電壓降法在水平定向鉆穿越管道外涂層評價中的應(yīng)用研究

尹 安 劉兆鵬 于海昆 王 亮 馬光皎 王翔東

（青島鋼研納克檢測防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

油氣管道途徑鐵路、高速公路、大中型江河等復(fù)雜地況時，經(jīng)常采用水平定向鉆機(jī)將穿越管段按照設(shè)計軌跡通過障礙物的水平定向鉆穿越（HDD）敷設(shè)。地下障礙物如碎石、礫巖難免會磨損和刮傷管道防腐層，甚至造成貫穿性損傷，暴露管道本體，從而導(dǎo)致外涂層防腐性能的降低或失效，增加管道腐蝕風(fēng)險和安全隱患。

受常規(guī)防腐層檢測方法應(yīng)用條件的限制，國內(nèi)外對水平定向鉆穿越管道外涂層評價主要通過電流-電位法、電流密度法等饋電試驗方法。GB 50254-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》6.3.6規(guī)定：穿越施工完成后需要對穿越段外涂層電導(dǎo)率進(jìn)行測試，測試宜在穿越完成15d后且穿越段管道與主管線連接前進(jìn)行；新建管線穿越段外涂層標(biāo)稱電導(dǎo)率不應(yīng)大于200μS/m2或外涂層絕緣電阻率不應(yīng)小于5000Ω·m2，同時應(yīng)加強(qiáng)陰極保護(hù)并在兩端追加必要的陰極保護(hù)措施[1]。

當(dāng)穿越段管道兩端連頭之后，保護(hù)面積增大，管線整體達(dá)到保護(hù)電位所需的饋電電流遠(yuǎn)大于穿越段管道陰極極化電流。通過電壓降法可以計算管道穿越點(diǎn)、出土點(diǎn)管中電流的大小，變化值為穿越段管道達(dá)到陰極保護(hù)電位需要的極化電流。

1 電流-電位法

電流-電位法又稱饋電試驗法，即在穿越管段一端設(shè)置臨時陰極保護(hù)系統(tǒng)，給管道施加饋電電流并控制穿越兩端斷電電位在-0.85～-1.05V之間，通過測試兩端電流的衰減和電位的變化來計算管道穿越段外涂層的絕緣電阻率。

1.1 測試步驟

電流-電位法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線如圖1所示，測試步驟分為以下五步：

（1）饋電位置選擇。饋電點(diǎn)距測試點(diǎn)應(yīng)大于300m，斷開所有與穿越管道電連接的犧牲陽極、接地體，測試穿越兩端的自腐蝕電位和土壤電阻率；

（2）測試設(shè)施安裝。每處測試點(diǎn)設(shè)置極化探頭或便攜參比電極1支，若無可用的測試閥井，管道上另需焊接測試線；

（3）臨時陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝。輔助陽極距離管道不小于100米，接地電阻盡量小，必要時采取降阻措施。電源正極接陽極地床，負(fù)極接管道，臨時電源采用2支12V蓄電池或汽油發(fā)電機(jī)，根據(jù)實際電流大小安裝電阻調(diào)節(jié)器；

（4）管道電位極化。接通臨時陰極保護(hù)電源并調(diào)節(jié)輸出電流，確保電流輸出穩(wěn)定，管道充分極化，通電點(diǎn)沒有過保護(hù)，Ua,b off 控制在-0.85～ -1.05V之間；

（5）饋電參數(shù)記錄。記錄電源輸出電流、測試點(diǎn)通斷電電位，重復(fù)3次。

1.2 計算過程[2]

（1）依據(jù)圖1，測試點(diǎn)a和b的電位變化按下公式計算：

圖1 電流-電位法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線示意圖

（2）電位變化比按下式計算：

1）當(dāng)電位變化比k在0.625～1.6之間時，采用通用法計算評價。兩端電位變化的算術(shù)平均值認(rèn)為是管道穿越段的平均電位變化，按下式計算：

