定向鉆穿越管道防腐蝕層及陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)方法

葛艾天,李 偉,杜艷霞,劉 權(quán)

(1. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

定向鉆穿越管道防腐蝕層及陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)方法

葛艾天1,李 偉2,杜艷霞2,劉 權(quán)1

(1. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101； 2. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

定向鉆穿越技術(shù)被廣泛應(yīng)用于管道建設(shè)工程，由于定向鉆穿越管道(HDD管道)施工工藝的局限性，采用常規(guī)的檢測(cè)手段很難對(duì)其防腐蝕層和陰極保護(hù)效果進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。對(duì)國內(nèi)外HDD管道防腐蝕層和陰極保護(hù)的檢測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)HDD管道防腐蝕層和陰極保護(hù)評(píng)價(jià)方法的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

定向鉆穿越管道；防腐蝕層；陰極保護(hù)；評(píng)價(jià)方法

隨著“一帶一路”、“京津冀協(xié)同發(fā)展”以及“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”等一系列國家重大戰(zhàn)略的提出，我國石油天然氣管道進(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。但是，管道建設(shè)過程中經(jīng)常會(huì)穿越河流、公路和鐵路等區(qū)域，在這些區(qū)域無法采用常規(guī)的開挖方式進(jìn)行管道鋪設(shè)。水平定向鉆機(jī)非開挖鋪設(shè)管線無需開挖道路或者開挖量很小，工程施工對(duì)環(huán)境影響較小，近年來在我國管線鋪設(shè)中被大量推廣和應(yīng)用。水平定向鉆穿越(HDD)技術(shù)是20世紀(jì)70年代初在應(yīng)用垂直鉆井中定向鉆技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1]，是一種高效的非開挖埋地管道鋪設(shè)技術(shù)，具有/3施工周期短、精確度高、穿越距離長(zhǎng)、非開挖和對(duì)自然環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前景越來越廣闊[2]。

目前，對(duì)于HDD管道外層的防護(hù)，常采用防腐蝕層和陰極保護(hù)聯(lián)合的方法。在HDD管道施工過程中，管道容易受到地下地質(zhì)條件的影響，尤其在巖石地層中，管道的外防護(hù)層會(huì)受到磨損和劃傷等破壞[3]，有時(shí)甚至?xí)冻鼋饘倩w，破損的防腐蝕層也無法進(jìn)行修復(fù)；且由于HDD管道通常埋深較深，一般為20～50 m，采用常規(guī)的埋地管道防腐蝕層檢測(cè)手段很難對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。在管道保護(hù)層受到損傷的情況下，管道的陰極保護(hù)顯得尤為重要。由于受到穿越段特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，目前缺少有效的檢測(cè)手段來獲得穿越段管道的陰極保護(hù)情況[4]，難以對(duì)管道的陰極保護(hù)有效性進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，一旦管道發(fā)生腐蝕穿孔泄漏，后果嚴(yán)重，且處理難度大，這為管道的安全運(yùn)行埋下了重大隱患。

因此，有必要在管道水平定向鉆穿越后，對(duì)其防腐蝕層完整性和陰極保護(hù)有效性進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，這樣不僅可以對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判，還能掌握定向鉆穿越段管道防腐蝕層和陰極保護(hù)的狀況，從而將腐蝕風(fēng)險(xiǎn)控制在最小范圍。鑒于此，本工作調(diào)研了國內(nèi)外關(guān)于HDD管道防腐蝕層和陰極保護(hù)的檢測(cè)手段，以期為同類工程施工提供參考。

1 防腐蝕層完整性的檢測(cè)

1.1 電流-電位法/饋電試驗(yàn)法

電流-電位法是向被測(cè)的一段管道施加有陰極保護(hù)效用的極化電流，使被測(cè)管道的電位偏移達(dá)到規(guī)定值，然后按照電位衰減公式計(jì)算被測(cè)管道的防腐蝕層絕緣電阻率。

