埋地钢管外防腐层直接检测技术与方法

　　摘　要：根据多年检测地下管道外防腐层的实践经验，系统地论述了地下管道外防腐层检测前沿的几种理论方法。通过对这些理论方法和检测技术的分析，以期能对我国油气等埋地管网腐蚀评价的技术规范制定、实际管道腐蚀检测的实施、埋地管网腐蚀评价起到指导和借鉴作用。
　　关键词：外防腐层直接检测和评价；交流电流法；直流电压法
　　1、埋地钢管的腐蚀类型
　　①管道内腐蚀
　　这类腐蚀影响因素相对来说比较单一，主要受所输送介质和其中杂质的物理化学特性的影响，所发生的腐蚀也主要以电化学腐蚀为主。例如：如果所运输的天然气的湿度和含硫较高时，管道内就容易发生电化学腐蚀。对于这类腐蚀的机理研究比较成熟，管道内腐蚀所造成的结果也基本上可预知，因此处理方法也规范。比如通过除湿和脱硫，或增加缓蚀剂就可消除或减缓内腐蚀的发生。近年来随着管道业主对管道运行管理的加强以及对输送介质的严格要求，内腐蚀在很大程度上得到了控制。目前国内外长输油气管道腐蚀控制主要发展方向是在外防腐方面，因而管道检测也重点针对因外腐蚀造成的涂层缺陷及管道缺陷。
　　②管道外腐蚀
　　管道外腐蚀的原因包括外防腐层的外力破损，外防腐层的质量缺陷，钢管的质量缺陷，管道埋设的土壤环境腐蚀。
　　③管道的应力腐蚀破裂
　　管道在拉应力和特定的腐蚀环境下产生的低应力脆性破裂现象称为应力腐蚀破裂（StressCorrosionCracking，SCC），它不仅能影响到管道内腐蚀，也能影响到管道外腐蚀。关于应力腐蚀，有资料表明，截至1993年底，国内某输气公司的输气干线共发生硫化物应力腐蚀事故78起，其中某分公司的输气干线共发生硫化物应力腐蚀破裂事故28起，仅1979年8月至1987年3月间就发生12次硫化物应力腐蚀的爆管事故，经济损失超过700×104元。据国外某国11家公司对1985年至1995年间油气管道事故的统计，应力腐蚀破裂占17％。该国某公司自1977年以来，天然气和液体管道系统发生应力腐蚀破坏事故22起，其中包括12起破裂和10起泄漏事故。这些应力腐蚀为近中性应力腐蚀，是由于聚乙烯外防护层剥离和管道与水分接触造成的。
　　2、埋地钢管的防腐措施
　　目前管道的腐蚀防护采用了双重措施，即外防腐层和阴极保护。外防腐层是第一道屏障，对埋地钢管腐蚀起到约95％以上的防护作用，一旦发生局部破损或剥离，就必须保证阴极保护（CathodicProtection，CP）电流的畅通，达到防护效果。随着防腐涂层性能的降低，CP的作用会逐渐增加，但是无论如何发挥CP的作用，它都不可能替代防腐涂层对管道的保护作用。而且使用CP应注意它的负作用，CP仅在极化电位-（0.85～1.17）V这样一个很窄的电位带上起作用，一旦电位超出这个范围，就会造成阳极溶解或引起应力腐蚀破裂。
　　3、外防腐层破损的直接检测和评价
　　外防腐层破损直接检测和评价技术ECDA（ExternalCorrosionDirectAssessment）是在对埋地钢管不开挖的前提下，采用专用设备和检测方法在地面非接触性地对外防腐层破损缺陷定位，从而对管道的腐蚀状况和管道运行的安全风险进行评估。国外对这个领域的研究比较早，已经制定了相应的技术规范，从而形成了比较完善的知识体系，比如国际防腐蚀工程师协会（NACE）标准RP0502—2002和美国天然气协会（INGAA）对ECDA作了详细的要求和规定，因此具有很强的可操作性。
　　国内实施管道外防腐层检测技术始于20世纪80年代中期，随着改革开放，国外的检测设备大量引进。但是对于其理论方法和技术规范鲜有论述，致使引进的先进设备并没有发挥应有的效能。笔者认为对理论方法和技术规范的消化引进更重要，它是我们引进设备的基础，也是再创新的基础。虽然我国也制定了相应的腐蚀控制的标准，CJJ95—2003《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》、SY/T0063—1999《管道防腐层检漏试验方法》，但这些标准只涉及到了防腐层施工和埋设前的质量保证，对埋地管道外防腐层破损直接检测和评价技术没有详细规定，而这方面却又是生产运行中急需解决的问题。
　　3.1外防腐层破损直接检测和评价的步骤
　　按照国际防腐蚀工程师协会（NACE）标准RP0502—2002的要求，ECDA的总体技术要求是对于腐蚀已经发生、正在发生和将要发生的敏感管段能做出预测。在实际应用时，为达到此目标，要进行如下4个操作步骤。
　　①预评价（Pre.Assessment）
