我國長輸管道外檢測技術(shù)現(xiàn)狀綜述

馬偉平 蔡亮 王禹欽 潘騰

（1.中國石油管道科技研究中心；2.中國航油集團(tuán)津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司；3.中國石油管道公司）

1 現(xiàn)狀

長輸管道腐蝕防護(hù)的公認(rèn)做法是防腐層聯(lián)合強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。防腐層完整性對于管道安全至關(guān)重要，應(yīng)具備良好的絕緣性、附著力和連續(xù)性[1]。在管道施工階段，防腐層在管溝回填時(shí)可能受到土石塊擠壓造成破損；管道運(yùn)行一定年限后，防腐層會(huì)發(fā)生老化和剝離。管道外檢測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷，全面、準(zhǔn)確了解管道狀況并實(shí)施改進(jìn)和修復(fù)，從而提高了管道完整性，保證管道安全[2]。

近年來，三軸高清漏磁、電磁超聲等管道內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展很快，但由于變管徑、非通徑閥門和彎管曲率等制約因素，約1/3 管道實(shí)施內(nèi)檢測難度較大[3]。管道外檢測技術(shù)特別適用于雜質(zhì)多、結(jié)蠟嚴(yán)重、輸量低等無法實(shí)施內(nèi)檢測的管道。提升我國管道外檢測技術(shù)水平，對于延長在役管道使用壽命、預(yù)防油氣泄漏事故和保障管道安全具有重要意義。

2 管道外檢測技術(shù)概述

管道外檢測是指非開挖情況下，應(yīng)用專業(yè)設(shè)備在地面非接觸式檢測管道，確定管道腐蝕缺陷、防腐層破損以及陰極保護(hù)系統(tǒng)和防干擾系統(tǒng)狀況，提出管道開挖和修復(fù)計(jì)劃，指導(dǎo)管道管理維護(hù)工作。

2.1 防腐層完整性

防腐層完整性檢測確定防腐層破損位置和嚴(yán)重程度，舊管道采用石油瀝青防腐層還應(yīng)測試防腐層絕緣性能。如發(fā)現(xiàn)防腐層破損點(diǎn)，應(yīng)測試該處腐蝕活性和陰極保護(hù)有效性，判斷管段是否發(fā)生腐蝕。

2.2 管道陰極保護(hù)有效性

評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)有效性即測試管-地極化電位是否滿足-850 mV準(zhǔn)則要求（相對飽和Cu/CuSO4參比電極），電位測量應(yīng)采用斷電延遲測量法。如不滿足，應(yīng)提出陰極保護(hù)系統(tǒng)改進(jìn)和調(diào)整建議，例如調(diào)整整流器電壓和電流參數(shù)、調(diào)整陽極床位置等。

2.3 管道干擾影響和防干擾系統(tǒng)狀況

如管道鄰近交、直流電氣化鐵路或者高壓輸電線路等干擾源，可能發(fā)生交流腐蝕或直流雜散電流腐蝕。管道干擾檢測應(yīng)確定干擾影響類型、范圍、規(guī)律和程度并采取排流措施，必要時(shí)應(yīng)測試和評(píng)價(jià)排流效果。

2.4 管道腐蝕缺陷

腐蝕是管道失效的重要原因之一。管道腐蝕缺陷檢測是在防腐層完整性檢測的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場開挖和直接檢查的方式，確定管道發(fā)生腐蝕的位置，判定腐蝕類型、測量腐蝕面積和深度，計(jì)算管道腐蝕速率、剩余厚度和強(qiáng)度，評(píng)價(jià)管道剩余壽命等。

3 管道防腐層完整性檢測技術(shù)

3.1 皮爾遜檢測技術(shù)

皮爾遜檢測技術(shù)（Pearson）即交流電流法，原理是將發(fā)射機(jī)的交流信號(hào)（1 000 Hz）加載在管道上，如管道防腐層完好，管道中交流信號(hào)沿程均勻衰減；如管道防腐層有破損，有電流泄漏入土壤，在管道破損點(diǎn)和土壤之間形成電壓差，據(jù)此判定破損點(diǎn)位置，通過電位衰減數(shù)值大小判定漏點(diǎn)大小。

