鐵精礦管道外腐蝕檢測及評價

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(陜西宇陽石油科技工程有限公司，陜西 西安 710018)

某鋼鐵集團礦業(yè)公司鐵精礦輸送管道(以下簡稱管道)是集團生產(chǎn)原料鐵精礦主要的輸送途徑，管道全長102.3 km，采用219 mm×(12～7)mm的API5L-X60無縫鋼管，工作壓力為10.17 MPa，防腐層為厚度2.5 mm的HDPE(高密度聚乙烯)，補口采用同質(zhì)材料的熱收縮套，于1997年投入使用。陰極保護現(xiàn)狀：0～11.5 km為犧牲陽極陰極保護，11.5～51.0 km為強制電流陰極保護，51.0～102.3 km埋地段為犧牲陽極陰極保護，山洞內(nèi)及跨越段無陰極保護。

為使管道安全運行，礦業(yè)公司委托專業(yè)公司對該管道防腐層及陰極保護系統(tǒng)進行了全面的檢測和評價。主要檢測內(nèi)容[1-2]包括：管道陰極保護測試及評價(密間隔電位法,CIPS)、直流雜散電流測試(直流電位梯度法,DCVG)、防腐層破損點檢測及精確定位(皮爾遜法)、管道防腐層整體質(zhì)量評價(PCM)、土壤電阻率檢測、交流雜散電流測試和管體壁厚檢測及剩余壽命評估。

1 防腐層缺陷檢測

防腐層缺陷檢測采用皮爾遜法，具體方法是給被測量管道輸入1 000 Hz的交流信號，信號電流通過土壤流入防腐層缺陷點時在地表產(chǎn)生交變電壓場[3]。通過測量電位差的大小及變化來確定防腐層缺陷點位置。

埋地管道防腐層地面檢漏評價指標(biāo)見表1。

表1 埋地管道防腐層地面檢漏評價指標(biāo)

該次檢測共發(fā)現(xiàn)管道缺陷點總數(shù)為327個，其中一類點123個，占37.6%；二類點67個，占20.5%；三類點137個，占41.9%，平均每公里缺陷點為3.19個，大于標(biāo)準(zhǔn)中的每10 km 8個缺陷，屬于差級。一類和二類點占58.1%，從開挖情況看，管道破損較為嚴(yán)重。

2 防腐層PCM電流衰減、絕緣電阻率檢測

PCM電流衰減檢測用于管道外防腐層整體質(zhì)量評價。工作原理是向管道施加一個混合低頻電流，通過分析管道各處電流的衰減規(guī)律尋找防腐層破損點。電流強度衰減大小與防腐層的絕緣性有關(guān)，防腐層電阻率大，電流衰減慢，反之則衰減快，也就是電流泄漏嚴(yán)重[4-5]。電流隨距離衰減的關(guān)系式為：

I=I0e-ax

式中：I為管道中任意處的電流強度；I0為發(fā)射機向管道施加電流點的電流；x為測量點到供電點的距離；a為衰減系數(shù)(與被測管道的防腐層絕緣電阻率、管道的直徑、壁厚、材質(zhì)有關(guān))。

管道的防腐層由同種材料構(gòu)成，且各段的平均絕緣電阻差別不大時，管道中電流強度的對數(shù)與管道遠離供電點的距離成線性關(guān)系變化，其斜率大小取決于防腐層的絕緣電阻值。單位距離的衰減率與距離繪制成的二維圖形是一條平行于X軸的直線，即：

式中：y為單位長度管道電流平均衰減率，nA/m;x1,x2為遠離供電點的距離，m。

以60～61 km的檢測數(shù)據(jù)作為示例。管道128 Hz等效電流衰減曲線見圖1。

圖1 管道等效電流衰減曲線

在施加電流后，衰減率較小時，防腐層質(zhì)量好；如果正向衰減率較大，在排除管道破損點陽極的情況下，管道防腐層整體質(zhì)量較差；如果負(fù)向衰減，防腐層質(zhì)量較好。