滕延平等[5]參考NACE TM 0102-2002《Measurement of protective coating electrical conductance on underground pipeline》，對(duì)穿越段管道的土壤電阻率進(jìn)行歸一化處理，通過試驗(yàn)獲得防腐蝕層電導(dǎo)率后，再計(jì)算涂層的歸一化比電導(dǎo)率，并采用此方法分別對(duì)慶鐵老線嫩江穿越段和慶鐵老線建國河穿越段管道防腐蝕層進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，兩段管道防腐蝕層質(zhì)量分別為良好和優(yōu)秀。同時(shí)滕延平等指出，此方法計(jì)算結(jié)果受一些不確定因素的影響，但只需適當(dāng)修正再加上現(xiàn)場(chǎng)工程師的經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果具有重要的參考價(jià)值，此方法需在管道未碰口時(shí)測(cè)試。對(duì)于已經(jīng)碰口的在線管道，只能采用饋電法檢測(cè)防腐蝕層，估算電阻[6]。表1為1 000 Ω·cm土壤中不同涂層歸一化比電導(dǎo)率時(shí)的防腐蝕層的質(zhì)量。

表1 1 000 Ω·cm土壤中不同涂層歸一化比電導(dǎo)率時(shí)的防腐蝕層質(zhì)量

王穎等[7]通過電流-電位法對(duì)蘭州-鄭州-長(zhǎng)沙管線項(xiàng)目長(zhǎng)江穿越段和山東原油管線項(xiàng)目汪溝穿越段進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：長(zhǎng)江定向鉆穿越管段外防腐蝕層電導(dǎo)率為150～230 μS·m-2，屬于良好等級(jí);汪溝穿越段外防腐蝕層電導(dǎo)率為200～450 μS·m-2,屬于良好等級(jí)，檢測(cè)結(jié)果的重現(xiàn)性較好。

竇宏強(qiáng)等[8]在中俄原油管道黑龍江穿越工程中，采用俄方規(guī)范ΓOCT 51164-1998對(duì)水平定向鉆穿越后管道外防腐蝕層進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，外防腐蝕層的電阻率、陰極極化電流、管地電位偏移等都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

韓興平[6]首先通過PCM發(fā)射機(jī)對(duì)某HDD管道施加電流，采用PCM軟件計(jì)算得到管道防腐蝕層的Rg<1 kΩ·m2，參照SYT 5918-2011《埋地鋼制管道外防腐蝕層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》，防腐蝕層質(zhì)量分級(jí)結(jié)果為4級(jí)(差)；同時(shí)指出,考慮光纜套管影響，實(shí)際防腐蝕層質(zhì)量可能高于4級(jí)。

采用電流-電位方法測(cè)試和評(píng)價(jià)穿越段管道外防腐蝕層質(zhì)量時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：穿越段管道所處環(huán)境地質(zhì)情況通常較為復(fù)雜，周圍土壤的電阻率差異較大，這會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大影響。更準(zhǔn)確地取得土壤電阻率對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果至關(guān)因素。電流-電位法必須是在定向鉆穿越完成后與主體管道連接前進(jìn)行，測(cè)量過程中要保持穿越管段兩端裸露金屬管頭與大地絕緣；在測(cè)試時(shí)偶爾會(huì)有干擾源的干擾，遇到該情況需要暫停測(cè)試，否則檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較大。此測(cè)試方法的要點(diǎn)在于，被測(cè)管段應(yīng)與其他金屬體完全電絕緣，被測(cè)管道應(yīng)已完全回填，保證所需的極化前后管-地電位差的偏移量和極化電流。

1.2 通電電位切換法、通電電位法、極化偏移準(zhǔn)則

BRIAN[9]指出，澳大利亞在1994-1997年間，定向鉆穿越段管道均采用通電電位切換法來評(píng)價(jià)防腐蝕層質(zhì)量。通電電位切換法是在管道與其他管段連接之前，對(duì)水平穿越管段施加陰極保護(hù)電流，使其通電電位至少負(fù)向偏移1 V，然后測(cè)量相應(yīng)的陰極保護(hù)電流[10]。該法驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)試管段的電流密度不應(yīng)大于1 μA·m-2。1998年對(duì)處于高鹽含量土壤中的某條HDD管道采用通電電位法進(jìn)行防腐蝕層的評(píng)價(jià)，通電電位為-900 mV(CSE)時(shí)，施加的陰極保護(hù)電流密度為1 μA·m-2。然而，這種做法不適用于電流密度隨土壤電阻率變化的低含鹽量環(huán)境。1999年對(duì)某條管道進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)采取極化偏移100 mV準(zhǔn)則，即極化電位偏移100 mV時(shí)所需的陰極保護(hù)電流密度不超過1 μA·m-2。

BRIAN認(rèn)為，目前水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)仍存在不足，按照目前標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收的防腐蝕層存在缺陷，而這樣的缺陷是無法修補(bǔ)的。因此需要在相關(guān)領(lǐng)域開展進(jìn)一步的研究，比如評(píng)價(jià)防腐蝕層電阻測(cè)試方法對(duì)防腐蝕層測(cè)試條件的適用性，防腐蝕層維持附著力的能力，評(píng)價(jià)試驗(yàn)中采用的電流密度準(zhǔn)則等。