皮爾遜檢測技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、快速，信號(hào)靈敏度高，能準(zhǔn)確定位防腐層破損位置；適用于埋深小于3 m的管道，不受陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響。該技術(shù)缺點(diǎn)是不能判斷防腐層整體狀況和破損點(diǎn)大小，不能確定是否存在防腐層剝離；易受外界電流干擾，不同類型土壤和涂層電阻都能引起信號(hào)改變；判斷缺陷依賴于操作員的經(jīng)驗(yàn)。

3.2 多頻管中電流測繪技術(shù)

多頻管中電流測繪技術(shù)（PCM）即交流電流梯度法，向管道加載發(fā)送特定頻率的交流電流信號(hào)（例如4 Hz），繪制電流梯度圖，檢測管道中電流信號(hào)衰減率的變化，確定防腐層破損點(diǎn)位置；測量防腐層絕緣電阻值大小，確定防腐層平均質(zhì)量狀況和缺陷嚴(yán)重程度。電流信號(hào)在管道中傳播特性取決于管道材質(zhì)與防腐層狀況，如管道防腐層完好，交流電流信號(hào)以恒定速率衰減；如管道防腐層有破損點(diǎn)，電流通過破損點(diǎn)流向土壤，該處電流衰減率突然增大。該技術(shù)可用于管道防腐層評(píng)價(jià)、新建管道補(bǔ)口質(zhì)量驗(yàn)收、陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測、管道泄漏點(diǎn)定位等。

多頻管中電流法優(yōu)點(diǎn)是自帶信號(hào)發(fā)射裝置，可檢測未實(shí)施陰極保護(hù)的管道；可準(zhǔn)確檢測管道埋深及位置、其他金屬搭接和較大的防腐層缺陷；檢測速度較快，缺陷定位能力較強(qiáng)。缺點(diǎn)是針對防腐層破損點(diǎn)精確定位存在局限性，不能確定較小的缺陷；無法對強(qiáng)電干擾區(qū)管段進(jìn)行檢測；防腐層缺陷判斷對操作者專業(yè)技能要求較高。

3.3 直流電位梯度法

直流電位梯度法（DCVG）是目前較先進(jìn)、應(yīng)用廣泛的管道外檢測技術(shù)，原理是向管道施加直流電流，檢測電流通過土壤到達(dá)管道防腐層的電位梯度（即土壤IR降），如防腐層存在破損點(diǎn)，流失的電流越大，電位梯度也越大越集中。通過根據(jù)土壤IR 降占管-地電位的百分比，計(jì)算防腐層缺陷大小和嚴(yán)重程度。判斷準(zhǔn)則為較小破損點(diǎn)0～15%ΔU ；中 型 破 損 點(diǎn)16%～35% ΔU ； 較 大 破 損 點(diǎn)36%～100% ΔU 。 DCVG技術(shù)可提供防腐層損傷信息，以及精確定位防腐層缺陷位置。

DCVG 法優(yōu)點(diǎn)是可測量破損點(diǎn)形狀和計(jì)算破損面積大小，并對缺陷點(diǎn)排序以確定修復(fù)順序；不受雜散電流或管道上方電網(wǎng)干擾，受地貌影響小；缺陷定位精度高，設(shè)備操作簡單。缺點(diǎn)是不能給出破損點(diǎn)處的管-地電位，不能指示防腐層剝離。DCVG法可以發(fā)現(xiàn)較小的防腐層破損，但需要加載供入較大功率的電流信號(hào)才能保證測量信號(hào)的靈敏度。

4 管道陰極保護(hù)有效性檢測技術(shù)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)

一般管道沿線每間隔1 km 設(shè)置陰極保護(hù)電位測試樁，采用萬用表和Cu/CuSO4參比電極測量管-地電位，通過研究管道沿線電位分布，評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)有效性。電位測量有兩種方式，一種在恒電位儀接入電流中斷器，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電流同步中斷，測量管道通/斷電位；另一種是直接測量管道通電電位。通/斷電位可以確定土壤IR 降，對管道陰極保護(hù)效果評(píng)價(jià)較準(zhǔn)確。通電電位測量簡單、快捷，根據(jù)管道沿線通電電位衰減狀況定性判斷管道陰極保護(hù)效果和防腐層狀況，適用于管道日常管理與維護(hù)。

