定向鉆穿越管道防腐蝕層及陰極保護的評價方法

葛艾天,李 偉,杜艷霞,劉 權

(1. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101； 2. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083)

定向鉆穿越管道防腐蝕層及陰極保護的評價方法

葛艾天1,李 偉2,杜艷霞2,劉 權1

(1. 中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101； 2. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083)

定向鉆穿越技術被廣泛應用于管道建設工程，由于定向鉆穿越管道(HDD管道)施工工藝的局限性，采用常規的檢測手段很難對其防腐蝕層和陰極保護效果進行檢測評價。對國內外HDD管道防腐蝕層和陰極保護的檢測方法進行總結，并對HDD管道防腐蝕層和陰極保護評價方法的發展趨勢進行了展望。

定向鉆穿越管道；防腐蝕層；陰極保護；評價方法

隨著“一帶一路”、“京津冀協同發展”以及“長江經濟帶”等一系列國家重大戰略的提出，我國石油天然氣管道進入了大規模建設時期。但是，管道建設過程中經常會穿越河流、公路和鐵路等區域，在這些區域無法采用常規的開挖方式進行管道鋪設。水平定向鉆機非開挖鋪設管線無需開挖道路或者開挖量很小，工程施工對環境影響較小，近年來在我國管線鋪設中被大量推廣和應用。水平定向鉆穿越(HDD)技術是20世紀70年代初在應用垂直鉆井中定向鉆技術基礎上發展起來的[1]，是一種高效的非開挖埋地管道鋪設技術，具有/3施工周期短、精確度高、穿越距離長、非開挖和對自然環境影響小等優點，其發展前景越來越廣闊[2]。

目前，對于HDD管道外層的防護，常采用防腐蝕層和陰極保護聯合的方法。在HDD管道施工過程中，管道容易受到地下地質條件的影響，尤其在巖石地層中，管道的外防護層會受到磨損和劃傷等破壞[3]，有時甚至會露出金屬基體，破損的防腐蝕層也無法進行修復；且由于HDD管道通常埋深較深，一般為20～50 m，采用常規的埋地管道防腐蝕層檢測手段很難對其進行檢測評價。在管道保護層受到損傷的情況下，管道的陰極保護顯得尤為重要。由于受到穿越段特殊地質結構的影響，目前缺少有效的檢測手段來獲得穿越段管道的陰極保護情況[4]，難以對管道的陰極保護有效性進行準確判斷，一旦管道發生腐蝕穿孔泄漏，后果嚴重，且處理難度大，這為管道的安全運行埋下了重大隱患。

因此，有必要在管道水平定向鉆穿越后，對其防腐蝕層完整性和陰極保護有效性進行檢測評價，這樣不僅可以對工程質量進行評判，還能掌握定向鉆穿越段管道防腐蝕層和陰極保護的狀況，從而將腐蝕風險控制在最小范圍。鑒于此，本工作調研了國內外關于HDD管道防腐蝕層和陰極保護的檢測手段，以期為同類工程施工提供參考。

1 防腐蝕層完整性的檢測

1.1 電流-電位法/饋電試驗法

電流-電位法是向被測的一段管道施加有陰極保護效用的極化電流，使被測管道的電位偏移達到規定值，然后按照電位衰減公式計算被測管道的防腐蝕層絕緣電阻率。

滕延平等[5]參考NACE TM 0102-2002《Measurement of protective coating electrical conductance on underground pipeline》，對穿越段管道的土壤電阻率進行歸一化處理，通過試驗獲得防腐蝕層電導率后，再計算涂層的歸一化比電導率，并采用此方法分別對慶鐵老線嫩江穿越段和慶鐵老線建國河穿越段管道防腐蝕層進行了評價。結果表明，兩段管道防腐蝕層質量分別為良好和優秀。同時滕延平等指出，此方法計算結果受一些不確定因素的影響，但只需適當修正再加上現場工程師的經驗，測試結果具有重要的參考價值，此方法需在管道未碰口時測試。對于已經碰口的在線管道，只能采用饋電法檢測防腐蝕層，估算電阻[6]。表1為1 000 Ω·cm土壤中不同涂層歸一化比電導率時的防腐蝕層的質量。

表1 1 000 Ω·cm土壤中不同涂層歸一化比電導率時的防腐蝕層質量

王穎等[7]通過電流-電位法對蘭州-鄭州-長沙管線項目長江穿越段和山東原油管線項目汪溝穿越段進行了實地檢測評價。結果表明：長江定向鉆穿越管段外防腐蝕層電導率為150～230 μS·m-2，屬于良好等級;汪溝穿越段外防腐蝕層電導率為200～450 μS·m-2,屬于良好等級，檢測結果的重現性較好。

竇宏強等[8]在中俄原油管道黑龍江穿越工程中，采用俄方規范ΓOCT 51164-1998對水平定向鉆穿越后管道外防腐蝕層進行定量評價。結果表明，外防腐蝕層的電阻率、陰極極化電流、管地電位偏移等都符合標準要求。

韓興平[6]首先通過PCM發射機對某HDD管道施加電流，采用PCM軟件計算得到管道防腐蝕層的Rg<1 kΩ·m2，參照SYT 5918-2011《埋地鋼制管道外防腐蝕層修復技術規范》，防腐蝕層質量分級結果為4級(差)；同時指出,考慮光纜套管影響，實際防腐蝕層質量可能高于4級。

