埋地管道外防腐蝕層檢測技術

張煒強 郭曉男 陳圣乾 李彥醇 盧新鵬

(中海油能源發展股份有限公司上海采油技術服務分公司,上海 200032)

埋地管道外防腐蝕層檢測技術

張煒強 郭曉男 陳圣乾 李彥醇 盧新鵬

(中海油能源發展股份有限公司上海采油技術服務分公司,上海 200032)

介紹了國內外管道外防腐蝕層缺陷檢測的幾種檢測技術,包括多頻管中電流衰減法(PCM),Pearson法、標準管地電位法、近間距電位法、電流梯度法、直流電位梯度法等,重點介紹了PCM技術的檢測原理及其在檢測過程中的主要影響因素和注意事項。

埋地管道 防腐蝕層 檢測技術

腐蝕是在役管道失效中最常見的問題之一,當防腐蝕層因老化、剝離及破損等缺陷形式破壞后,管道主體會逐漸發生腐蝕,甚至造成腐蝕穿孔、應力腐蝕開裂等嚴重事故。埋地管道防腐層檢測是一種經濟可行的管道外防腐蝕絕緣性評價方法,它能有效地檢測出埋地管道外壁防腐蝕層破損情況,在不開挖管道的情況下找到管道外壁防腐蝕層破損點并評估管道外防腐蝕層總體狀況,對管道大修和改造方案的制定以及輸油、輸氣等管道的安全生產具有重要的意義。

1 管道外防腐蝕層檢測技術

1.1 多頻管中電流衰減法(PCM)

PCM系統分為兩部分,超大功率發射機向管道供入一個頻率接近直流的電信號,手提式接收機沿管線路由進行管道定位、管中信號電流的測量。當管道防腐蝕層性能均勻時,管中電流的數值與距離成線性關系,其電流衰減率取決于涂層的絕緣電阻,根據電流衰減率的大小變化可評價防腐蝕涂層的絕緣質量。若存在電流異常衰減段,則可認為存在電流的泄漏點,再使用 A字架檢驗地表電位梯度,即可對涂層破損點進行精確定位。該法適合于埋地鋼管防腐蝕層質量檢測評價、破損點定位、破損點大小估計、管線走向及埋深檢測、搭接定位檢測以及陰極保護系統有效性檢測。操作簡單,廣泛應用于管道檢測工作。

1.2 Pearson法

該方法是以 1940年技術發明人 Pearson命名的檢測法,也稱電壓差法。在管道與大地之間施加的交變信號通過管道防腐蝕層的破損點時會流失到大地土壤中,因而電流密度隨著遠離破損點的距離而減小,在破損點的上方地表面形成了一個交流電壓梯度,通過接收器接收涂層缺陷部位漏到大地的電壓梯度,來確定缺陷部位[1]。

1.3 標準管/地電位檢測法(P/S)

這是一種為了控制管道外壁腐蝕,監控陰極保護效果的測試技術?？捎脕砹私怅帢O保護系統及管道防腐蝕層的狀況。其特點是能在陰極保護系統運行狀態下,沿管線測量測試樁處的管地電位。通常是在陰極保護狀態下,間隔 1～1.5 km沿管道布置的測試點處測量管對地電位。但在某一測試點測得的電位值是靠近測試點布置的參比電極附近的若干防腐蝕層缺陷電位的綜合值。

1.4 近間距電位測量法(CIPS)

與標準管/地電位檢測相似,主要用來評估管道沿線陰極保護狀態與受雜散電流干擾情況,同時能發現涂層漏點。它由 1個高靈敏的毫伏表、1個Cu/CuSO4半電池探杖以及 1個尾線輪組成。測量時,在陰極保護電源輸出線上串接斷流器,斷流器以一定的周期斷開或接通陰極保護電流,采集器能自動記錄保護電位和自然電位。通過 CIPS的檢測結果可以很直觀地判斷陰極保護的有效性。

