在役油氣管道外腐蝕檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)簡(jiǎn)析

凌建磊，李濤，何曉，王端亮，張志剛

(1. 中國(guó)石油天然氣管道局工程有限公司，河北廊坊065001；2. 中國(guó)石油華北油田公司第三采油廠，河北河間062450；3. 中國(guó)石油大港油田公司第三采油廠，河北滄州061023；4. 中國(guó)石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北廊坊065001；5. 中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊065000)

目前，大部分油田及管道企業(yè)均已開(kāi)展管道完整性管理工作，完整性管理包括數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、維護(hù)與維修及效能評(píng)價(jià)等七個(gè)步驟，其中完整性評(píng)價(jià)包括外腐蝕評(píng)價(jià)、內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià)及壓力試驗(yàn)[1-2]。對(duì)于大部分在役油氣管道如果應(yīng)用內(nèi)檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)，雖然準(zhǔn)確性相對(duì)較高，但在實(shí)施過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較大，主要是檢測(cè)器在行進(jìn)過(guò)程中遇到彎管或變徑處容易卡堵，所以在役管道多采用外腐蝕評(píng)價(jià)技術(shù)。外腐蝕評(píng)價(jià)中的間接檢測(cè)技術(shù)可以在不開(kāi)挖的情況下知道防腐層的完整性、陰極保護(hù)的有效性以及管體的腐蝕活性，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)管道進(jìn)行分級(jí)，確定直接檢測(cè)開(kāi)挖順序。主流的檢測(cè)技術(shù)主要有直流電位梯度法(DCVG)、交流電位梯度法(ACVG)、皮爾遜法(Pearson)、多頻管中電流法(PCM)、密間隔電位測(cè)量法(CIPS)等。

1 直流電位梯度法

在管道陰極保護(hù)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)下，防腐層缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致陰極保護(hù)電流通過(guò)裸露管道表面流向大地，而造成陰極保護(hù)電流流失。因陰極保護(hù)電流的變化而引起土壤的電壓降被稱為IR降，在防腐層破損點(diǎn)的地表測(cè)試電位梯度，并進(jìn)一步對(duì)IR降和電位梯度值進(jìn)行處理分析，找出缺陷準(zhǔn)確位置[3]。

電位梯度反映了管道外防腐層是否存在破損，當(dāng)電位梯度不大于50 mV時(shí)，防腐層無(wú)破損，當(dāng)電位梯度大于50 mV時(shí)，防腐層可能存在缺陷，防腐層的破損面積越大，電位梯度越大。土壤的IR降的相對(duì)值σIR可以反映防腐層缺陷的大小，當(dāng)σIR越大，陰極保護(hù)程度越低，防腐層破損面積越大，防腐層破損的優(yōu)先等級(jí)見(jiàn)表1所列。

表1 防腐層破損優(yōu)先等級(jí)

另外，為了去除其他雜散電流的影響，對(duì)管道施加的是不對(duì)稱直流信號(hào)，間斷周期為1 s，其中斷陰極保護(hù)的時(shí)間約為0.67 s，通陰極保護(hù)的時(shí)間為0.33 s，由此判斷電流是流入管道還是流出管道，可以檢驗(yàn)管道的腐蝕活性，如果有電流流入管道則管體未發(fā)生腐蝕，反之則管體正在發(fā)生腐蝕，可以檢測(cè)陰極保護(hù)的實(shí)施情況，一共有4種情況，其中最危險(xiǎn)的是腐蝕活性為陰極/陽(yáng)極(C/A)和陽(yáng)極/陽(yáng)極(A/A)，這兩種情況是無(wú)論陰極保護(hù)是否起作用，管道都呈陽(yáng)極，會(huì)造成管道失去電子，加速腐蝕，因此DCVG法最大的優(yōu)點(diǎn)是能檢測(cè)管道是否正在發(fā)生腐蝕，并檢測(cè)腐蝕活性。