標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快；缺點(diǎn)是不能對管道缺陷大小與位置精確定位，連續(xù)評(píng)價(jià)能力差，只用于陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測和粗略評(píng)價(jià)。

4.2 密間隔電位測試技術(shù)

密間隔電位測試技術(shù)（CIPS）是對標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)的改進(jìn)，也是國外評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)有效性的首選技術(shù)。測試時(shí)應(yīng)在管段的恒電位儀安裝電流同步中斷器，一般在1～3 m 間隔上密集測試管-地電位和密集極化電位（通/斷電位），得到管-地電位變化曲線。測定管道陰極保護(hù)效果有效性，并可間接確定防腐層缺陷位置和狀況，具體方法是電位不滿足-850 mV準(zhǔn)則或電位曲線出現(xiàn)“低谷”的管段，可能存在防腐層破損點(diǎn)。CIPS對防腐層破損位置檢測精度在±1 m范圍內(nèi)。

密間隔電位法優(yōu)點(diǎn)是可定位缺陷位置，定性評(píng)估防腐層狀況。缺點(diǎn)是檢測速度慢，易受雜散電流、土壤性質(zhì)和周邊地面活動(dòng)影響而產(chǎn)生較大誤差，適于周邊活動(dòng)少且地勢平坦地區(qū)。密間隔電位法實(shí)質(zhì)上是一種管-地電位測試技術(shù)，而非防腐層缺陷檢測技術(shù)，防腐層狀況是通過分析電位得到的，通常應(yīng)與其他檢測技術(shù)配合使用。

4.3 CIPS/DCVG聯(lián)合檢測技術(shù)

管道外檢測技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，實(shí)際應(yīng)使用兩種或多種檢測技術(shù)避免單一技術(shù)的局限性，例如國外推薦使用CIPS 與DCVG 聯(lián)合檢測技術(shù)，可全面檢測防腐層狀況，包括防腐層老化狀況、破損位置及大小、陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行情況、管道保護(hù)效果和雜散電流分布等[4]。CIPS/DCVG 聯(lián)合檢測技術(shù)具體做法是管道防腐層檢測采用DCVG 方法，確定防腐層損壞類型、位置；利用CIPS 密間隔電位檢測技術(shù)測試管道斷電電位，確定管道陰極保護(hù)效果和防腐層優(yōu)劣。

5 管道交直流干擾檢測技術(shù)

5.1 電位連續(xù)測試法

在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)測量管道對地直流電位或交流電壓以評(píng)價(jià)干擾情況。存在交直流干擾時(shí)，管道對地電位和交流電壓隨時(shí)間不斷變化，連續(xù)測量一段時(shí)間（少則1 h，多則1 d）才能掌握干擾變化規(guī)律。采樣時(shí)間間隔可以是1 s 或更小，在一條管線上的若干個(gè)測試點(diǎn)以相同的采樣時(shí)間間隔同時(shí)進(jìn)行測量，即多點(diǎn)同步測量。獲得管道電位（電壓）隨時(shí)間和距離變化的規(guī)律，確定管線是否存在干擾以及干擾的程度、范圍和規(guī)律等信息。

5.2 電流密度測試法

通過測量管道泄漏電流密度評(píng)價(jià)干擾情況是目前新興的、較為公認(rèn)的評(píng)價(jià)方法，主要用于交流腐蝕評(píng)價(jià)，即根據(jù)電流密度大小評(píng)價(jià)交流腐蝕嚴(yán)重程度。有兩種方式，現(xiàn)場埋設(shè)試片或極化測量探頭，測量管線通過試片泄漏的電流，根據(jù)試片裸露面積計(jì)算電流密度；另一種是測量管道對地交流電壓和土壤電阻率，計(jì)算電流密度。前者用于監(jiān)測重點(diǎn)干擾管段，后者用于大范圍管道交流干擾評(píng)價(jià)。

6 管道腐蝕缺陷檢測技術(shù)