1.5 電流梯度檢測法(ACVG)

對管道施加一個交流電流信號,通過沿管道檢測該電流信號在管道中的衰減狀況,來確定防腐蝕層破損位置。沿管道流動的電流信號大小取決于管道的自身性質與管道防腐蝕層狀況,當管道防腐蝕層狀況良好時,電流信號將按一恒定的衰減率減小。當防腐蝕層有破損時,由于管道與大地土壤直接接觸,信號電流將由此大量流出管道,造成沿管道流動的信號電流衰減率突增,電流信號突然減小,由此來確定管道防腐蝕層破損位置。

1.6 直流電位梯度法(DCVG)

當直流信號加到管道上時,由于防腐蝕層的破損處與土壤間的電阻比防腐蝕層完整處與土壤間的電阻要小,故流經管道破損處的電流較大,因而在土壤中便產生了一個電位梯度場。防腐蝕層破損面積越大,電流越大,電位梯度也越大、越集中。一般電位梯度與裸漏面積成正比。直流電位梯度法就是采用高阻抗毫伏表測量地面上位于電位梯度場內的兩參比電極間的電位差。參比電極之間的極性可用來確定產生所得電位梯度電流的方向。追蹤電流的軌跡可確定缺陷的位置。該方法能準確地查出防腐蝕層的破損位置,可估算缺陷大小,并通過通斷之間電位差判定缺陷的嚴重程度。DCVG測試技術是最準確的管道防腐蝕層缺陷定位技術之一,在國外已經得到廣泛應用,而在國內埋地管道防腐蝕層缺陷檢測中的研究和應用尚處在起步階段[2]。

1.7 變頻 -選頻法

變頻 -選頻法是向地下金屬防腐蝕管道施加一個電信號,通過測量電信號的傳輸衰耗求出管道防腐蝕層的絕緣電阻值?？捎糜谶B續管道中任意長管段絕緣電阻的測量,適用于長輸管道防腐蝕層質量檢測,在陰極保護設計、保護效果評估等方面也是一項實用技術。該技術已在東北、京秦、大港、中原、華東、四川等地的輸油 (氣)管道及北京、成都、大連的城市煤氣管道中得到應用,取得了良好的社會效益及經濟效益[3]。

1.8 電火花檢測法

利用電火花檢測儀器對各種導電基體防腐蝕層表面施加一定量的脈沖高壓,當防腐蝕層有質量問題(如針孔、氣泡和裂紋)時,脈沖高壓經過就會形成氣隙擊穿而產生火花放電,同時給報警電路送去一脈沖信號,使報警器報警,從而達到檢測防腐蝕層的目的。由于是用蓄電池供電,故電火花檢測法特別適用于野外作業。

2 多頻管中電流衰減技術(PCM技術)

2.1 PCM系統的組成

目前國內外常用的檢測儀器是英國雷迪公司的 RD-PCM,以此為例,主要有發射機、接收機、強磁力儀 (磁靴)、A字架 (精確定位)、地極、可充電式 24 V蓄電池、管道檢測數據處理軟件等構成。

2.2 PCM檢測技術的基本原理

向管道施加LT和 ELF(4 Hz和 128 Hz)幾種單頻和混合頻率的電流,對施加在管道上的電流進行追蹤。電流在管道走向傳送過程中,在管道周圍形成電磁場,電流的衰減變化與管道的外防腐蝕層損壞狀況有關[4]。衰減變化關系式為:

式中:I——為管道任一點電流值A;

I0——為發射供電點電流值 A;

x——為測量點離供電點距離m;

a——為衰減系數,與防腐蝕層、管道材質有關。

電流強度的對數與距離構成電流衰減曲線,管道防腐蝕層均勻,電流下降較小,電流強度的對數與距離成線性關系,其斜率取決于防腐蝕層的電阻率和單位距離的衰減率[5]。單位距離的電流變化率與距離之間的關系是一條水平直線,即 Y=In(I1-I2)/X。式中:Y為單位距離管道中電流變化率(dB/km或 dB/m);X為檢測管道電流兩點間的距離(km或 m);I1為檢測管道中前點的電流強度值(A);I2為檢測管道中后點的電流強度值。

