高壓天然氣鋼質埋地管道外防腐系統(tǒng)檢測技術與應用

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備安全法》等相關國家相關法律法規(guī)的出臺，對埋地鋼質管道的安全要求越來越高。由于這些管道埋設在地下，輕易不能開挖，如何對這些管道進行精確定位，并準確掌握在役埋地管道運行狀況，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管道。隨著天然氣的大力發(fā)展，高壓天然氣埋地鋼質管道會越來越長。高壓天然氣埋地鋼質管道采用外防腐層和陰極保護系統(tǒng)組成的聯(lián)合腐蝕防護系統(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而導致的。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、地質等因素影響，會產(chǎn)生老化、龜裂和剝離。陰極保護系統(tǒng)是保障管道使用壽命的關鍵。當管道防腐層發(fā)生破損時，如果陰極保護系統(tǒng)不能正常工作或達不到要求，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，必須利用一些先進的檢測技術，開展防腐層和陰極保護系統(tǒng)檢測，根據(jù)檢測結果對管道防腐層和陰極保護系統(tǒng)進行評價，才能為管道防腐層、陰極保護系統(tǒng)的使用、修復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隔離。另一方面，防腐層的質量狀態(tài)嚴重制約著電化學保護的效果。防腐層質量較差時容易造成管道在運行中出現(xiàn)陰極保護電流增大，保護距離縮短的問題。由于外防腐層的安裝質量、運行過程中的自然老化、第三方破壞等，外防腐層整體質量會逐漸下降。因此，需定期進行檢測，確定管線外防腐層整體狀況。

1.1 外防腐層檢測技術

防腐層缺陷檢測方法很多。內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。外部檢測主要有標準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行全面評價，應用最為廣泛。

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、準確性和可靠性較高，結合后期數(shù)據(jù)處理軟件可以得到直觀的評價結果。

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)生相應的電磁場，利用載流導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確測定管中信號電流的大小。當管道防腐層完好時，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，對防腐層的狀況進行評估，結合A字架對防腐層破損點進行定位。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《埋地鋼質管道外防腐層修復技術規(guī)范》(SY/T 5918—2011)，可對防腐層狀況進行評價。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遠東大道段。該管段材質為SS400，防腐層為2PE。設計壓力1.6 MPa，管道規(guī)格為D529×10。2013年12月份運用PCM檢測儀對該段管道進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量好壞，斜率越大，防腐層質量越差。從軟件計算的電流衰減率，可以對該管段防腐層質量進行評級。該管段質量為一級的防腐層長度為550 m，占這段總長的68.75%；質量為二級防腐層長度為250 m，占這段總長的31.25%。

2 陰極保護系統(tǒng)的檢測

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

2.1 傳統(tǒng)管地電位的測量

管地電位時判定陰極保護是否達到保護標準的重要依據(jù)。美國腐蝕工程師協(xié)會NACE RP0196規(guī)定“在通電情況下，埋地鋼結構最小保護電位為-0.85 V(CSE)或更負。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到保護電位。

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是評價陰極保護系統(tǒng)是否達到有效保護的首選方法之一。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狀況進行準確評價，對可能發(fā)生的腐蝕部位進行檢測的定位，還會得到防腐層破損點是否需要修補的相關信息。

圖5 間隔OFF電位測量原理

當然，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的檢測結果產(chǎn)生一定的影響，從而影響對管道陰極保護水平的評價。

2.3 陰極保護系統(tǒng)CIPS檢測案例

檢測管道為外環(huán)線金海路段和滬太路段。該管段材質為SS400，防腐層為2PE。管道設計壓力為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。2014年5月份公司運用CIPS檢測儀對該段管道進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，管線保護電位為VOFF=VON-IR(mV)。關于IR降，相關參數(shù)較多，當有雜散電流時，更為復雜,并含有隨機因素，無準確計算公式。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，未達到保護。

由圖7可知該管段陰極保護電位基本處于-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)是管道安全運行的可靠保證。工程實踐證明，PCM法和CIPS法檢測技術，對定位管道外防腐層點、評估防腐層整體質量狀況、陰極保護系統(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，也無法測試斷電電位。由于受外界雜散電流干擾的影響，CIPS檢測結果也會受到一定的影響。因此，建議在管道檢測時，首先應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)的修復和評價提供科學依據(jù)。