海底管道外防腐檢測(cè)技術(shù)淺析

曲杰，王志濤，倪劍，唐建華，張亞

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300459；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；3.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

海底管道外防腐檢測(cè)技術(shù)淺析

曲杰1，王志濤2，倪劍1，唐建華1，張亞3

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300459；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；3.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

油氣輸送管道的外防腐設(shè)計(jì)主要包括防腐涂層和犧牲陽極兩種方式，在管道服役期間為了確保其良好的工作狀況，需要對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)。目前，陸地管道外防腐檢測(cè)技術(shù)比較成熟，并得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于處于特殊敷設(shè)環(huán)境的海底管道來說，對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。重點(diǎn)闡述了海底管道外防腐檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，尤其是對(duì)于掩埋在海底的管道設(shè)施，該技術(shù)具有廣泛的推廣和應(yīng)用前景。

海底管道；陰極保護(hù)；防腐涂層；犧牲陽極；檢測(cè)技術(shù)

海底管道常用的外部腐蝕控制措施主要是防腐涂層加犧牲陽極。防腐涂層的主要作用是物理阻隔作用，將管道金屬基體與外界環(huán)境隔離，從而避免金屬與海水環(huán)境的作用。但是兩種情況下會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕的發(fā)生。一是防腐層本身存在缺陷，有漏點(diǎn)的存在；二是在運(yùn)輸、鋪設(shè)和運(yùn)行過程中防腐層遭到破壞，失去了防護(hù)作用，致使金屬暴露于海洋腐蝕環(huán)境中。這些缺陷的存在導(dǎo)致大陰極小陽極的現(xiàn)象，使得涂層破損處腐蝕加速。犧牲陽極是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被腐蝕的鋼管表面施加一個(gè)外加電流，鋼管表面成為陰極，從而抑制了金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移，避免或減弱了腐蝕的發(fā)生。目前海底管道采用犧牲陽極焊接手鐲式，但是在安裝和施工過程中，陽極與管道的電連接是否能形成回路，是犧牲陽極正常工作的前提條件。另外，犧牲陽極的設(shè)計(jì)壽命不足或管道延壽都會(huì)導(dǎo)致陽極消耗后過早的失去作用。如何對(duì)運(yùn)行期間海底管道的外防腐狀況進(jìn)行檢測(cè)，確保其良好的工作狀態(tài)，是預(yù)防管道外部腐蝕產(chǎn)生和泄漏發(fā)生的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對(duì)海底管道外部檢測(cè)技術(shù)主要是采用聲學(xué)調(diào)查設(shè)備對(duì)管道的路由位置、埋設(shè)狀況及周邊地形地貌進(jìn)行定期檢測(cè)，無法判斷管道的外防腐系統(tǒng)保護(hù)狀況。南海一些深水管道由于采用非掩埋設(shè)計(jì)，水下能見度較高，通常采用潛水員或ROV對(duì)位于海床面管道上的犧牲陽極進(jìn)行定期抽檢，來了解和掌握海底管道陽極的工作狀態(tài)。海底管道犧牲陽極檢測(cè)技術(shù)包括外觀檢查和電位測(cè)量。

陽極的外觀檢查包括以下幾方面：（1）犧牲陽極的安裝情況；（2）犧牲陽極的消耗情況；（3）犧牲陽極的電連接情況；（4）犧牲陽極附著海生物情況。對(duì)犧牲陽極表面清理后還應(yīng)檢查表面是否發(fā)生部分鈍化、是否遭受不規(guī)則的腐蝕以及海生物的影響。對(duì)選定的犧牲陽極進(jìn)行電位測(cè)量，主要是檢查陽極是否在設(shè)計(jì)消耗范圍內(nèi)，陽極的鈍化和海生物的附著都會(huì)導(dǎo)致陽極保護(hù)電位超出正常范圍。

目前，國內(nèi)海底管道犧牲陽極檢測(cè)技術(shù)僅局限于非埋設(shè)的海底管道設(shè)施，但是對(duì)于掩埋的海底管道來說，傳統(tǒng)的接觸式檢測(cè)技術(shù)受陽極查找困難，開挖成本高，以及水下能見度的影響無法有效開展，一直以來處于檢測(cè)的盲區(qū)，而且通過近年的海底管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，有些海底管道確實(shí)存在不同程度的外部腐蝕，主要是由于防腐層和犧牲陽極失效所導(dǎo)致。如何對(duì)掩埋的海底管道外防腐狀況進(jìn)行檢測(cè)，是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)問題。

2 國內(nèi)外新技術(shù)發(fā)展情況

國外在海底管道安全檢測(cè)技術(shù)方面起步較早，有很多技術(shù)值得我們學(xué)習(xí)和借鑒，除傳統(tǒng)的接觸式海底管道陽極檢測(cè)技術(shù)外，一些新的管道外防腐檢測(cè)技術(shù)也成功的應(yīng)用到海洋領(lǐng)域，如金屬磁記憶法、電位分布測(cè)量法和電場(chǎng)梯度測(cè)量法等。