當管道防腐蝕層整體狀況較差時,電流衰減較大;當管道上存在泄漏點時,該處的電流向管外傳播,電流強度陡降。通過連續測量,根據相應解釋處理軟件分析電流衰減變化規律,對管道防腐蝕層進行評估,結合“A”字架可確定破損點的位置。

2.3 PCM檢測過程的注意事項

(1)收集并查看被檢測管道的原始資料:熟悉管道的分布、管道運行狀況、穿跨越地段、被檢管道區域內的其他管線分布、閥門、管線陰極保護測試樁及其他一些相關信息。

(2)地極的選擇:接地極一般打在垂直管道方向 30～50 m以外的地方,地極不能接在其他管道或金屬構架之上,以免信號傳入測量區產生干擾。接好地極之后,應檢查接地回路電阻,回路電阻應在數十至數百Ω之間。

(3)信號接入點的選擇:原則是盡量使管道上有較強的信號電流,使相鄰伴行管線上盡量沒有信號,或使其它管線上的信號最小。當被檢管道有多個供入點可供選擇時,要盡量選擇管道分布最稀疏、防護層狀況較好的位置?？拷盘栞斎朦c的附近位置不能進行檢測,至少應該在 10 m以外。

(4)發射機的使用:管線檢測的工作頻率一般選用 128HZ,檢測電流一般選用 300 mA。

(5)“A字架”的使用:當用“A字架”對可疑管段進行復測時,在破損點附近,接收機面板讀數一般在 40～60 dB,漏點很大時可能大于 70 dB。以1 m的間隔沿管線的走向進行檢測,則 dB值讀數上升后,短暫下降,又上升,之后數值會逐漸下降;當箭頭改變方向,說明破損點就在附近位置,然后重新以更小的間隔進行前后檢測,直到找到電流方向的變化點、毫伏分貝讀數最低的位置,此時可以肯定破損點就在“A字架”的中點位置。

(6)管道檢測過程:測量過程中增益一般保持在小于、等于 75,過大或過小,都會影響檢測的精度。用峰值探測管線的位置和方向,用零值進一步驗證管線位置,當峰零值定位基本重合時,說明管線附近沒有其他管線的干擾或者干擾很小,當峰零位置不一致時 (峰零值所定的管線位置間隔大于20 cm時),表示被檢管線存在干擾,此時的峰零值點均不能準確指示管線的位置,實際的管線在靠近峰值的一側,且是在峰零值間距一半靠近峰值一側的位置上。對于有三通的管線,首先確定主管線的路徑并做標記,再以一定間距讀取信號電流值,在出現電流衰減的管段探測支管出現的位置,具體做法為旋轉接收機 90度,距離管線 3 m以外進行搜索,即可發現支管上的信號,從而確定支管出現的位置,而對三通進行檢測時,最可靠的方法是將發射機信號加在支管上,信號電流由支管流到主管線上,然后由三通點向主管線的兩個方向傳導,令接收機的寬面與主管線成直角,搜索該信號,主管線上的三通分支點處將顯現零值。管道拐彎的檢測方法:首先沿管線追蹤檢查,當檢測到管線拐點處,則繼續沿剛剛追蹤管線的路由向前就檢測不到管線,在管道信號消失處,做半徑為 5 m的圓形搜索,可確定管線拐向。

(7)防護層缺陷的判定和定位:防護層質量分為局部缺陷和整體老化?？筛鶕颠f減與局部缺陷之間的對應關系判定防護層缺陷類型,同樣的值并不一定能說明二者破損程度相同,因為埋深不同、土壤的水含量不同,周圍環境等都會對其產生影響。因此 dB值只是從量的角度說明破損的程度,不能一概而論。根據經驗總結:dB值的大小與局部缺陷的關系見表 1。

