穿越江河天然氣管道外腐蝕檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

戴翔，劉云軒，陳湘清，劉翔

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410117）

引言

由于穿越江河的天然氣管道會(huì)受到所處環(huán)境變化的影響，在潮流、挖沙、地質(zhì)下沉、第三方破壞等因素的影響下，河床周邊環(huán)境會(huì)發(fā)生改變，使得掩埋于河床以下的管道發(fā)生裸露，甚至懸空于河水當(dāng)中。因此，定期對(duì)穿越江河的天然氣管道進(jìn)行外腐蝕檢測(cè)意義重大。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水下穿越管道開(kāi)展外腐蝕檢測(cè)的技術(shù)手段主要包括潛水員水下作業(yè)、FieldSens技術(shù)、ONE-PASS技術(shù)、PURE技術(shù)和ROV技術(shù)。潛水員水下作業(yè)是潛水員下潛至水底進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將檢測(cè)設(shè)備和管道表面進(jìn)行接觸，這種檢測(cè)的適用范圍有限，而且檢測(cè)的條件比較苛刻不易滿(mǎn)足，同時(shí)周期無(wú)法保證，安全風(fēng)險(xiǎn)高。英國(guó)FieldSens管線(xiàn)探測(cè)儀是通過(guò)工作船拖拽接收器沿管道上方蛇形游走，水下信號(hào)接收裝置接收發(fā)射機(jī)給管道施加的電磁信號(hào)來(lái)定位管道位置，這種方法只能確定管線(xiàn)的位置。美國(guó)STARTRAK公司生產(chǎn)的ONE-PASS河流穿越管道檢測(cè)系統(tǒng)，原理是管道施加交流信號(hào)后，船載接收器在水中沿管道路由S形游走來(lái)定位管道位置，檢測(cè)結(jié)果僅能提供位置和埋深信息，且其定位深度不超過(guò)40米，也不能對(duì)陰保效果進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法滿(mǎn)足外腐蝕檢測(cè)需求。加拿大PURE公司方法屬于水面檢測(cè)技術(shù)，采用直聯(lián)回路法對(duì)管道施加交流信號(hào)，在載具上使用接收器進(jìn)行定位和測(cè)深，找到管道位置后將參比電極用探桿將其插入水中測(cè)量管地電位和電位梯度等陰保數(shù)據(jù)，該技術(shù)僅適用于流速較小、水深較淺的小型水域，管道埋深不大于20米的環(huán)境[1]。

國(guó)內(nèi)River-ROV檢測(cè)系統(tǒng)將接收器和參比電極搭載到機(jī)器人上，通過(guò)推進(jìn)器控制其移動(dòng)，可下潛到水底在河床上（更靠近管道位置）對(duì)水下穿越管段實(shí)施路由定位、防腐層破損檢測(cè)、陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)等項(xiàng)目。River-ROV檢測(cè)系統(tǒng)屬于電磁法結(jié)合密間隔電位法(CIPS)和直流電位梯度法(DCVG)等多功能水下檢測(cè)技術(shù)，可潛入水下深度50米，水底河床定位覆土深度超過(guò)40米，適用環(huán)境尤為廣泛。該系統(tǒng)已經(jīng)于2017年成功推向市場(chǎng)，并在多個(gè)特征水域?qū)嵤┝讼嚓P(guān)檢測(cè)[2]。

1 水下穿越天然氣管道外腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)

水下穿越天然氣管道檢測(cè)系統(tǒng)由江河穿越管道檢測(cè)系統(tǒng)(ROV)、管道防腐層檢測(cè)儀、密間隔管地電位檢測(cè)儀、管線(xiàn)定位儀、GPS定位儀、萬(wàn)用表、參比電極、筆記本電腦等組成，該系統(tǒng)主要是對(duì)管道定位、埋深及水深測(cè)量、陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)、管道防腐層完好性檢測(cè)和水下管道敷設(shè)環(huán)境調(diào)查。陸上埋地部分，采用防腐層檢測(cè)儀對(duì)管道進(jìn)行定位和埋深測(cè)量、同時(shí)用GPS定位儀確定管道位置坐標(biāo)，對(duì)管道防腐層進(jìn)行完好性評(píng)價(jià)，利用密間隔電位法(CIPS)檢測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)評(píng)價(jià)。

2 水下穿越天然氣管道外腐蝕檢測(cè)原理

2.1 管道定位、埋深測(cè)量

對(duì)水下穿越天然氣管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，首先需要確定管道的位置、埋深及走向，儀器測(cè)量出的管道埋深及電流值均受到管道定位精度的影響。利用有源電磁探測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)陸上及水下管道的探測(cè)。探測(cè)原理是：利用管道防腐層的發(fā)射機(jī)對(duì)管道施加交變的電流信號(hào)，在管道周?chē)a(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，使用電磁法感應(yīng)線(xiàn)圈在管道上方測(cè)量所施加信號(hào)的分布情況，依據(jù)信號(hào)分布規(guī)律可精確定位管道的位置，同時(shí)通過(guò)該信號(hào)值可以探測(cè)管道的埋設(shè)深度。