2 交流電位梯度法

典型的管線儀在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)要在管道上施加1個(gè)交流檢測(cè)信號(hào)。進(jìn)行ACVG法檢測(cè)時(shí)，所施加的交流信號(hào)在管道上的衰減程度，與防腐層的完好狀態(tài)以及存在的缺陷大小相關(guān)聯(lián)。ACVG法與DCVG法的基本差異就在于檢測(cè)時(shí)，信號(hào)發(fā)射機(jī)給管道施加的是交流檢測(cè)信號(hào)。具體檢測(cè)方法主要有Pearson法和PCM法。

2.1 皮爾遜法

一種用于檢測(cè)地下管道涂層缺陷的具體位置和損壞程度及其涂層損壞區(qū)域面積大小的方法。在運(yùn)用該檢測(cè)方法時(shí)，只需利用發(fā)射機(jī)在管道外地面部分向管道中通入交流電信號(hào)，當(dāng)管道的某處防腐層有缺陷會(huì)導(dǎo)致這種產(chǎn)生的電信號(hào)由該點(diǎn)處散發(fā)到地表，并在該處的地上產(chǎn)生交流電壓梯度。該方法是將工作人員的身體作為檢測(cè)電極，兩個(gè)人相隔一定距離產(chǎn)生的耦合電容可檢測(cè)電壓梯度信號(hào)，再利用相應(yīng)的濾波接收機(jī)接收防腐層損壞點(diǎn)處，通過(guò)對(duì)電位信號(hào)各種處理，在指示盤或聲音報(bào)警器上顯示出損壞的具體方位。實(shí)際操作時(shí)，往往在管道上加800～1 000 Hz的電流頻率信號(hào)，功率在10～20 W。該方法的優(yōu)點(diǎn)是受本身各種因素的干擾不大，最低人員要求為2人，一般可測(cè)深度在5 m以內(nèi)、10 mm2以上的管道防腐層破損面積，檢測(cè)精度可以達(dá)到±0.5 m，檢測(cè)速度快，能夠第一時(shí)間將漏點(diǎn)位置精確地標(biāo)定出來(lái)。缺點(diǎn)是由于發(fā)射功率有限，最多可以檢測(cè)5 km，需要工作人員人工沿線檢測(cè)，工作強(qiáng)度大，防腐層的實(shí)際腐蝕程度無(wú)法評(píng)級(jí)，在檢測(cè)的過(guò)程中對(duì)外界電流的變化很敏感，受土壤和涂層電阻的影響較大，要求檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)豐富。

2.2 多頻管中電流法

PCM法是以管中電流衰減測(cè)試法為基礎(chǔ)的改進(jìn)型涂層檢測(cè)方法。PCM法測(cè)量的基本原理： 發(fā)射機(jī)向管道供入4 Hz的直流電流頻率和128 Hz/640 Hz的定位信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)從管道某點(diǎn)供入后，信號(hào)會(huì)通過(guò)管道經(jīng)大地流回便攜式接收機(jī)，正常情況下所施加的電流信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的增長(zhǎng)呈指數(shù)遞減，當(dāng)出現(xiàn)防腐層破損時(shí)，破損點(diǎn)的電流強(qiáng)度會(huì)急劇下降，變化電流的對(duì)數(shù)值與測(cè)量點(diǎn)距離之間的關(guān)系如下：

Y=IdB1-IdB2/(X2-X1)

式中：Y——IdB的電流衰減率，dB/m；X1，X2——測(cè)量點(diǎn)1，2到檢測(cè)信號(hào)供入點(diǎn)之間的距離，m；IdB1，IdB2——電流經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換之后的分貝值，dB。

