海底管道外防腐直流電位梯度檢測技術(shù)的應(yīng)用與研究

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 高 凱

海底管道外防腐直流電位梯度檢測技術(shù)的應(yīng)用與研究

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 高 凱

直流電位梯度檢測技術(shù)在檢測埋地管道防腐層的應(yīng)用已是一個(gè)非常成熟的技術(shù)，但將此技術(shù)應(yīng)用于海底輸氣管道防腐層的檢測卻并不多見。根據(jù)海上的實(shí)際情況，基于直流電位梯度技術(shù)分別采用了水下管道檢測裝置檢測法、電極支架法和底拖電極法三種方法來采集沿線管道的電位梯度數(shù)據(jù)，以此來評(píng)價(jià)管道外防腐的狀況。

天然氣 海底管道 直流電位梯度檢測技術(shù)

0 前言

上海LNG海底天然氣管道于2009年3月鋪設(shè)完成，該管道承擔(dān)著上海近 60%的天然氣供應(yīng)量，是上海冬季調(diào)峰時(shí)的最主要?dú)庠?。該管道運(yùn)行5年多來從未進(jìn)行過檢測，鑒于該海底管道的重要性和實(shí)際情況，目前尚無法進(jìn)行內(nèi)檢測，故擬采用直流電位梯度(Direct Current Voltage Gradient，DCVG)檢測技術(shù)對(duì)該海底管道外防腐層進(jìn)行檢測研究，以此來評(píng)價(jià)海底管到的防腐狀況。直流電位梯度檢測技術(shù)在陸上埋地管道的應(yīng)用比較成熟，但將此技術(shù)應(yīng)用于檢測海底管道的防腐層卻并不多見。由于該海底管道地處杭州灣，涌浪非常大，海況及其復(fù)雜，在作業(yè)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，在船舶的引導(dǎo)下，分別采用水下管道檢測裝置檢測法、電極支架法和底拖電極法三種方法采集沿線管道電位梯度數(shù)據(jù)，獲取海底管道的電位梯度分布狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道外防腐層的檢測，從而完成對(duì)海底管道外防腐的評(píng)價(jià)。

1 直流梯度法概述

直流電位梯度檢測技術(shù)是通過在陰極保護(hù)管道地面上方的兩個(gè)探測電極(Cu/CuSO4)和與探極連接的中心零位的高靈敏度毫伏表來檢測因管道防腐層破損而產(chǎn)生的電壓梯度，是目前應(yīng)用比較廣泛的陸上埋地管道檢測技術(shù)之一，其技術(shù)方法已寫入國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

此次該技術(shù)應(yīng)用于海底管道防腐的檢測，在施加了陰極保護(hù)的海底管道上，如果管道防腐層有破損，陰保電流將通過海水介質(zhì)到達(dá)防腐層存在破損的金屬管道處，在破損處區(qū)域形成電位梯度場。電流越大，距離防腐層破損點(diǎn)越近，電位梯度越集中。通過海底管道沿線電位梯度的測量，來判斷管道外防腐層破損點(diǎn)位置及大小，見圖1。

圖1 直流電位梯度測試原理示意

DCVG的檢測取決于在管道防腐層的漏點(diǎn)處有足夠大的DCVG信號(hào)，在海泥表面產(chǎn)生可以檢測到的電位梯度信號(hào)。根據(jù)測量的橫向及縱向電位梯度，獲取海底管道的電位梯度分布狀況(電位梯度數(shù)據(jù)如圖2所示)。

圖2 典型的電位梯度檢測數(shù)據(jù)示意

本次檢測主要應(yīng)用的是橫向梯度檢測法，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)管道電位梯度值大于20 mV/m且曲線跨越電位梯度0值(基線)時(shí)，管道外防腐層即存在破損。

2 檢測對(duì)象

上海LNG海底管道從小洋山西門堂島的北側(cè)入海，向東北方向繞過大指頭島淺灘，然后轉(zhuǎn)向西北，至東海大橋南匯嘴處登陸，全長35.7 km，外徑914 mm，設(shè)計(jì)壓力9.0 MPa，外部防護(hù)為3PLE，并采用犧牲陽極的陰極保護(hù)方式。

在管道入海區(qū)域、中間拐點(diǎn)區(qū)域和登陸區(qū)域各選一部分海底管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所選的海底管道范圍內(nèi)至少包括一塊犧牲陽極。

3 測量方法

3.1 水下管道檢測裝置檢測法

測量系統(tǒng)由海底管道檢測系統(tǒng)(如圖3所示)和USBL定位系統(tǒng)構(gòu)成。USBL由換能器和信標(biāo)組成：換能器固定于船側(cè)，信標(biāo)固定在海底管道檢測系統(tǒng)的ROV上。測量時(shí)，水下管道檢測裝置系統(tǒng)的船載控制終端控制ROV沿管道行進(jìn)，利用ROV搭載的測量電極采集管道沿線電位梯度值，并經(jīng)由臍帶纜傳輸至船載控制終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖3 水下管道檢測裝置系統(tǒng)

3.2 電極支架測量法

測量系統(tǒng)由電極支架、測量電極、數(shù)據(jù)記錄Logger(如圖 4所示)和測量導(dǎo)線構(gòu)成。電極支架由外徑D60鍍鋅鋼管連接而成，電極支架長11 m，電極支架末端安裝有3支測量電極。測量時(shí)將電極支架固定在船側(cè)(水上部分長3 m，水下部分長8 m)，船舶沿管道正上方低速行進(jìn)，通過水下測量電極采集電位，并由數(shù)據(jù)記錄Logger記錄并存儲(chǔ)電位梯度值。