2）當(dāng)電位變化比k不在0.625～1.6之間時，采用電位或者電流衰減方法評價，計算式如下：

電位衰減法：

電流衰減法：

式中：L為測試點(diǎn)a和b之間的距離（m）；α為所測管段的衰減系數(shù)。

管段穿越段的電導(dǎo)按下式計算：

式中：r為單位長度管段的縱向電阻（Ω）；g為所測管段漏失電導(dǎo)（S）；α為所測管段的衰減 系數(shù)；

（3）平均電導(dǎo)按下式計算：

式中：G為穿越段管道涂層的平均電導(dǎo)（S/m2）；A為穿越段管道的表面積πdL（m2），L為管道穿越長度（m）；

（4）穿越段管底深度的平均土壤電阻率按下式計算：

（5）標(biāo)稱電導(dǎo)率的計算

在1000Ω·cm特定土壤電阻率中的涂層電導(dǎo)率，為標(biāo)稱電導(dǎo)率，計算式如下：

式中：Gn為標(biāo)稱電導(dǎo)率（μS/m2）；G為穿越段涂層的單位平均電導(dǎo)（S/m2）；

（6）外涂層絕緣電阻率R1000的計算

式中：R1000為外涂層絕緣電阻率（Ω·m2）。

1.3 外涂層質(zhì)量評級標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0102-2002《Measurement of Protective Coating Electrical Conductance on Underground Pipelines》和GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》規(guī)定，外涂層質(zhì)量評估分級如表1 所示。

表1 標(biāo)稱電導(dǎo)率/絕緣電阻率與外涂層質(zhì)量比照表

2 電流密度法

被保護(hù)結(jié)構(gòu)物單位面積上流入的電流，稱為保護(hù)電流密度；達(dá)到最小保護(hù)電位-0.85V（CSE）所需的陰極極化電流密度稱之為最小保護(hù)電流密度[3]。外涂層絕緣電阻率越大，所需要的保護(hù)電流越少，電流密度越小。反之當(dāng)管道存在金屬搭接、絕緣法蘭（接頭）失效、防腐層破損、外涂層劣化等腐蝕問題時，達(dá)到保護(hù)電位需要較多的極化電流，電流密度越大。電流密度法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線如圖2所示。

圖2 電流密度法測試水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣電阻率接線示意圖

2.1 計算過程

（1）保護(hù)電流密度計算公式為：

（2）極化電位偏移100mV時，保護(hù)電流密度計算公式為：

式中：J為電流密度（μA/m2）；J100mV為極化電位偏移100mV電流密度μA/（m2·mV）；I為極化電流（μA）；L為穿越距離（m）；D為管道直徑（m）；Uoff為斷電電位（mV）；U自為自腐蝕電位（mV）。

2.2 電流密度評級標(biāo)準(zhǔn)

HDD管道最小保護(hù)電流密度（斷電-0.85V/CSE）與外涂層質(zhì)量評級如表2所示。

3 電壓降法

電流沿管道縱向傳輸過程中呈不斷衰減趨勢。管道縱向電阻越小、外涂層對地散流電阻越大，所需的保護(hù)電流越少，陰極保護(hù)范圍越廣。完全絕緣的外涂層是不存在的，電流在涂層材料中流動會產(chǎn)生電壓降，ab段回路電阻為該管段電壓降與管內(nèi)電流的比值。由于埋地陽極地床接地電阻較小，回路電阻大致為ab管段的外涂層電阻。電壓降法測量接線如圖3所示。

圖3 電壓降法測量接線示意圖

3.1 適用條件

電壓降法適用于具有良好外涂層的管道，被測管段ab之間不得有法蘭盤、接地體、犧牲陽極、分流支管，并且已知管徑、壁厚、長度、管材電阻 率[4]。穿越端Lab、出土端Lcd間距不小于30m，測試點(diǎn)之間的電位差不小于50μV。

3.2 計算過程

管內(nèi)電流計算公式為：

式中：Iab為ab段管內(nèi)電流（A）；Uab為ab段電壓降（V）；D為管道外徑（mm）；δ為管道壁厚（mm）；ρ為管材電阻率（Ω·mm2/m）；Lab—ab段管道長度（m）；

IHDD為HDD管內(nèi)電流（A）；I穿越為ab段管內(nèi)電流（A）；I出土為cd段管內(nèi)電流（A）。

對測量區(qū)間有影響的保護(hù)電源應(yīng)安裝同步斷續(xù)器，給管道提供一個通12s、斷3s的保護(hù)電流，可采用“瞬間斷電法”測量各測試點(diǎn)的通斷電電位。否則需要在測試點(diǎn)處安裝極化探頭，采用“極化探頭法”測試。電壓降法測試水平定向鉆穿越管道管內(nèi)電流接線如圖4所示。

圖4 電壓降法測試水平定向鉆穿越管道管內(nèi)電流接線示意圖

4 工程實例

某高壓天然氣管道材質(zhì)為L360螺旋埋弧焊鋼管，規(guī)格為Φ323×8mm，三層聚乙烯（3LPE）結(jié)構(gòu)加強(qiáng)級防腐層，管道敷設(shè)已有9年，水平定向鉆穿越黃河。穿越管段長1.8km，管道埋深18m，深度超過儀器的檢測范圍，常規(guī)的檢測方法無法評估管道外涂層的防腐性能。