手持接收機(jī)，令機(jī)身平面與管道走向垂直，機(jī)身底部接近地面。在管道上方橫向左右移動(dòng)，以找到信號(hào)的最大響應(yīng)點(diǎn)，并停在最大響應(yīng)點(diǎn)。在獲得最大響應(yīng)的點(diǎn)上，轉(zhuǎn)動(dòng)儀器獲得最大響應(yīng)。在上述位置上再將接收機(jī)向兩側(cè)輕微移動(dòng)，找出峰值最大響應(yīng)點(diǎn)。此時(shí)接收機(jī)所在位置即是埋地管道上方，且管線(xiàn)走向與接收機(jī)機(jī)身平面成直角。標(biāo)出該點(diǎn)的確切位置，該位置就是管道所在的位置。

在峰值法上的記號(hào)點(diǎn)將接收機(jī)設(shè)置為工作谷值方式。根據(jù)左/右方向箭頭指示，在管道上面再找到一個(gè)最小響應(yīng)點(diǎn)。如果此點(diǎn)與峰值法重合，說(shuō)明管道已被精確定位；如不重合，說(shuō)明管道位置尚未“精確”地找到，或有干擾存在。兩種方法定出的位置都偏離在管道的同一側(cè)，那么該管道的真實(shí)位置應(yīng)該接近峰值法所定的位置。

圖1 定位示意圖

2.2 管道防腐層完好性檢測(cè)

管道防腐層檢測(cè)儀(DM)通過(guò)管中電流法和地面電場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)管道外防腐層的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。發(fā)射機(jī)給管道施加檢測(cè)信號(hào)電流，管道四周會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，接收機(jī)在地面管道上方跟蹤、采集該電磁信號(hào)，并測(cè)量出管道上方的電流強(qiáng)度。由于管道防腐層存在弱而穩(wěn)定的導(dǎo)電性，在管道外防腐層完好時(shí)，隨著檢測(cè)距離的增加電流強(qiáng)度呈指數(shù)衰減規(guī)律。在管徑、管材、土壤環(huán)境不變的情況下，管道的防腐層的絕緣性越好，施加在管道上的電流損失越少，衰減越慢；如果管道防腐層損壞，絕緣性變差，管道上電流損失就越嚴(yán)重，衰減就越快。通過(guò)建立評(píng)價(jià)模型計(jì)算出防腐層絕緣電阻值Rg，按表1對(duì)管道的防腐層質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

表1 外防腐層電阻率Rg值（kΩ·m2）分級(jí)評(píng)價(jià)

穿越陸地管段，一般利用交流電位梯度法(ACVG)對(duì)防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，其原理是利用管道防腐層檢測(cè)儀(DM)與A字架，通過(guò)測(cè)量土壤中交流電位梯度的變化，來(lái)對(duì)管道防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)和精準(zhǔn)定位。

穿越水下管段，一般利用直流電位梯度法(DCVG)對(duì)防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，其原理是采用衛(wèi)星同步斷流器對(duì)施加在管道上的陰極保護(hù)直流電流進(jìn)行同步通/斷，利用硫酸銅參比電極，以一定間隔測(cè)量管道上方的直流電位梯度，接近破損點(diǎn)的時(shí)候，電壓梯度就越大，管道周?chē)碾娏髅芏染驮酱螅娢灰簿驮礁?，防腐層破損面積越大，其附近的電流密度越大，介質(zhì)表面的電壓梯度也就越大；而且通過(guò)識(shí)別破損點(diǎn)處土壤中電流的方向，可識(shí)別破損點(diǎn)的腐蝕活性。

2.3 陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)

對(duì)于穿越江河的天然氣管道，管道在穿越過(guò)程中不可避免的存在外防腐層破損等缺陷，若防腐層破損嚴(yán)重，會(huì)使得管體金屬接觸土壤，從而可能造成破損處發(fā)生電化學(xué)腐蝕，威脅管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行。對(duì)于長(zhǎng)輸管道而言，按照現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，管道要求采用防腐層加外加陰極保護(hù)電流來(lái)抵抗外界環(huán)境對(duì)管道本體的腐蝕。為防止管道被外界環(huán)境腐蝕，通過(guò)對(duì)被保護(hù)的管道施加陰極保護(hù)電流，通過(guò)陰極極化使其電極電位負(fù)移至金屬的平衡電位，從而抑制金屬腐蝕，這種保護(hù)方法稱(chēng)為陰極保護(hù)。陰極保護(hù)效果會(huì)直接影響管道的使用壽命，因此，對(duì)于天然氣管道檢測(cè)，陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目。