　　收集敏感管道的历史资料及管道特征，并对这些资料进行评估。在所搜集的管道资料的基础上，制定ECDA的可行性方案，按相似条件的管段划分不同的区域，在这些区域内采用的检测仪器要相同，以保证结果的可比性。
　　②非接触测量（IndirectInspection）
　　采用2种或2种以上的地面外防腐层破损检测技术，比如：密间隔电位法（CloseIntervalPotentialSurvey，CIPS）、直流电压梯度法（DirectCurrentVoltageGradient，DCVG）、交流电压梯度法（AlternatingCurrentVoltageGradient，ACVG）、交流电流衰减法（ACAttenuation），用以检测管道的腐蚀行为和查找外防腐层的破损点。系统地分析以上方法所取得的数据，得出高风险区域的开挖修复的准确信息。
　　③直接开挖验证（DirectExamination）
　　选定开挖的现场，实际识别出破损点，并决定是修复还是更换管道。
　　④后评价（PostAssessment）
　　对ECDA的以上3个步骤做出总结，建立起评价模型，以便指导将来的管道安全维护。
　　3.2外防腐层破损的检测方法
　　3.2.1交流电流法
　　交流电流法在国际上通常被称为皮尔逊检测法（PearsonSurvey）。其基本原理是：当用一个信号发射机把特定频率的交流信号通过导线施加在金属管道上时，这种特定频率的交流信号就会沿管道向前传播，并在无穷远处与发射机的地线形成回路。如果管道的外防腐层完好，由于管道电阻的原因，管道中交流信号是沿程均匀衰减的；如果管道的外防腐层有破损或绝缘不好，在外防腐层破损点便会有电流泄漏入土壤中，这样如果沿程测量管道中的电流信号，在破损点附近，就会有一个管中电流的陡降；同时在管道破损点和土壤之间也会形成电压差，且在接近破损点的部位电压差最大，用仪器在埋设管道的地面上可检测到这种电流或电位异常，即可发现管道外防腐层破损点。
　　特别指出的是，皮尔逊检测是一种检测方法和基本原理，不是具体的某种设备，把基于以上原理的检测设备与一种检测方法混为一谈是不恰当的。皮尔逊检测法最大的特点是向管道施加特定频率的交流信号，然后在防腐层破损点检测到电流或者电压的异常。
　　基于以上原理，不同的厂家开发出各具特色的产品，这些产品的区别主要在于采用的信号频率不同和接收天线数目和布局不同，目前主流的检测设备有以下两种。
　　①C-扫描设备
　　该设备接收机采用5根垂直阵列天线，提高了管道定位精度，具有自动识别干扰信号并提示的能力。C-扫描采用的交流信号是单一的937.5Hz交流信号。
　　该设备能够方便地确定被测管道位置或防腐层缺陷位置。在测试过程中自动记录、处理和储存检测数据，现场显示各种检测曲线，可现场评判防腐层性能，并具备数据结果存储和进一步分析评价的能力。其缺点是设备价格昂贵，稍高的信号频率易受外界电磁杂波的干扰，并且一旦受到干扰，由于设备只有一种频率，很难避开干扰。另外，C-扫描没有测量破损点电压异常的附件。
　　②管中电流法测绘设备
　　管中电流法测绘设备（PipeCurrentMapping，PCM）的最大特点是施加“准直流”的4Hz交流信号作为防腐层破损检测的测绘信号，并有128/640Hz的定位信号。接收机天线采用经典的双水平天线和单竖直天线，既可按峰值（双水平天线）也可按零值（单竖直天线）定位。PCM能够通过A字架测量破损点的跨步电压（SetVoltage）异常。PCM具有数据存储功能，数据可以用国内开发出的相应评价软件分析。PCM具有较大的市场占有率。PCM的缺点是发射机不带电源，在野外操作不方便。
　　与PCM类似的产品还有德国FerrophonEL/G1设备。其最大的特点是接收机能够直接接收阴极保护的信号，因此对有阴极保护的管道定位十分方便。它把1.1kHz交流信号作为防腐层破损检测的测绘信号，并有42/10kHz的定位信号，接收机天线也是采用经典的双水平天线和单竖直天线，既可按峰值（双水平天线）也可按零值（单竖直天线）定位。它也能够通过A字架测量破损点的跨步电压异常。其优点是价格低，缺点是数据不能存储。
　　基于皮尔逊检测法的设备，由于接收机轻便，检测速度较快，自带信号发射机，可以检测没有阴极保护（CP）的管道，因此目前国内仍较普遍使用，受现场检测人员的欢迎。但是这些设备使用局限性也很大：操作者的经验技能特别重要，没有现场经验的人不易查找到涂层缺陷的位置，或者是常给出不存在的缺陷信息；很难指示涂层剥离但管道不漏铁的破损点；不能指示CP效率，易受地电场干扰。
　　3.2.2直流电压法