圖4 電位梯度數(shù)據(jù)記錄Logger

3.3 底拖電極測量法

測量系統(tǒng)由拖纜固定支架、底拖纜繩、重錘兒、測量電極、數(shù)據(jù)記錄Logger、USBL和測量導(dǎo)線構(gòu)成。拖纜固定支架由外徑D60鍍鋅鋼管連接而成，支架長9.6 m。重錘兒由無鋒利棱角的鐵塊組成，重13 kg。測量電極分別固定于底拖纜繩末端0.5 m和2.5 m處。USBL由換能器和信標(biāo)組成，換能器固定于船側(cè)，信標(biāo)固定于兩支測量電極之間。測量時(shí)，將拖纜固定支架固定在船側(cè)，水上部分長2.4 m，水下部分長7.2 m(如圖5所示)，電極及USBL信標(biāo)經(jīng)重錘兒帶至海底，船舶沿管道正上方低速行進(jìn)，確保重錘兒接觸海底(接觸與否可通過 USBL水深數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn))，通過水下測量電極采集電位，并由數(shù)據(jù)記錄Logger記錄并存儲(chǔ)電位梯度值。

圖5 拖纜固定支架及其安裝

4 檢測結(jié)果及分析

4.1 水下管道檢測裝置檢測法結(jié)果分析

測試區(qū)間為KP32.16~KP32.26的管道沿線電位梯度，其測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 KP32.16~KP32.26管道沿線電位梯度數(shù)據(jù)

通常，海底管道陰極保護(hù)狀態(tài)(海管表面的保護(hù)電位和保護(hù)電流密度分布)和管道上保護(hù)層的老化狀態(tài)(破損比率及破損處的分布)難以直接檢測，但是海底管道周圍的環(huán)境電場分布是可以準(zhǔn)確測得的，其電場分布符合微分歐姆定律：

式中：dE/dl——管道垂直方向上電位梯度，mV/m；

ρ——介質(zhì)電阻率，Ω·m；

L——介質(zhì)電導(dǎo)率，S/m；

i——流經(jīng)該處的電流密度，mA/m2。

即管道外防腐涂層破損點(diǎn)附近介質(zhì)中的電位梯度與電流密度和介質(zhì)電阻率乘積成正比。

從圖6中可以看出，從KP32.16至KP32.26，兩測量電極之間的電位梯度值從-33 mV/m逐漸上升至0 mV/m，并趨于穩(wěn)定，表明該測量過程是一個(gè)逐漸遠(yuǎn)離犧牲陽極的過程。

4.2 電極支架測量法結(jié)果分析

測試區(qū)間為KP2.5~KP3.6，其管道沿線電位梯度測量結(jié)果如圖7所示。管道沿線電位梯度數(shù)據(jù)顯示并未出現(xiàn)明顯的犧牲陽極位置峰，測量范圍內(nèi)的電位梯度曲線波動(dòng)較小，最大波動(dòng)在7 mV/m左右。電位梯度雖有變化，但不足以判斷為犧牲陽極位置。分析原因，測試區(qū)域平均水深12 m，電極支架末端測量電極距離海床為4 m左右，加之海泥覆蓋及船舶行進(jìn)偏離因素，實(shí)際測量電極距離管道的實(shí)際距離大于7 m，使得犧牲陽極對(duì)測量數(shù)據(jù)的變化影響大為降低。

圖7 KP2.5~KP3.6管道沿線電位梯度數(shù)據(jù)

4.3 底拖電極測量法結(jié)果分析

測試區(qū)間分別為KP2.58~KP3.80，其管道沿線電位梯度測量結(jié)果如圖8所示。測試過程中，通過USBL水深數(shù)據(jù)與船載Echotrac MKⅢ雙頻測深儀水深測試數(shù)據(jù)對(duì)比，可以判斷三個(gè)區(qū)域的測試時(shí)，測量電極均被帶至海底海床表面。管道沿線電位梯度數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)四個(gè)明顯的犧牲陽極峰，且各犧牲陽極峰均跨越數(shù)據(jù)基線，說明電極位置穩(wěn)定。除去四處犧牲陽極峰，其余電位梯度數(shù)據(jù)平穩(wěn)，最大波動(dòng)為8 mV/m，未顯示出管道外防腐層有異常缺陷點(diǎn)。

圖8 KP2.58~KP3.80管道沿線電位梯度數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

(1)所采用的三種管道沿線電位梯度采集方法中，水下管道檢測裝置檢測法受該海域涌浪影響較大，不易控制，測出的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)；電極支架測量法由于支架長度限制，受作業(yè)區(qū)域水深影響較大，數(shù)據(jù)可靠度低，又由于海底涌浪極其強(qiáng)烈，如果盲目增加支架長度，則支架會(huì)有被涌浪損毀的可能；底拖電極測量法較為方便有效，所測得的數(shù)據(jù)也基本可信。

(2)通過海底管道沿線電位梯度數(shù)據(jù)顯示，3個(gè)測試區(qū)域的管道犧牲陽極均在有效工作；除去犧牲陽極所在位置外，管道沿線電位梯度波動(dòng)小于等于8 mV/m，管道外防腐層未發(fā)現(xiàn)異常缺陷點(diǎn)。

Research on the DC Potential Gradient Testing Technology in Outer Corrosion Prevention of the Submarine Pipeline

Shanghai LNG Co., Ltd. Gao Kai

It is a proven technology for the DC potential gradient testing technology used in testing the coating of buried pipelines, but it is occasionally applied in testing the coating of submarine pipelines. In accordance with the practice, three methods have been used to collect the potential gradient datum of submarine pipelines to value the coating.

natural gas, submarine pipeline, the DC potential gradient testing technology