埋地鋼管外防腐層直接檢測技術與方法

1、埋地鋼管外防腐層直接檢測技術與方法摘要：根據(jù)多年檢測地下管道外防腐層的實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)地論述了地下管道外防腐層檢測前沿的幾種理論方法。通過對這些理論方法和檢測技術的分析，以期能對我國油氣等埋地管網(wǎng)腐蝕評價的技術規(guī)范制定、實際管道腐蝕檢測的實施、埋地管網(wǎng)腐蝕評價起到指導和借鑒作用。關鍵詞：外防腐層直接檢測和評價；交流電流法；直流電壓法1 埋地鋼管的腐蝕類型 管道內腐蝕這類腐蝕影響因素相對來說比較單一，主要受所輸送介質和其中雜質的物理化學特性的影響，所發(fā)生的腐蝕也主要以電化學腐蝕為主。例如：如果所運輸?shù)奶烊粴獾臐穸群秃蜉^高時，管道內就容易發(fā)生電化學腐蝕。對于這類腐蝕的機理研究比較成熟，管道內腐蝕所

2、造成的結果也基本上可預知，因此處理方法也規(guī)范。比如通過除濕和脫硫，或增加緩蝕劑就可消除或減緩內腐蝕的發(fā)生。近年來隨著管道業(yè)主對管道運行管理的加強以及對輸送介質的嚴格要求，內腐蝕在很大程度上得到了控制。目前國內外長輸油氣管道腐蝕控制主要發(fā)展方向是在外防腐方面，因而管道檢測也重點針對因外腐蝕造成的涂層缺陷及管道缺陷。 管道外腐蝕管道外腐蝕的原因包括外防腐層的外力破損，外防腐層的質量缺陷，鋼管的質量缺陷，管道埋設的土壤環(huán)境腐蝕。 管道的應力腐蝕破裂管道在拉應力和特定的腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應力脆性破裂現(xiàn)象稱為應力腐蝕破裂 (stresscorrosioncracking，scc)，它不僅能影響到管道內腐

3、蝕，也能影響到管道外腐蝕。 關于應力腐蝕，有資料表明，截至 1993 年底，國內某輸氣公司的輸氣干線共發(fā)生硫化物應力腐蝕事故78 起，其中某分公司的輸氣干線共發(fā)生硫化物應力腐蝕破裂事故28 起，僅 1979 年 8月至 1987 年 3 月間就發(fā)生 12 次硫化物應力腐蝕的爆管事故，經(jīng)濟損失超過 700×104元。據(jù)國外某國 11 家公司對 1985 年至 1995 年間油氣管道事故的統(tǒng)計，應力腐蝕破裂占 17。該國某公司自 1977 年以來，天然氣和液體管道系統(tǒng)發(fā)生應力腐蝕破壞事故 22 起，其中包括 12 起破裂和 10 起泄漏事故。這些應力腐蝕為近中性應力腐蝕，是由于聚乙烯外防

4、護層剝離和管道與水分接觸造成的。2 埋地鋼管的防腐措施目前管道的腐蝕防護采用了雙重措施，即外防腐層和陰極保護。外防腐層是第一道屏障，對埋地鋼管腐蝕起到約95以上的防護作用，一旦發(fā)生局部破損或剝離，就必須保證陰極保護(cathodicprotection ，cp)電流的暢通，達到防護效果。隨著防腐涂層性能的降低，cp 的作用會逐漸增加，但是無論如何發(fā)揮cp 的作用，它都不可能替代防腐涂層對管道的保護作用。而且使用cp 應注意它的負作用， cp 僅在極化電位-(0.851.17)v 這樣一個很窄的電位帶上起作用，一旦電位超出這個范圍，就會造成陽極溶解或引起應力腐蝕破裂。3 外防腐層破損的直接檢測和