1.3 防腐蝕層面電阻率法

GUMMOV等[11]在美國煤氣協(xié)會(huì)(AGA)管道研究委員會(huì)提供的項(xiàng)目贊助中，進(jìn)行了未碰口穿越段管道防腐蝕層性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。項(xiàng)目針對(duì)3種不同F(xiàn)BE防腐蝕層管道樣品進(jìn)行，這些管道樣品埋在3種不同的土壤中，并安裝有鋼質(zhì)金屬試片以模仿真實(shí)環(huán)境中的管道防腐蝕層損壞情況。實(shí)地測(cè)試采用陰極保護(hù)技術(shù)，根據(jù)管道裸露面積百分比可估計(jì)防腐蝕層質(zhì)量。

2 陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià)

由于定向鉆技術(shù)施工工藝及穿越段地質(zhì)條件的影響，HDD管道陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)存在眾多難點(diǎn)，如：管道極化邊界條件難以直接測(cè)量，目前尚無統(tǒng)一的方法對(duì)HDD管道陰極保護(hù)效果進(jìn)行有效檢測(cè)與評(píng)價(jià)，成為實(shí)際生產(chǎn)中需要迫切解決的技術(shù)難題。為了解決這個(gè)難題，部分科研工作者做了初步的探索，如：數(shù)值模擬法、密間隔和極化探頭結(jié)合法。

2.1 數(shù)值模擬法

陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)為解決復(fù)雜條件和苛刻環(huán)境下的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)與評(píng)估提供了一條新的解決途徑，陰極保保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可通過有限元法﹑有限差分法和邊界元法來求得數(shù)值解。

陳飛[4]針對(duì)采用犧牲陽極法保護(hù)的受地鐵雜散電流干擾的穿越段管道，利用邊界元法建立地鐵雜散電流干擾數(shù)值模型和陰極保護(hù)系統(tǒng)數(shù)值模型，獲取定向鉆穿越管線中犧牲陽極的埋深、管道直徑、分布走向和土壤電阻率的數(shù)據(jù)信息，將所述數(shù)據(jù)信息代入所述模型，模擬出電位和電流密度的電位云圖，通過對(duì)所述電位云圖的結(jié)果進(jìn)行分析，得到定向鉆穿越管道陰極保護(hù)的陰極保護(hù)電位分布，進(jìn)而對(duì)陰極保護(hù)的有效性做出評(píng)價(jià)。該作者選取一段典型的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫€，利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)雜散排流進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化，選取合適地點(diǎn)進(jìn)行深井陽極地床施工，進(jìn)行強(qiáng)制排流站建設(shè)。通過施工后測(cè)試及與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)排站施工后，管線滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則。且在該工況條件下數(shù)值模擬計(jì)算出的測(cè)試樁處極化電位數(shù)據(jù)與測(cè)試的斷電電位數(shù)據(jù)基本相符。圖1為數(shù)值模擬法流程圖。

圖1 數(shù)值模擬法流程圖Fig. 1 Flow diagram of numerical simulation method

對(duì)于管道的陰極保護(hù)來說，它是一個(gè)電場(chǎng)問題，可以通過數(shù)值模擬技術(shù)得到管道、陽極等研究對(duì)象的電位和電流密度分布，以云圖方式顯示的結(jié)果可以很清晰地看到陰極保護(hù)電位分布。因此，數(shù)值模擬技術(shù)在研究陰極保護(hù)電位分布問題時(shí)更為方便和快捷。但是，數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于HDD管道時(shí)也存在弊端，即無法獲取準(zhǔn)確的邊界條件，如：管道的防腐蝕層情況、極化特性等等，這些參數(shù)均會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。若實(shí)際工程應(yīng)用中無法獲取準(zhǔn)確的邊界元條件，數(shù)值模擬結(jié)果也可以為實(shí)際應(yīng)用提供參考，為實(shí)際工程提供方向性指導(dǎo)。

