國內(nèi)長輸管道外檢測技術(shù)現(xiàn)狀綜述

朱寧，李濤，劉紅祥，羊映，朱浩

(1. 中國石油新疆油田公司 油氣儲運(yùn)分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油吐哈油田公司 技術(shù)監(jiān)測中心，新疆 吐魯番 838202；3. 中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 江油 621700；4. 北京中航油工程建設(shè)有限公司，北京 100621)

防腐層聯(lián)合強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是長輸管道腐蝕防護(hù)的公認(rèn)做法，防腐層完整性對于管道安全運(yùn)行至關(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，防腐層會發(fā)生老化和剝離。管道外檢測可及時發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷，全面、準(zhǔn)確地了解管道運(yùn)行狀況，從而提高了管道完整性，保證了管道的運(yùn)行安全[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)展迅速，但由于變管徑、非通徑閥門、彎管曲率等制約因素，約33%的管道在實(shí)施內(nèi)檢測時難度較大[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。提升中國管道外檢測技術(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。

1 管道外檢測技術(shù)概述

管道外檢測是指非開挖情況下，使用專業(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、陰極保護(hù)系統(tǒng)、防干擾系統(tǒng)等的實(shí)際狀況，提出管道開挖、修復(fù)計(jì)劃，并指導(dǎo)管道運(yùn)行的管理、維護(hù)工作。

1)防腐層完整性。指檢測確定防腐層的破損位置和嚴(yán)重程度，舊管道采用石油瀝青防腐層時，還應(yīng)測試防腐層的絕緣性能；如發(fā)現(xiàn)防腐層的破損點(diǎn)，應(yīng)測試該處的腐蝕活性和陰極保護(hù)的有效性，從而判斷管段是否發(fā)生腐蝕。

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

3)管道干擾和防干擾系統(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現(xiàn)象。管道干擾檢測首先應(yīng)確定干擾的影響類型、范圍、規(guī)律和程度，并采取排流措施，必要時應(yīng)測試和評價排流效果。

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，評價管道的剩余壽命等。

2 管道防腐層完整性檢測技術(shù)

2.1 皮爾遜檢測技術(shù)

皮爾遜檢測技術(shù)即交流電流法，工作原理是將發(fā)射機(jī)的1 000 Hz交流信號加載在管道上，如管道防腐層完好，管道中的交流信號沿途呈均勻衰減；如管道防腐層有破損，有電流泄漏入土壤，則在管道破損點(diǎn)和土壤之間會形成電壓差，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)的大小。

皮爾遜檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、快速，信號靈敏度高，能準(zhǔn)確定位防腐層的破損位置；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)是不能判斷防腐層的整體狀況和破損點(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均能引起信號改變；判斷缺陷依賴于操作員的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 多頻管中電流測繪技術(shù)

多頻管中電流測繪技術(shù)PCM(pipe current mapping)指交流電流梯度法，即向管道加載可發(fā)送特定頻率的交流電流信號(例如4 Hz)，繪制電流梯度圖，檢測管道中電流信號衰減率的變化，進(jìn)而確定防腐層破損點(diǎn)位置；測量防腐層絕緣電阻值大小，確定防腐層的平均質(zhì)量狀況和缺陷嚴(yán)重程度。電流信號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，該處的電流衰減率會突然增大。該技術(shù)可用于管道防腐層評價、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。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是自帶信號發(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；無法檢測強(qiáng)電干擾區(qū)管段；防腐層缺陷判斷對操作者的專業(yè)技能要求較高。

2.3 直流電位梯度法

直流電位梯度法DCVG(direct current voltage gradient)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。根據(jù)土壤IR降占管-地電位ΔU的百分比，可計(jì)算防腐層缺陷大小和嚴(yán)重程度。判斷準(zhǔn)則： 較小破損點(diǎn)為(0～15%)ΔU；中型破損點(diǎn)為(16%～35%)ΔU；較大破損點(diǎn)為(36%～100%)ΔU。該檢測方法可提供防腐層損傷信息，并可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、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)的干擾，同時受地貌的影響較??；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等信息。DCVG法可以發(fā)現(xiàn)較小的防腐層破損，但需要加載較大功率的直流電流信號才能保證測量信號的靈敏度。

3 管道陰極保護(hù)有效性檢測技術(shù)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)

一般管道沿線每間隔1 km須設(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。通過研究管道沿線的電位分布，可評價管道陰極保護(hù)的有效性。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)的效果評價較準(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)(P/S)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)評價能力差，只用于陰極保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測和粗略評價。

3.2 密間隔電位測試技術(shù)

密間隔電位測試技術(shù)CIPS(close interval potential survey)是對P/S技術(shù)的改進(jìn)，也是國外評價管道陰極保護(hù)有效性的首選技術(shù)。測試時應(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-地電位和通/斷電位，得到管-地電位變化曲線。CIPS技術(shù)可測定管道陰極保護(hù)效果有效性，并可間接確定防腐層缺陷位置和狀況，具體方法是電位未達(dá)到-850 mV的管段，或者電位曲線出現(xiàn)“低谷”的管段，可能存在防腐層破損點(diǎn)。CIPS技術(shù)對防腐層破損位置的檢測精度達(dá)±1 m。

CIPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可定位缺陷位置，定性評估防腐層狀況；缺點(diǎn)是檢測速度慢，易受雜散電流、土壤性質(zhì)和周邊地面活動影響，檢測誤差較大，適用于周邊活動較少且地勢平坦的地區(qū)。CIPS技術(shù)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。

3.3 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)際檢測中應(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/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)的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技術(shù)測試管道的斷電電位，確定管道陰極保護(hù)效果和防腐層優(yōu)劣。

4 管道交直流干擾檢測技術(shù)

4.1 電位連續(xù)測試法

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

4.2 電流密度測試法

電流密度測試法是目前新興的、較為公認(rèn)的評價方法，主要用于交流腐蝕評價，即根據(jù)電流密度大小評價交流腐蝕嚴(yán)重程度。該測試法有兩種方式： 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，及試片裸露面積計(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價。

5 管道腐蝕缺陷檢測技術(shù)

5.1 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)，根據(jù)破損嚴(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。

5.2 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)。近年來該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]。TEM，MTM，NoPig三種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)境干擾以及數(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。

6 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，尤其是沒有一種技術(shù)能檢測、判斷防腐層的剝離[6]；皮爾遜法可檢測管道走向、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??；PCM法檢測速度較快，但對操作者的經(jīng)驗(yàn)技能要求較高；CIPS/DCVG法能全面檢測防腐層狀況，但檢測速度較慢。

管道外檢測技術(shù)雖有較高的普適性，技術(shù)原理是基于在管道上加載直流或交流電信號，但在下述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[7]：

1)含套管的鐵路公路穿越管段以及較長距離的河流水平定向鉆穿越管段，由于人員無法接近，無法實(shí)施管道外檢測，因此無法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)，因此大部分管道外檢測技術(shù)無法實(shí)施。

7 結(jié)束語

近年來，國內(nèi)長輸管道建設(shè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，截至2016年底，在役陸上油氣管道總里程超過1.23×105km[8]。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?？梢灶A(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，提升了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、高效地評價管道防腐層狀況，建立先進(jìn)、完善、適用于中國國情的管道外檢測技術(shù)體系。