5、評價外防腐層破損直接檢測和評價技術ecda(externalcorrosiondirectassessment)是在對埋地鋼管不開挖的前提下，采用專用設備和檢測方法在地面非接觸性地對外防腐層破損缺陷定位，從而對管道的腐蝕狀況和管道運行的安全風險進行評估。國外對這個領域的研究比較早，已經(jīng)制定了相應的技術規(guī)范，從而形成了比 較完善 的知識體 系，比 如國際 防腐 蝕工程師協(xié)會 (nace)標 準 rp05022002 和美國天然氣協(xié)會 (ingaa)對 ecda 作了詳細的要求和規(guī)定，因此具有很強的可操作性。國內實施管道外防腐層檢測技術始于 20 世紀 80 年代中期，隨著改革開放，國外的檢測設備

6、大量引進。但是對于其理論方法和技術規(guī)范鮮有論述，致使引進的先進設備并沒有發(fā)揮應有的效能。筆者認為對理論方法和技術規(guī)范的消化引進更重要，它是我們引進設備的基礎，也是再創(chuàng)新的基礎。雖然我國也制定了相應的腐蝕控制的標準， cjj952003 城 鎮(zhèn) 燃 氣 埋 地 鋼 質 管 道 腐 蝕 控 制 技 術 規(guī) 程 、sy/t00631999管道防腐層檢漏試驗方法 ，但這些標準只涉及到了防腐層施工和埋設前的質量保證，對埋地管道外防腐層破損直接檢測和評價技術沒有詳細規(guī)定，而這方面卻又是生產(chǎn)運行中急需解決的問題。31 外防腐層破損直接檢測和評價的步驟按照國際防腐蝕工程師協(xié)會 (nace)標準 rp05022

7、002 的要求， ecda 的總體技術要求是對于腐蝕已經(jīng)發(fā)生、正在發(fā)生和將要發(fā)生的敏感管段能做出預測。在實際應用時，為達到此目標，要進行如下 4 個操作步驟。 預評價 (preassessment)收集敏感管道的歷史資料及管道特征，并對這些資料進行評估。在所搜集的管道資料的基礎上，制定 ecda 的可行性方案，按相似條件的管段劃分不同的區(qū)域，在這些區(qū)域內采用的檢測儀器要相同，以保證結果的可比性。 非接觸測量 (indirectinspection)采用 2 種或 2 種以上的地面外防腐層破損檢測技術，比如：密間隔電位 法 (closeintervalpotentialsurvey ， cips

8、) 、 直 流 電 壓 梯 度 法 (directcurrentvoltagegradient ， dcvg) 、 交 流 電 壓 梯 度 法 (alternatingcurrentvoltagegradient ， acvg) 、 交 流 電 流 衰 減 法(acattenuation)，用以檢測管道的腐蝕行為和查找外防腐層的破損點。系統(tǒng)地分析以上方法所取得的數(shù)據(jù)，得出高風險區(qū)域的開挖修復的準確信息。 直接開挖驗證 (directexamination)選定開挖的現(xiàn)場，實際識別出破損點，并決定是修復還是更換管道。 后評價 (postassessment)對 ecda 的以上 3 個步驟做出總

9、結，建立起評價模型，以便指導將來的管道安全維護。32 外防腐層破損的檢測方法321 交流電流法交流電流法在國際上通常被稱為皮爾遜檢測法 (pearsonsurvey)。其基本原理是：當用一個信號發(fā)射機把特定頻率的交流信號通過導線施加在金屬管道上時，這種特定頻率的交流信號就會沿管道向前傳播，并在無窮遠處與發(fā)射機的地線形成回路。如果管道的外防腐層完好，由于管道電阻的原因，管道中交流信號是沿程均勻衰減的；如果管道的外防腐層有破損或絕緣不好，在外防腐層破損點便會有電流泄漏入土壤中，這樣如果沿程測量管道中的電流信號，在破損點附近，就會有一個管中電流的陡降；同時在管道破損點和土壤之間也會形成電壓差，且在接