表1 dB值遞減與局部缺陷之間的關系

2.4 影響 PCM檢測結果的主要因素

(1)管道埋深:在管道直徑與其中心埋深相比不可忽視的情況下,管道中心埋深不同,在電位和電位差曲線上的分布形狀就會不同。

(2)土壤影響:電位分布與電位梯度法基于“點電流源”的電位分布理論。因此,無論采用交流信號或直流信號進行檢測,其電位分布都與介質的均勻程度密切相關。

(3)地形地貌影響:當破損缺陷點的埋深、測量電極之間距離的尺寸大小與地貌、地形的變化幅度相當時,電位、電場的分布狀態和數值都會受到畸變,影響破損點的識別和準確定位。

(4)地面電磁干擾的影響:由于趨膚效應,大地表面總是有各種頻率成分的電磁干擾信號,對破損點檢測結果造成影響。

(5)陰極保護線影響:檢測過程中偶爾會遇到破損點偏離管道正常走向較為嚴重的情況,多數情況下可能為陰極保護線的影響造成了破損點的“偏移”,而非管道實際破損點的位置。

(6)相鄰破損點的影響:在現場檢測中經常遇到管道的兩個破損點距離很近,稍不注意就會造成其中一個“漏檢”,而由于兩個相鄰的破損點的間距一般小于 2倍埋深,其異常響應“混為一體”,區分與定位異常困難。因此把間距小于 2倍埋深的兩個破損點當作一處來檢測就具有重要的實際意義。

3 結束語

(1)評價過程中的數據來自檢測,數據的準確性取決于檢測方法是否得當以及檢測儀器操作是否規范;

(2)PCM檢測技術能夠精確定位防護層破損點,早發現早修復,及時地了解管道的安全狀況,有助于管道的科學管理,降低運營成本;

(3)PCM檢測技術不能判斷破損點面積的大小,目前趨向于將各種檢測技術綜合使用,優勢互補,對防腐蝕層綜合狀況進行全面檢測,如 P/S與DCVG技術結合、CIPS與 DCVG相結合都取得了較好結果;

(4)定期對埋地管道外防腐蝕層檢測是實現管道安全運行和管理的重要措施之一。

1 NACE Standard RP0502-2002.Pipeline External Corrosion Direct Assess mentMethodology[S]

2 秦國治,丁良棉,田志明.管道防腐蝕技術.北京:化學工業出版社,2003.277

3 苑紹成.變頻選頻法— —埋地管道防腐層質量檢測技術[J].管道技術與設備,1999,(4):36-37

4 呂德東.油田埋地管道防腐層破損點檢測及影響因素.管道技術與設備 ,2007,(3):39

5 周小博.PCM在埋地管道檢測中的應用[J].科技情報開發與經濟,2009,19(2):161-163

Abstract:The detection technologies for the underground pipeline coating deficiency including PCM detection,Pearson detection, P/S detection,CIPS detection,ACVG detection,DCVG detection,etc are introduced.The detection principles of PCN detection, the main influence factors and the precautions in the inspection are highlighted.

Keywords:underground pipeline,corrosion-resistant coating,detection technology

Detection Technology for Underground Pipeline Coating Deficiency

Zhang Weiqiang Guo Xiaonan,Chen Shengqian,Li Yanchuen,Lu Xinpeng
Shanghai Oil Production Technology Services of CNOOC Energy Development Co., Ltd. (Shanghai200032)

TE980.3

B

1007-015X(2010)03-0052-04

2009-10-13;

2010-03-13。

張煒強 (1985-),男,2007年畢業于中國石油大學 (華東)材料物理專業,助理工程師,現在中海油能源發展采油技術服務分公司從事腐蝕與防護工作。