6.1 開挖檢測法

應(yīng)用外檢測技術(shù)確定管道防腐層破損點(diǎn)，針對嚴(yán)重程度排序選擇開挖管段，可直接觀察管體腐蝕情況，并采用一種或多種無損檢測方法測量管道腐蝕缺陷狀況。測量內(nèi)容包括缺陷形貌、面積尺寸、深度、缺陷點(diǎn)分布、腐蝕產(chǎn)物情況、土壤環(huán)境情況等，還可采集土壤和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析化驗(yàn)。可采取的無損檢測技術(shù)包括超聲、相控陣超聲、磁粉和導(dǎo)波等。開挖檢測法是最直接的方法，獲取數(shù)據(jù)真實(shí)、豐富，但開挖和回填工作量大。

6.2 非開挖檢測法

在役管道非開挖外檢測技術(shù)是在地面直接針對管道管體缺陷進(jìn)行檢測的技術(shù)。近年來這類檢測工具主要是磁力層析X 射線攝影技術(shù)（MTM）、瞬變電磁檢測技術(shù)（TEM）、NoPig 技術(shù)[5]。三種技術(shù)適用于在役管道的非開挖外檢測技術(shù)利用電磁原理針對金屬管體進(jìn)行地面檢測，均具有不開挖管溝、不破壞管道外防腐層、不影響管道運(yùn)行等顯著優(yōu)點(diǎn)，但從應(yīng)用現(xiàn)狀看，在抗現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境干擾、數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性等方面，尚需大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。

7 管道外檢測技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

目前雖有多種管道外檢測技術(shù)，但每種技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，特別是沒有一種技術(shù)能檢測、判斷防腐層剝離；Pearson 法可檢測管道走向、埋深和防腐層破損點(diǎn)位置，但不能準(zhǔn)確判斷破損點(diǎn)的大?。籔CM 法檢測速度較快，但對操作者經(jīng)驗(yàn)技能要求較高；CIPS/DCVG 法能全面防腐層狀況，但檢測速度較慢。

目前管道外檢測技術(shù)雖有較高的普適性，但由于技術(shù)原理是基于在管道上加載直流或交流電信號(hào)，特殊情形下存在制約因素，難以實(shí)施管道外檢測技術(shù)或者效果很差，例如：

1）含套管的穿越管段以及水平定向鉆穿越管段。人員無法接近，無法實(shí)施管道外檢測，也無法進(jìn)行開挖直接檢查和修復(fù)維修。

2）存在交直流強(qiáng)干擾管段。對各類基于電磁技術(shù)的檢測方法均有較強(qiáng)干擾，檢測精度下降，甚至無法檢測。

3）發(fā)生防腐層剝離的管段，由于存在電流屏蔽效應(yīng)，大部分管道外檢測技術(shù)無法實(shí)施。這些特殊情形下的管道外檢測技術(shù)也是未來的研究重點(diǎn)和方向。

8 管道外檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來我國長輸管道建設(shè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，截止2016 年底，我國在役陸上油氣管道總里程超過12.3×104km。很多新建管道敷設(shè)于高寒凍土區(qū)、山區(qū)、戈壁等環(huán)境惡劣區(qū)域，加之管道沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展、第三方破壞頻繁等，這些因素都對管道運(yùn)行管理提出了更高要求，管道管理者也迫切需要對新建管道進(jìn)行檢測，以便及早發(fā)現(xiàn)并修復(fù)施工造成的防腐層破損和管體缺陷。可以預(yù)見，管道外檢測技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

管道外檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是信號(hào)反應(yīng)靈敏、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、操作簡便、數(shù)據(jù)直觀等。此外，管道外檢測與完整性數(shù)據(jù)庫、GIS 信息技術(shù)相結(jié)合，提升管道檢測的效率和信息化水平。管道企業(yè)應(yīng)根據(jù)管道實(shí)際特點(diǎn)選擇合適的檢測技術(shù)，建議選擇多種方法聯(lián)合檢測，以獲得更加全面的檢測數(shù)據(jù)，從而精確、高效的評(píng)價(jià)管道防腐層狀況，建立先進(jìn)、完善、適用于我國國情的管道外檢測技術(shù)體系。