依據(jù)GB/T21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》的要求，需要通過(guò)測(cè)量管道的通電電位和斷電電位來(lái)評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果。測(cè)量前，先在陰保站安裝同步斷流器，并設(shè)置合理的通/斷周期；測(cè)量時(shí)，首先定位管道的位置，保證硫酸銅參比電極插入管道正上方，然后沿著管道走向，以一定的間隔移動(dòng)硫酸銅參比電極，同時(shí)記錄通/斷電電位等數(shù)據(jù)，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)陰極保護(hù)有效性。鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)電位區(qū)間，電位應(yīng)位于-850mV至-1200mV（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極）之間，管道的最小保護(hù)電位需要達(dá)到-850mV。

3 水下穿越天然氣管道外腐蝕檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 檢測(cè)對(duì)象

采用水下管道檢測(cè)技術(shù)對(duì)某支線(xiàn)某河流穿越段天然氣管道進(jìn)行管道定位、水深、埋深、陰保系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。被檢管道及外防腐層材質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 被檢管道參數(shù)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

穿越陸地管段：首先，將管道防腐層檢測(cè)儀的發(fā)射機(jī)信號(hào)調(diào)至3+6+128Hz，信號(hào)強(qiáng)度調(diào)至3A，使用接收機(jī)及GPS檢測(cè)儀對(duì)兩端穿越管道陸上部分進(jìn)行定位、埋深測(cè)量，運(yùn)用交流電位梯度法(ACVG)和交變電流衰減法對(duì)陸上埋地管道進(jìn)行防腐層檢測(cè)。

利用密間隔電位法(CIPS)某河流穿越段管道陸上部分進(jìn)行陰極保護(hù)有效性檢測(cè)。⑴陰保信號(hào)調(diào)制：通過(guò)與陰保站相關(guān)負(fù)責(zé)人員的溝通，了解到某河流穿越段管道是受某站陰保系統(tǒng)保護(hù)的，因此在某站陰保系統(tǒng)中施加衛(wèi)星同步斷流器，選取1.6秒通0.9秒斷的通斷周期；⑵穿越管道北岸陸上CIPS檢測(cè)選擇從北岸測(cè)試樁連接尾線(xiàn)，自測(cè)試樁開(kāi)始一直檢測(cè)到某江邊位置，穿越管道南岸陸上CIPS檢測(cè)選擇從南岸山上的測(cè)試樁連接尾線(xiàn)，自測(cè)試樁開(kāi)始一直檢測(cè)到某江邊位置。

穿越水下管段：水下管段檢測(cè)前期把同步發(fā)射機(jī)架設(shè)在測(cè)試樁上，選取640Hz頻率，發(fā)射強(qiáng)度為5A的信號(hào)，在北岸檢測(cè)到電流信號(hào)強(qiáng)度為1.8A，南岸檢測(cè)到電流信號(hào)強(qiáng)度為1.4A，滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

隨后將ROV操作平臺(tái)架設(shè)在工作母船上，檢測(cè)機(jī)器人放入水中，作業(yè)人員通過(guò)操作平臺(tái)和臍帶纜控制檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行管道檢測(cè)?？紤]到此次檢測(cè)河流的特殊性，我們選擇將水下檢測(cè)的定位、測(cè)深過(guò)程和電位測(cè)量過(guò)程分開(kāi)進(jìn)行。

具體操作過(guò)程：管道定位、測(cè)深過(guò)程，工作母船行至穿越段管道水流上游錨住，將水下機(jī)器人ROV下水后,沿管道路由切向拖拽行進(jìn)ROV，在水面上初步確定管道位置，然后將ROV在管道下游方向沉入水底，并關(guān)閉ROV動(dòng)力系統(tǒng)，母船上的作業(yè)人員通過(guò)臍帶纜拖動(dòng)ROV直至跨過(guò)管道，此時(shí)ROV上搭載的電磁法管道定位器將對(duì)管道位置進(jìn)行精確的定位，水下機(jī)器人ROV找到管道精確位置后，在該處測(cè)量管道位置、水深、覆土深度、聲吶等數(shù)據(jù)，完成以上流程后，ROV上浮至水面獲取GPS信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置慣導(dǎo)系統(tǒng)，精確計(jì)算水下管道真實(shí)經(jīng)緯度信息，為確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性可多次進(jìn)行測(cè)量。最后通過(guò)沿管道路由按指定間距重復(fù)以上過(guò)程，完成水下管道敷設(shè)路由、埋深及水深等項(xiàng)目的探測(cè)工作。