2.1 金屬磁記憶法

金屬磁記憶法由俄羅斯杜波夫教授在20世紀(jì)90年代初提出，他用磁力檢測(cè)計(jì)對(duì)鐵磁構(gòu)件的表面應(yīng)力集中進(jìn)行了檢測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，總結(jié)出磁記憶的產(chǎn)生是金屬磁現(xiàn)象物理本質(zhì)和材料位錯(cuò)過程導(dǎo)致的。通過磁記憶檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)缺陷甚至材料組織的不均勻性。對(duì)于管道而言，也就是說管道的缺陷（制造缺陷、焊接缺陷、機(jī)械缺陷和腐蝕缺陷等）會(huì)引起管道應(yīng)力局部增大，導(dǎo)致該位置磁特性發(fā)生相應(yīng)變化現(xiàn)象，這種變化通過磁力計(jì)可以探測(cè)到。

該技術(shù)目前在陸地管道得到了推廣和應(yīng)用，國外也有海底管道應(yīng)用的案例，但是公開信息不多。2013年中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司在中海油海底管道檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證評(píng)價(jià)中心進(jìn)行了水下金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)，獲得了成功，2014年該技術(shù)成功應(yīng)用于渤海某條海底管道機(jī)械缺陷的檢測(cè)，為國內(nèi)海底管道非接觸式檢測(cè)技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)。但是對(duì)于海底管道腐蝕缺陷的檢測(cè)，該技術(shù)是通過發(fā)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)生腐蝕缺陷的海底管道來間接評(píng)價(jià)外防腐系統(tǒng)的完整性和可靠性，無法對(duì)管道的防腐涂層和犧牲陽極的狀況進(jìn)行直接檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

2.2 電位分布測(cè)量法

管道沿線電位分布測(cè)量，即密間隔電

位測(cè)試（Close Interval Potential Survey，CIPS），是判斷管道陰極保護(hù)（犧牲陽極）有效性的主要技術(shù)方法，其在陸上埋地管道檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 21448《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB/T 21246《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》、SY/T0087.1《鋼制管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)-埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)》等。

在國外，該技術(shù)已成功應(yīng)用在海底管道領(lǐng)域。電位分布測(cè)量法應(yīng)用于海底管道檢測(cè)時(shí)，由測(cè)量船上搭載的自動(dòng)電位記錄儀的一端留有帶絕緣層的金屬導(dǎo)線與平臺(tái)立管絕緣法蘭以下的管道進(jìn)行電連接，另一端與搭載在水下拖魚或ROV上的測(cè)量電極相連接，從而構(gòu)成電位測(cè)量回路。將電位分布測(cè)量法應(yīng)用于海底管道陰極保護(hù)檢測(cè)，因?yàn)槠洳贿m合接點(diǎn)相距較遠(yuǎn)的管道，所以除非被檢測(cè)管道距離平臺(tái)或登陸端較近，否則該測(cè)量方法不具備技術(shù)應(yīng)用條件。

2.3 電場(chǎng)梯度測(cè)量法

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(cè)，但是海底管道周圍的環(huán)境電場(chǎng)分布是可以準(zhǔn)確測(cè)得的，其電場(chǎng)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)中的電場(chǎng)梯度與電流密度和介質(zhì)電阻率成正比。電場(chǎng)梯度測(cè)量法也稱為直流電位梯度測(cè)量法（Direct Current Voltage Gradient，DCVG），其是目前應(yīng)用比較廣泛的陸上埋地管道外防腐層狀況檢測(cè)技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，技術(shù)方法已寫入國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如SY0087.1 《鋼制管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)》。

將其用于海底管道檢測(cè)，其檢測(cè)原理為：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(chǎng)。電流越大、距離防腐層破損點(diǎn)越近，電位梯度越集中。此外，利用遠(yuǎn)程參比電極及CTC電極系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量管道沿線的陰極保護(hù)電位及電場(chǎng)梯度（如圖1），利用ROV的水下一次性檢測(cè)獲取多組數(shù)據(jù)，同時(shí)利用電位分布數(shù)據(jù)及電場(chǎng)梯度數(shù)據(jù)的對(duì)比與驗(yàn)證，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖1 管道陰保電位分布及電場(chǎng)梯度數(shù)據(jù)對(duì)比與驗(yàn)證

3 結(jié)語

隨著國家和企業(yè)對(duì)海底管道安全和海洋環(huán)境保護(hù)的高度重視，對(duì)管道的安全管理提出了更高的要求，在目前國內(nèi)海底管道檢測(cè)技術(shù)缺乏的形勢(shì)下，需要研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和政府一起聯(lián)合推進(jìn)管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道的全面檢測(cè)，為國家能源建設(shè)的安全提供保障（圖1）。

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TE988.2

A

1671-0711（2017）06（下）-0173-02