3 陰極保護系統(tǒng)檢測與評價

管道外腐蝕影響因素主要有土壤環(huán)境、雜散電流、防腐層破損、老化剝離、陰極保護、管道本身的應(yīng)力和外部應(yīng)力等[6]。其中影響最大的是防腐層破損老化和管道應(yīng)力。陰極保護是延長管道壽命的重要措施，不但能抑制土壤對管道防腐層破損點處的腐蝕，也能抑制一部分雜散電流對管道的干擾，同時也能抑制部分管道應(yīng)力腐蝕。

3.1 犧牲陽極管段陰極保護檢測與評價

取8～9 km犧牲陽極保護管段的檢測數(shù)據(jù)作為示例。2012年管道8～9 km CIPS+DCVG實測結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，明顯凸起的是陽極埋設(shè)點，明顯凹下的是正在發(fā)生腐蝕的位置、穿越公路或部分橋掛。較2005年，2012年犧牲陽極段管地電位正移了很多。

管道共計45 km犧牲陽極保護管段，2012年犧牲陽極為82組，平均每公里1.5組；2008年犧牲陽極為53組，平均每公里1.17組；2012年較2005年(平均每公里3.6組)160組減少了50%。隨著管道服役時間的延長，管道防腐層逐年老化，需要的陰極保護電流也逐年增大；加之隨著犧牲陽極消耗，其表面積越來越小，能提供的電流逐年減小。一般犧牲陽極的設(shè)計壽命為20 a，由于PE防腐層絕緣電阻率較高，需要的保護電流密度較瀝青防腐層小，所以現(xiàn)在大部分管段保護合格[7]。管道周圍施工開挖引起的陽極與管道斷開的情況在所難免，同時也出現(xiàn)了少部分管段欠保護的狀況。建議補充80組犧牲陽極。

圖2 8～9 km CIPS+DCVG實測結(jié)果

3.2 強制電流段陰極保護系統(tǒng)檢測與評價

2012年強制電流保護管道12～13 km CIPS+DCVG實測結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，明顯凹下的是破損點、穿越公路或部分橋掛。管道強制電流保護系統(tǒng)經(jīng)過整改，較2008年改善很多，但仍然有少部分管段保護電位正于-850 mV[8]，系統(tǒng)仍然需要整改。

3.3 絕緣短管絕緣性能

管道絕緣短管檢測漏電匯總見表2。

序 號位置檢測方式施加電流/mA漏電電流/mA漏電率/%1管道起始0km施加電流,檢測絕緣短管上游側(cè)電流6007011.7211km測試樁施加電流,檢測絕緣短管下游側(cè)電流300206.7351km測試樁施加電流,檢測絕緣短管上游側(cè)電流50035075.0467.75km測試樁施加電流,檢測絕緣短管下游側(cè)電流291030.7555號洞入口施加電流,檢測絕緣短管下游側(cè)電流1005050.0613號洞入口施加電流,檢測絕緣短管下游側(cè)電流1085551.0717號洞出口施加電流,檢測絕緣短管上游側(cè)電流3104414.2898.7km施加電流,檢測絕緣短管上游側(cè)電流3538.59末端站102.3km施加電流,檢測絕緣短管下游側(cè)電流30026086.7

根據(jù)以上檢漏結(jié)果，管道絕緣短管有著不同程度的漏電現(xiàn)象，為了保證陰極保護系統(tǒng)的可靠運行，減少設(shè)備的功率消耗，建議及時更換絕緣性能較差的短管。

4 交/直流雜散電流及土壤電阻率檢測

根據(jù)全線埋地段管道的DCVG法檢測結(jié)果，各位置點的電位梯度曲線與圖3下部曲線類似，曲線波動大意味著直流干擾強烈。40～51 km直流干擾已經(jīng)使管地電位偏移，陰極保護系統(tǒng)整改后只要管道測試樁電位小于-900 mV，直流干擾對管道的影響就會減??；51～71 km少數(shù)管段直流干擾強烈，建議立即在干擾附近補加陽極。