在黃河北岸（N）安裝臨時外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行饋電試驗，按照1.1步驟對黃河穿越段的外涂層絕緣電阻率測試評估，測試點(diǎn)設(shè)置如圖5所示。

圖5 黃河穿越管段外涂層絕緣電阻率測試點(diǎn)分布圖

通過深坑開挖測定電流分流大小，測試結(jié)果如下，管道參數(shù)如表3所示。

表3 （續(xù)）

表3 黃河水平定向鉆穿越段管道外涂層參數(shù)表

黃河北岸開挖點(diǎn)的間距d1-2長30m，測試點(diǎn)的電位差Ua為0.4mV；黃河南岸開挖點(diǎn)的間距d3-4長38m，測試點(diǎn)的電位差Ub為0.5mV。

穿越點(diǎn)電流大小：

出土點(diǎn)電流大?。?/p>

管內(nèi)電流變化：

電位變化比：

平均電位變化：

平均電導(dǎo)：

平均土壤電阻率：

標(biāo)稱電導(dǎo)率：

外涂層絕緣電阻率：

保護(hù)電流密度：

5 評價影響因素

（1）軸向電位

電壓降法應(yīng)用的前提條件是極化電流在單一土壤層中以管道為中心軸向分布，均勻衰減。但由于水平定向鉆穿越管道途徑河流、砂土層、巖石層等多種介質(zhì)層環(huán)境，這就導(dǎo)致低電阻率土壤中的管道優(yōu)先極化甚至過度極化，而高電阻率巖石層中的管道極化較慢或部分極化[5]。介質(zhì)層環(huán)境的急劇變化導(dǎo)致極化電流分布不再遵循均勻衰減的規(guī)律，穿越段管道水平軸向電位差異較大；

（2）電流屏蔽

水平定向鉆穿越高電阻率片巖時，絕緣屏障層會導(dǎo)致部分管道出現(xiàn)電流屏蔽效應(yīng)。絕緣屏障層與涂層管道之間即使具備水、土壤等電解質(zhì)環(huán)境，測試電流卻不能完全通過屏障層到達(dá)涂層缺陷位置。電屏蔽導(dǎo)致饋入管道的極化電流值往往比真實值要小，外涂層絕緣電阻率測試值偏大；

（3）土壤電阻率

表征水平定向鉆穿越管道外涂層絕緣性能優(yōu)劣的主要因素是缺陷點(diǎn)的大小和數(shù)量[6]。但鹽度較高的介質(zhì)層土壤電阻率極低，換算成標(biāo)稱外涂層絕緣電阻率R1000數(shù)值往往幾十倍甚至近百倍的增加，成為影響評價結(jié)果的關(guān)鍵性因素。另外穿越管道敷設(shè)環(huán)境通常是泥漿，泥漿的土壤電阻率與地表測試結(jié)果偏差很大；

（4）動態(tài)雜散電流

動態(tài)雜散電流大小和方向隨時變化，當(dāng)水平定向鉆穿越管道受其影響時，出入土兩端可能是雜散電流流入點(diǎn)（陰極區(qū)）、流出點(diǎn)（陽極區(qū)）或既有流入又有流出（交變區(qū)）。即使同時測試兩端的管內(nèi)電流和管地電位也不能完全消除動態(tài)雜散電流的干擾影響，測試值非真實值。

6 結(jié)語

（1）通過饋電試驗聯(lián)合電壓降法計算可知：黃河水平定向鉆穿越管道標(biāo)稱電導(dǎo)20.91μS·m-2，絕緣電阻率47824.01Ω·m2，保護(hù)電流密度5.6246μA/m2，外涂層質(zhì)量評級為“優(yōu)”，滿足GB 50254-2015的要求；

（2）水平定向鉆連頭之前需要在出土端回拖2個完整管節(jié)進(jìn)行目視檢查和電火花檢測，外涂層應(yīng)平滑、無漏點(diǎn)、無貫穿性損傷。水平定向鉆穿越管道施工過程中難免存在防腐層損傷，受限于管道埋深較深，外涂層缺陷普遍無法修復(fù)，此時應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域陰極保護(hù)并在兩端追加必要的陰極保護(hù)措施；

（3）電壓降法基于電流-電位饋電試驗法，評價影響因素較多，應(yīng)對測試參數(shù)加權(quán)處理，保證評價結(jié)果的真實、準(zhǔn)確。