當(dāng)管道防腐層性能均勻時(shí)，管中電流的數(shù)值與距離成線性關(guān)系，其電流衰減率取決于涂層的絕緣電阻，根據(jù)電流衰減率的大小變化可評(píng)價(jià)防腐層的絕緣質(zhì)量，對(duì)于同一條管道，電流衰減率越小，防腐層的絕緣性越好，若存在電流的異常衰減段，則可認(rèn)為存在電流的泄漏點(diǎn)或管道的分支點(diǎn)，通過(guò)分析可判斷出涂層的絕緣性能下降和破損的部位，如再配合A字架檢測(cè)地表電位梯度，即可精確定位涂層破損點(diǎn)。由于該方法操作簡(jiǎn)單，目前在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，PCM法的優(yōu)點(diǎn)是能快速普查整條管線防腐層的綜合保護(hù)性能，受地面環(huán)境影響較小，不開(kāi)挖管道，檢測(cè)進(jìn)度為3～5 km/d，可以對(duì)防腐層老化狀況進(jìn)行評(píng)級(jí)，也可以縮短檢測(cè)間距對(duì)防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行定位。缺點(diǎn)是為了避免雜散電流的干擾，在檢驗(yàn)過(guò)程中須停掉陰極保護(hù)電流，容易受外界電流干擾，對(duì)檢驗(yàn)人員的技術(shù)依賴性強(qiáng)，無(wú)法判斷管道腐蝕活性以及陰極保護(hù)的有效性。

3 密間隔電位測(cè)量法

一般不將其劃歸為防腐層的評(píng)價(jià)工具，而是作為陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià)工具，但是CIPS法檢測(cè)數(shù)據(jù)也可用在防腐層狀況的評(píng)價(jià)上[4]。CIPS法是在管道路由上，以規(guī)則的間距對(duì)施加了陰極保護(hù)的管道進(jìn)行管地電位測(cè)量[5]。測(cè)量過(guò)程中會(huì)得到兩種管地電位，一種是外加電流陰極保護(hù)打開(kāi)時(shí)的管地電位(Von)，該電位可以知道防腐層的整體腐蝕情況，防腐層質(zhì)量與Von之間的關(guān)系如下：

式中：L——管道長(zhǎng)度，m；a——防腐層的保護(hù)系數(shù)；Vonmax，Vonmin——管道起始端的管地電位的最大值和最小值。

另一種是外加電流陰極保護(hù)斷開(kāi)瞬間的管地電位(Voff)，由于斷開(kāi)的瞬間，消除了土壤中IR降的影響，同時(shí)管道具有電容性，因此Voff代表管道的極化電位，可以用來(lái)評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性，陰極保護(hù)有效性滿足SY/T 0087.1—2006《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)》中的相關(guān)要求，Voff在-850～1 200 mV屬于正常，Voff≤-1 200 mV屬于過(guò)保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)各項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，對(duì)間接檢測(cè)的評(píng)價(jià)結(jié)果的分級(jí)見(jiàn)表2所列。

表2 間接檢測(cè)的評(píng)價(jià)結(jié)果的分級(jí)

其中DCVG法和ACVG法對(duì)比其他檢測(cè)方法精度更高，DCVG法還可以有效評(píng)估破損點(diǎn)的尺寸以及破損處管體的腐蝕活性，對(duì)于單井管道、無(wú)陰極保護(hù)或犧牲陽(yáng)極保護(hù)的站間及以上管道的外腐蝕檢測(cè)可采用Pearson法+PCM法，Pearson法可定位破損點(diǎn)，PCM法評(píng)估防腐層整體質(zhì)量；有陰極保護(hù)站間及長(zhǎng)輸管道可采用DCVG法+PCM法+CIPS法，DCVG破損點(diǎn)定位和評(píng)價(jià)，PCM法評(píng)估防腐層整體質(zhì)量，CIPS法評(píng)估陰極保護(hù)有效性確定雜散電流的影響范圍。

但是這些檢測(cè)技術(shù)對(duì)于水下公路等穿越管道、雜散電流干擾管道、金屬套管內(nèi)管道等特殊管段的檢測(cè)與評(píng)價(jià)無(wú)法進(jìn)行，下一步可研究適合這些特殊管道的檢測(cè)技術(shù)，以彌補(bǔ)完整性管理的薄弱環(huán)節(jié)。