10、近破損點的部位電壓差最大，用儀器在埋設管道的地面上可檢測到這種電流或電位異常，即可發(fā)現(xiàn)管道外防腐層破損點。特別指出的是，皮爾遜檢測是一種檢測方法和基本原理，不是具體的某種設備，把基于以上原理的檢測設備與一種檢測方法混為一談是不恰當?shù)?。皮爾遜檢測法最大的特點是向管道施加特定頻率的交流信號，然后在防腐層破損點檢測到電流或者電壓的異常?；谝陨显恚煌膹S家開發(fā)出各具特色的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的區(qū)別主要在于采用的信號頻率不同和接收天線數(shù)目和布局不同，目前主流的檢測設備有以下兩種。c-掃描設備該設備接收機采用5 根垂直陣列天線，提高了管道定位精度，具有自動識別干擾信號并提示的能力。c-掃描采用的交流信號是

11、單一的937.5hz 交流信號。該設備能夠方便地確定被測管道位置或防腐層缺陷位置。在測試過程中自動記錄、處理和儲存檢測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場顯示各種檢測曲線，可現(xiàn)場評判防腐層性能，并具備數(shù)據(jù)結果存儲和進一步分析評價的能力。其缺點是設備價格昂貴，稍高的信號頻率易受外界電磁雜波的干擾，并且一旦受到干擾，由于設備只有一種頻率，很難避開干擾。另外， c-掃描沒有測量破損點電壓異常的附件。 管中電流法測繪設備管中電流法測繪設備 (pipecurrentmapping，pcm)的最大特點是施加 “準直流 ”的 4hz 交流信號作為防腐層破損檢測的測繪信號， 并有 128/640hz 的定位信號。接收機天線采用經(jīng)典的雙

12、水平天線和單豎直天線，既可按峰值 (雙水平天線 )也可按零值 (單豎直天線 )定位。 pcm 能夠通過 a 字架測量破損點的跨步電壓 (setvoltage)異常。pcm 具有數(shù)據(jù)存儲功能， 數(shù)據(jù)可以用國內開發(fā)出的相應評價軟件分析。 pcm 具有較大的市場占有率。 pcm 的缺點是發(fā)射機不帶電源，在野外操作不方便。與 pcm 類似的產(chǎn)品還有德國ferrophonel/g1 設備。其最大的特點是接收機能夠直接接收陰極保護的信號，因此對有陰極保護的管道定位十分方便。它把1.1khz 交流信號作為防腐層破損檢測的測繪信號，并有42/10khz 的定位信號，接收機天線也是采用經(jīng)典的雙水平天線和單豎直天

13、線，既可按峰值 (雙水平天線 )也可按零值 (單豎直天線 )定位。它也能夠通過a 字架測量破損點的跨步電壓異常。其優(yōu)點是價格低，缺點是數(shù)據(jù)不能存儲?；谄栠d檢測法的設備，由于接收機輕便，檢測速度較快，自帶信號發(fā)射機，可以檢測沒有陰極保護(cp)的管道，因此目前國內仍較普遍使用，受現(xiàn)場檢測人員的歡迎。但是這些設備使用局限性也很大：操作者的經(jīng)驗技能特別重要，沒有現(xiàn)場經(jīng)驗的人不易查找到涂層缺陷的位置，或者是常給出不存在的缺陷信息；很難指示涂層剝離但管道不漏鐵的破損點；不能指示cp 效率，易受地電場干擾。322 直流電壓法外防腐層破損檢測和管道腐蝕狀態(tài)評價的另一個前沿研究領域就是直流電壓梯度法 (d

14、cvg)，其特點是利用現(xiàn)有的陰極保護直流信號或臨時向管道施加直流信號，然后在防腐層破損點檢測到管對地極化電壓的異常，從而確定破損點和破損程度。 而采用密間隔電位法 (cips)全面測量，有助于評估管道整體陰極保護的情況。這兩種技術的結合(dcvg+cips)代表了這一領域的發(fā)展方向，也符合國際防腐蝕工程師協(xié)會(nace)標準rp05022002 的基本要求。 密間隔電位測量法密間隔電位法 cips 主要用于測定 cp 系統(tǒng)的效果， 間接反映防腐涂層狀況。 cips 法沿管道以間隔1.01.5m 采集數(shù)據(jù)，繪制連續(xù)的開/ 關管地電位曲線圖，反映管道全線陰極保護電位情況。當防腐層某處存在缺陷時，該