2.2 密間隔和極化探頭結(jié)合法

常規(guī)的埋地管道陰極保護(hù)電位測(cè)量方法分為直接法與間接法。直接法是指在不考慮或不完全考慮IR降(可高達(dá)幾百毫伏[12])的情況下直接測(cè)量管道與土壤的電位差，但是該方法測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的陰極保護(hù)電位之間存在很大誤差。間接法以消除IR降為出發(fā)點(diǎn)，得到更為可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。為了對(duì)管道的陰極保護(hù)狀況進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，人們提出了密間隔電位檢測(cè)法(CIPS)[13-14]，CIPS是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最為先進(jìn)的埋地管道不開挖缺陷檢測(cè)技術(shù)，該法檢測(cè)的電位稱為斷電電位，當(dāng)防腐蝕層在某一位置上存在破損點(diǎn)時(shí)，破損點(diǎn)的電流密度會(huì)變大，在該點(diǎn)周圍的土壤中會(huì)產(chǎn)生比其他地方更大的電位降，使得保護(hù)電位較正常時(shí)正向偏移，當(dāng)偏移達(dá)到一定值時(shí)，地表就可以檢測(cè)到。

周吉祥等[15]采用密間隔電位和極化探頭結(jié)合法對(duì)某次高壓燃?xì)夤艿肋M(jìn)行犧牲陽極陰極保護(hù)效果的評(píng)價(jià)，通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試及分析驗(yàn)證，表明該法能有效測(cè)試管道任意位置的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，尤其適用于測(cè)試長(zhǎng)距離定向鉆穿越段管道的陰極保護(hù)效果。但是，鑒于HDD管道施工工藝的特殊性，該方法最大的問題是如何將探頭放置于待測(cè)位置。圖2為極化探頭+密間隔電位法測(cè)試管道斷電電位示意圖。

圖2 密間隔法+極化探頭法測(cè)試管道斷電電位Fig. 2 Method of CIPS with polarization probe test the off-potential of pipeline

3 結(jié)束語

對(duì)于HDD管道防腐蝕層及其陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中一直是個(gè)難題。如何對(duì)HDD管道保護(hù)層的完整性及其陰極保護(hù)的有效性進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)，將成為今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。雖然上述眾多學(xué)者對(duì)HDD管道防腐蝕層和陰極保護(hù)的檢測(cè)方法積累了初步經(jīng)驗(yàn)，但上述方法仍不成熟，不成體系。鑒于HDD管道埋深較深，在陰極保護(hù)電位測(cè)量中存在IR降較大、工程適用性不強(qiáng)等眾多問題。同時(shí)，為了能夠準(zhǔn)確地對(duì)HDD管道進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要廣大學(xué)者能夠進(jìn)一步優(yōu)化已有的測(cè)量技術(shù)，提高其工程適用性，并進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)值模擬技術(shù)在HDD管道中的應(yīng)用，以及提出一些新的測(cè)量技術(shù)。

為了能夠開發(fā)出適合HDD管道防腐蝕層及其陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)方法，可以在以下3個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

(1) 開發(fā)適合HDD管道工況條件下的長(zhǎng)效型參比電極，能夠準(zhǔn)確獲取HDD管道的相關(guān)數(shù)據(jù)，如極化電位；

(2) 將數(shù)值模擬技術(shù)成功應(yīng)用于HDD管道陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià)，在建立準(zhǔn)確的管道陰極保護(hù)電位分布模型、獲取準(zhǔn)確的邊界條件以及計(jì)算方法方面均有待深入研究；

(3) 如何將數(shù)值模擬技術(shù)更好地與實(shí)際檢測(cè)技術(shù)結(jié)合也是下一步研究的重點(diǎn)方向之一。

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Evaluation Methods of Anticorrosion Layer and Cathodic Protection of HDD Pipeline

GE Aitian1, LI Wei2, DU Yanxia2, LIU Quan1

(1. CNPC Beijing Natural Gas Pipeline Co., Ltd., Beijing 100101, China; 2. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Directional drilling technology has been widely used in pipeline construction projects. Because of the limitation of construction technology for horizontal directional drilling (HDD) pipeline, it is hard to evaluate the anticorrosion layer and cathodic protection effect to the HDD pipeline through routine test. The current evaluation methods of anticorrosion layer and cathodic protection of HDD pipeline at home and abroad are summarized, and the research trend of the evaluation methods of HDD pipeline is discussed.

horizontal directional drilling (HDD) pipeline; anticorrosion layer; cathodic protection; evaluation method

10.11973/fsyfh-201705010

2016-02-20

杜艷霞(1980-)，副研究員,博士，從事管道的陰極保護(hù)及直流雜散電流干擾研究，010-62332505，luckylevy92@163.com

TG174.41

B

1005-748X(2017)05-0365-04