通過(guò)對(duì)某河流穿越管道水下管道檢測(cè)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)表3 某河流穿越管道檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總表），該穿越管段未出現(xiàn)露管、懸跨現(xiàn)象；河道內(nèi)區(qū)段最小埋深為6.4m，最大埋深為7.95m，最大水深3.13m，統(tǒng)計(jì)表內(nèi)均為地表到管道中心的埋深數(shù)據(jù)，根據(jù)根據(jù)GB/T 37369-2019《埋地鋼質(zhì)管道穿跨越段檢驗(yàn)評(píng)價(jià)》的規(guī)定，管道應(yīng)埋設(shè)在洪水沖刷線(xiàn)下或規(guī)劃疏浚線(xiàn)下1.5米，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 某河流穿越管道檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

通過(guò)交流電流衰減法，采用現(xiàn)場(chǎng)采集的管中信號(hào)電流數(shù)據(jù)對(duì)各檢測(cè)段進(jìn)行外防腐層絕緣電阻計(jì)算（由于穿越段埋深逐漸增加，隨著深度變化管中電流讀數(shù)會(huì)隨之變化無(wú)法獲取管中真實(shí)電流，因此只采用穿越入土點(diǎn)附近、出土點(diǎn)附近位置埋深較淺處電流值進(jìn)行防腐層評(píng)估）。此段管道防腐層評(píng)估總長(zhǎng)度：764.7m。其中，1級(jí)：764.7m，占比：100%；2級(jí)：0m，占比：0%；3級(jí)：0m，占比：0%；4級(jí)：0m，占比：0%。防腐層綜合等級(jí)為：1級(jí)，管道防腐層平均電阻值Rg≥300 kΩ·m2。

現(xiàn)場(chǎng)使用江河穿越管道檢測(cè)系統(tǒng)(ROV)，在管道上實(shí)施陰極保護(hù)檢測(cè)，檢測(cè)裝置一端使用帶絕緣層的金屬導(dǎo)線(xiàn)與水下管線(xiàn)的測(cè)試點(diǎn)連接，導(dǎo)線(xiàn)的另一端與檢測(cè)裝置內(nèi)部的自動(dòng)電位記錄儀相連接，記錄儀的另一端和飽和的氯化銀參比電極相連構(gòu)成測(cè)量的回路。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)放置在水中時(shí)，由于水是導(dǎo)體，并且把裝置定位在管道的正上方時(shí)，可以進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)的測(cè)量，所測(cè)得的電壓即為管道的保護(hù)電位。使用該系統(tǒng)可以測(cè)量管道沿線(xiàn)的電位分布狀況，通過(guò)電位的分布狀況可以判斷管道的陰極保護(hù)狀況，并間接分析管道上防護(hù)層是否存在缺陷。

其中穿越水域管道的CIPS檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，從圖2中可以看出此次檢測(cè)的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足鋼質(zhì)管道的最小保護(hù)電位-850mV(相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極)，也滿(mǎn)足管道陰極保護(hù)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)電位區(qū)間，電位在-0.85mV至-1200mV之間。穿越段CIPS檢測(cè)結(jié)果可知，水下部分管道斷電電位最負(fù)值-1184.6mV，斷電電位最正值-854mV，平均保護(hù)電位-1001.58mV；綜上所述，由于電位變化較大，采用平均保護(hù)電位來(lái)判定穿越段管道正處于保護(hù)狀態(tài)。

表4 某河流穿越管道CIPS檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總

圖2 管道的保護(hù)電位

穿越段水下管道防腐層破損點(diǎn)檢測(cè)，用DCVG方法使用ROV水下檢測(cè)系統(tǒng)在水下管道上方河床進(jìn)行電位梯度值的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)電位梯度的大小和電流方向的變化來(lái)判斷防腐層破損點(diǎn)。根據(jù)水下河床電位梯度測(cè)量結(jié)果：電位梯度通斷差最小值為8mV，最大值210mV，未發(fā)現(xiàn)明顯破損點(diǎn)指示。

4 結(jié)論

本文介紹了穿越江河天然氣管道外腐蝕檢測(cè)技術(shù)、方法及其原理，對(duì)穿越水域天然氣管道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，通過(guò)電磁法、交變電流衰減法、交流電位梯度法(ACVG)、直流電位梯度法(DCVG)、密間隔電位法(CIPS)等先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)對(duì)穿越江河天然氣管道進(jìn)行全方位檢測(cè)，可準(zhǔn)確測(cè)量管道位置、埋深，檢測(cè)管道防腐層破損情況以及評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)有效性，為穿越江河天然氣管道檢測(cè)提供技術(shù)支持，保障了天然氣管道安全運(yùn)行。