　　外防腐层破损检测和管道腐蚀状态评价的另一个前沿研究领域就是直流电压梯度法（DCVG），其特点是利用现有的阴极保护直流信号或临时向管道施加直流信号，然后在防腐层破损点检测到管对地极化电压的异常，从而确定破损点和破损程度。而采用密间隔电位法（CIPS）全面测量，有助于评估管道整体阴极保护的情况。这两种技术的结合（DCVG+CIPS）代表了这一领域的发展方向，也符合国际防腐蚀工程师协会（NACE）标准RP0502—2002的基本要求。
　　①密间隔电位测量法
　　密间隔电位法CIPS主要用于测定CP系统的效果，间接反映防腐涂层状况。CIPS法沿管道以间隔1.0～1.5m采集数据，绘制连续的开/关管地电位曲线图，反映管道全线阴极保护电位情况。当防腐层某处存在缺陷时，该处电流密度增大，使保护电位正向偏移，当这种偏移达到一定数量，在地表就可检测到，当电位（铜/硫酸铜参比电极）低于-850mV时，管道就会发生腐蚀。
　　CIPS法不能检出涂层破损的准确位置，实际上是一种管地电位检测技术并非涂层缺陷检测技术，涂层状况是通过电位分析获得的，因此通常要与DCVG配合使用。用CIPS判定CP不足或过保护具有独到之处。
　　②直流电压梯度法
　　直流电压梯度法（DCVG）是由JohnMulvaney在澳大利亚首先提出，最初应用在通信电缆外护套破损的确定，而后广泛地应用在埋地钢管外防腐层破损的直接检测和评价领域，至今已经有逾30a历史。其基本原理是当把一个直流信号（比如阴极保护信号）施加到带防腐层的管道上，就能在管道的防腐层破损点裸露的管体和大地之间，由于土壤的电阻作用，建立起电压梯度，即土壤的电压降ΔU.依据土壤的电压降占管道对地电压的百分比来计算涂层缺陷的大小和破损点的严重程度，越靠近管道的破损点电压的梯度越大，流失的电流也越大。其判断标准为：小破损点：（0～15％）ΔU；中破损点：（16％一35％）ΔU；大破损点：（36％～100％）ΔU.
　　依据此原理，直流电压梯度法使用高灵敏度的电压表头在管道防腐层破损点上方的地面上测量两个铜/硫酸铜半电池电极的电位差。如果在一个电压降之内两个电极有一段距离（1～2m），一个半电池电位比另一个电位要高，这样就可以确定电位梯度的大小和电流的方向。
　　为了更容易区分管道上其他直流信号，如长线电池、杂散电流以及其他阴极保护系统，应用直流电压梯度法测量时，要通过特殊设计的中断器，以1/3S（开）和2/3S（关）的比例，向管道施加一种不对称的直流信号。这种直流信号可以从现有的阴极保护系统起点的变压整流器（T/R）上注入。如果管道不带阴极保护，则可以在管道的测试中，用电池或直流发电机临时建立这种系统。
　　测量时把一个电极探头放在管道正上方，另一个探头放在管道的一侧，两探头相隔1～2m，沿管道走向每隔一定的距离测量一组数据。如果测量到离防腐层破损点足够近，就可以检测到直流电压梯度，并且越接近破损点，高灵敏度的表头对开/关（ON/OFF）脉冲电流反应越强烈，越过最强点后，电压降逐渐减少，退回以不同的角度重做圆形探测，两个电极探头电位平衡点之间中点就是破损点中心。
　　先进的DCVG检测设备带有数据存储功能和GPS引擎，既能存储测量数据，也能存储地理坐标（经纬度）数据。所有这些数据都能传输到计算机中，专用的分析软件可直观地显示测量结果和防腐层异常情况。这方面的专业设备和软件的开发，是我们今后的一个发展方向。
　　DCVG法对于准确确定破损点位置和破损的程度非常有效，但要全面掌握管道的腐蚀情况，还要用CIPS法对管道阴极保护状态进行测量。
　　现在国际上最前沿的技术是把直流电压梯度法和密间隔电位测量法结合起来使用，即DCVG+CIPS技术。一旦对选定的管道作一系列这样的检测，就能够对破损点的严重程度和整个管道的腐蚀状况作一个评估。
　　4、结论
　　①只有对所有的检测方法有了清晰系统的认识，才能结合实际选择合适的方法或者方法组合。每一种检测技术都有它的优点和局限性，了解各种检测技术的局限性有助于现场人员提高检测效率。选择那一种技术最好，完全由用户的认识决定。
　　②任何检测方案的实施，都需要有科学的理论指导。希望国外的外防腐层涂层破损直接检测和评价技术能够对我国相关技术规范的修订起到借鉴作用。只注重设备的引进，而不注重相应的技术方法和规范的引进、消化、吸收，设备也不能发挥应有的作用。
　　③目前我国在这一领域基本上处于设备引进和应用阶段。引进、消化和自主创新是赶超国外先进水平的必由之路，为此我们期待着在自主研发具有国际水平的检测设备和开发具有独立知识产权的埋地管网腐蚀评价软件这两个方面与业内同仁进行合作创新。