15、處電流密度增大，使保護電位正向偏移，當這種偏移達到一定數(shù)量，在地表就可檢測到，當電位(銅/ 硫酸銅參比電極 )低于 -850mv時，管道就會發(fā)生腐蝕。cips 法不能檢出涂層破損的準確位置， 實際上是一種管地電位檢測技術并非涂層缺陷檢測技術，涂層狀況是通過電位分析獲得的，因此通常要與 dcvg 配合使用。用 cips 判定 cp 不足或過保護具有獨到之處。 直流電壓梯度法直流電壓梯度法 (dcvg)是由 johnmulvaney 在澳大利亞首先提出， 最初應用在通信電纜外護套破損的確定，而后廣泛地應用在埋地鋼管外防腐層破損的直接檢測和評價領域，至今已經(jīng)有逾 30a 歷史。其基本原理是當把一個直

16、流信號 (比如陰極保護信號 )施加到帶防腐層的管道上， 就能在管道的防腐層破損點裸露的管體和大地之間，由于土壤的電阻作用，建立起電壓梯度，即土壤的電壓降 u。依據(jù)土壤的電壓降占管道對地電壓的百分比來計算涂層缺陷的大小和破損點的嚴重程度，越靠近管道的破損點電壓的梯度越大， 流失的電流也越大。 其判斷標準為：小破損點：(015) u；中破損點：(16一 35) u；大破損點：(36100) u。依據(jù)此原理，直流電壓梯度法使用高靈敏度的電壓表頭在管道防腐層破損點上方的地面上測量兩個銅 / 硫酸銅半電池電極的電位差。如果在一個電壓降之內兩個電極有一段距離 (12m)，一個半電池電位比另一個電位要高，這

17、樣就可以確定電位梯度的大小和電流的方向。為了更容易區(qū)分管道上其他直流信號，如長線電池、雜散電流以及其他陰極保護系統(tǒng)，應用直流電壓梯度法測量時，要通過特殊設計的中斷器，以 1/3s(開)和 2/3s(關)的比例，向管道施加一種不對稱的直流信號。這種直流信號可以從現(xiàn)有的陰極保護系統(tǒng)起點的變壓整流器 (t/r) 上注入。如果管道不帶陰極保護，則可以在管道的測試中，用電池或直流發(fā)電機臨時建立這種系統(tǒng)。測量時把一個電極探頭放在管道正上方， 另一個探頭放在管道的一側，兩探頭相隔 12m，沿管道走向每隔一定的距離測量一組數(shù)據(jù)。如果測量到離防腐層破損點足夠近，就可以檢測到直流電壓梯度，并且越接近破損點，高靈敏

18、度的表頭對開 /關 (on/off) 脈沖電流反應越強烈，越過最強點后，電壓降逐漸減少，退回以不同的角度重做圓形探測，兩個電極探頭電位平衡點之間中點就是破損點中心。先進的 dcvg 檢測設備帶有數(shù)據(jù)存儲功能和 gps 引擎，既能存儲測量數(shù)據(jù)，也能存儲地理坐標 (經(jīng)緯度 )數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都能傳輸?shù)接嬎銠C中，專用的分析軟件可直觀地顯示測量結果和防腐層異常情況。這方面的專業(yè)設備和軟件的開發(fā)，是我們今后的一個發(fā)展方向。dcvg 法對于準確確定破損點位置和破損的程度非常有效，但要全面掌握管道的腐蝕情況，還要用 cips 法對管道陰極保護狀態(tài)進行測量?，F(xiàn)在國際上最前沿的技術是把直流電壓梯度法和密間隔電位測量法結合起來使用，即 dcvg+cips技術。一旦對選定的管道作一系列這樣的檢測，就能夠對破損點的嚴重程度和整個管道的腐蝕狀況作一個評估。4 結論 只有對所有的檢測方法有了清晰系統(tǒng)的認識，才能結合實際選擇合適的方法或者方法組合