使用萬用表、參比電極或地釬檢測管道測試樁交流電位，結(jié)果表明：全線交流干擾較弱。

采用溫納四極法檢測土壤電阻率[9]，選用儀器為ZC-8型接地電阻儀。土壤腐蝕性強的有5處，中的有19處，弱的有63處，土壤總體腐蝕性較弱。

5 管體壁厚檢測及剩余壽命評估

采用磁性測厚儀對管道防腐層厚度進行不少于4點環(huán)向測量，剝開防腐層后可使用卡尺進行實測校驗。

管道壁厚測量采用超聲波法，測量值是剩余壁厚，最小剩余壁厚可以計算出最大腐蝕坑深。當(dāng)存在多個腐蝕坑，難以確定最大坑深時可以依次測量一系列較大腐蝕坑，記錄其坑深，取其最大值為最大坑深，或根據(jù)最大的10個坑深數(shù)據(jù)，用極值統(tǒng)計法推算其最大可能值。按照設(shè)計壓力15.3 MPa作均勻腐蝕評價—Ⅰ級評價[10]，開挖管道管體檢測與剩余壽命評價結(jié)果見表3。

從表4可以看出，管道設(shè)計的20 a使用壽命全部測點通過一級評價，管體最小剩余壽命為19 a。隨著管道服役時間延長，防腐層不斷老化，防腐層與管體粘接力也不斷降低，防腐層剝離現(xiàn)象會越來越多，陽極消耗也會不斷加大；強制電流段陽極地床、長效參比電極、恒電位儀、陰極保護電纜日常維護工作要不斷加強。上述計算結(jié)果是在不考慮陰極保護失效或者欠保護的情況下做出的，同時，以往檢測沒有開挖檢測的具體數(shù)據(jù)，管道破損點腐蝕趨勢沒有詳實的數(shù)據(jù)，在一定程度上會影響評估結(jié)果。管道內(nèi)腐蝕很小，主要是控制外腐蝕，因而修復(fù)防腐層破損點，加大陰極保護整改力度是保障管道壽命的關(guān)鍵。

6 結(jié) 論

(1)通過對某鐵精礦管道外腐蝕狀況的檢測及評價，確定管道防腐層局部破損點較多，其中一類點占比例較大，主要是防腐層與管體粘接力下降引起的剝離現(xiàn)象，防腐層整體質(zhì)量依然較好，陰極保護作為防腐層的有效補充，可以延長管道1～5倍的壽命。

(2)皮爾遜法可判定防腐層缺陷點的位置并粗略指示缺陷大?。籔CM法根據(jù)施加到管道上的電流衰減變化可確定管道埋深、防腐層缺陷點的位置，同時可測量和評價絕緣裝置的絕緣特性；DCVG法適用于埋地管道防腐層破損點的查找和定位，對外防腐層破損點的大小及嚴(yán)重程度進行定性分類；CIPS法在“開”和“關(guān)”狀態(tài)下可得到沿管道走向完整的管地電位曲線，提供所有缺陷處陰極保護狀況和正在發(fā)生腐蝕的位置。

(3)DCVG+CIPS的防腐層檢測技術(shù)利用直流地電位梯度的變化可以確定防腐層破損點的位置；通過破損點處土壤中的陰極保護電流的方向，可識別破損點的腐蝕活性IR%定性；依據(jù)破損點IR降百分比可定性判斷破損點的大小。

(4)各種管道防腐層檢測方法都有一定的適用范圍和局限性，具體應(yīng)用中還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際對測量方法的選用作出調(diào)整，也可以對一種檢測方法評價結(jié)果為“重”的點采用另一種檢測方法加以校驗。

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