)值往往幾十倍甚至近百倍的增加，成為影響評價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵性因素。另外穿越管道敷設(shè)環(huán)境通常是泥漿，泥漿的土壤電阻率與地表測試結(jié)果偏差很大；

（4）動(dòng)態(tài)雜散電流

動(dòng)態(tài)雜散電流大小和方向隨時(shí)變化，當(dāng)水平定向鉆穿越管道受其影響時(shí)，出入土兩端可能是雜散電流流入點(diǎn)（陰極區(qū)）、流出點(diǎn)（陽極區(qū)）或既有流入又有流出（交變區(qū)）。即使同時(shí)測試兩端的管內(nèi)電流和管地電位也不能完全消除動(dòng)態(tài)雜散電流的干擾影響，測試值非真實(shí)值。

6 結(jié)語

（1）通過饋電試驗(yàn)聯(lián)合電壓降法計(jì)算可知：黃河水平定向鉆穿越管道標(biāo)稱電導(dǎo)20.91μS·m-2，絕緣電阻率47824.01Ω·m2，保護(hù)電流密度5.6246μA/m2，外涂層質(zhì)量評級為“優(yōu)”，滿足GB 50254-2015的要求；

（2）水平定向鉆連頭之前需要在出土端回拖2個(gè)完整管節(jié)進(jìn)行目視檢查和電火花檢測，外涂層應(yīng)平滑、無漏點(diǎn)、無貫穿性損傷。水平定向鉆穿越管道施工過程中難免存在防腐層損傷，受限于管道埋深較深，外涂層缺陷普遍無法修復(fù)，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域陰極保護(hù)并在兩端追加必要的陰極保護(hù)措施；

（3）電壓降法基于電流-電位饋電試驗(yàn)法，評價(jià)影響因素較多，應(yīng)對測試參數(shù)加權(quán)處理，保證評價(jià)結(jié)果的真實(shí)、準(zhǔn)確。