采用電流-電位方法測試和評價穿越段管道外防腐蝕層質量時，需注意以下幾點：穿越段管道所處環境地質情況通常較為復雜，周圍土壤的電阻率差異較大，這會對測量結果造成較大影響。更準確地取得土壤電阻率對最終評價結果至關因素。電流-電位法必須是在定向鉆穿越完成后與主體管道連接前進行，測量過程中要保持穿越管段兩端裸露金屬管頭與大地絕緣；在測試時偶爾會有干擾源的干擾，遇到該情況需要暫停測試，否則檢測結果與實際結果偏差較大。此測試方法的要點在于，被測管段應與其他金屬體完全電絕緣，被測管道應已完全回填，保證所需的極化前后管-地電位差的偏移量和極化電流。

1.2 通電電位切換法、通電電位法、極化偏移準則

BRIAN[9]指出，澳大利亞在1994-1997年間，定向鉆穿越段管道均采用通電電位切換法來評價防腐蝕層質量。通電電位切換法是在管道與其他管段連接之前，對水平穿越管段施加陰極保護電流，使其通電電位至少負向偏移1 V，然后測量相應的陰極保護電流[10]。該法驗收標準是測試管段的電流密度不應大于1 μA·m-2。1998年對處于高鹽含量土壤中的某條HDD管道采用通電電位法進行防腐蝕層的評價，通電電位為-900 mV(CSE)時，施加的陰極保護電流密度為1 μA·m-2。然而，這種做法不適用于電流密度隨土壤電阻率變化的低含鹽量環境。1999年對某條管道進行評價時采取極化偏移100 mV準則，即極化電位偏移100 mV時所需的陰極保護電流密度不超過1 μA·m-2。

BRIAN認為，目前水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質量的驗收標準仍存在不足，按照目前標準驗收的防腐蝕層存在缺陷，而這樣的缺陷是無法修補的。因此需要在相關領域開展進一步的研究，比如評價防腐蝕層電阻測試方法對防腐蝕層測試條件的適用性，防腐蝕層維持附著力的能力，評價試驗中采用的電流密度準則等。

1.3 防腐蝕層面電阻率法

GUMMOV等[11]在美國煤氣協會(AGA)管道研究委員會提供的項目贊助中，進行了未碰口穿越段管道防腐蝕層性能的檢測與評價。項目針對3種不同FBE防腐蝕層管道樣品進行，這些管道樣品埋在3種不同的土壤中，并安裝有鋼質金屬試片以模仿真實環境中的管道防腐蝕層損壞情況。實地測試采用陰極保護技術，根據管道裸露面積百分比可估計防腐蝕層質量。

2 陰極保護有效性的評價

由于定向鉆技術施工工藝及穿越段地質條件的影響，HDD管道陰極保護有效性評價存在眾多難點，如：管道極化邊界條件難以直接測量，目前尚無統一的方法對HDD管道陰極保護效果進行有效檢測與評價，成為實際生產中需要迫切解決的技術難題。為了解決這個難題，部分科研工作者做了初步的探索，如：數值模擬法、密間隔和極化探頭結合法。

2.1 數值模擬法

陰極保護數值模擬計算技術為解決復雜條件和苛刻環境下的陰極保護設計與評估提供了一條新的解決途徑，陰極保保護系統的數學模型可通過有限元法﹑有限差分法和邊界元法來求得數值解。

陳飛[4]針對采用犧牲陽極法保護的受地鐵雜散電流干擾的穿越段管道，利用邊界元法建立地鐵雜散電流干擾數值模型和陰極保護系統數值模型，獲取定向鉆穿越管線中犧牲陽極的埋深、管道直徑、分布走向和土壤電阻率的數據信息，將所述數據信息代入所述模型，模擬出電位和電流密度的電位云圖，通過對所述電位云圖的結果進行分析，得到定向鉆穿越管道陰極保護的陰極保護電位分布，進而對陰極保護的有效性做出評價。該作者選取一段典型的城鎮燃氣管線，利用數值模擬技術對雜散排流進行方案設計及優化，選取合適地點進行深井陽極地床施工，進行強制排流站建設。通過施工后測試及與數值模擬結果對比發現，在強排站施工后，管線滿足陰極保護準則。且在該工況條件下數值模擬計算出的測試樁處極化電位數據與測試的斷電電位數據基本相符。圖1為數值模擬法流程圖。

圖1 數值模擬法流程圖Fig. 1 Flow diagram of numerical simulation method

對于管道的陰極保護來說，它是一個電場問題，可以通過數值模擬技術得到管道、陽極等研究對象的電位和電流密度分布，以云圖方式顯示的結果可以很清晰地看到陰極保護電位分布。因此，數值模擬技術在研究陰極保護電位分布問題時更為方便和快捷。但是，數值模擬技術應用于HDD管道時也存在弊端，即無法獲取準確的邊界條件，如：管道的防腐蝕層情況、極化特性等等，這些參數均會直接影響計算結果的準確性。若實際工程應用中無法獲取準確的邊界元條件，數值模擬結果也可以為實際應用提供參考，為實際工程提供方向性指導。

2.2 密間隔和極化探頭結合法

常規的埋地管道陰極保護電位測量方法分為直接法與間接法。直接法是指在不考慮或不完全考慮IR降(可高達幾百毫伏[12])的情況下直接測量管道與土壤的電位差，但是該方法測量結果與實際的陰極保護電位之間存在很大誤差。間接法以消除IR降為出發點，得到更為可靠的測量數據。為了對管道的陰極保護狀況進行更準確的評價，人們提出了密間隔電位檢測法(CIPS)[13-14]，CIPS是目前國內外公認的最為先進的埋地管道不開挖缺陷檢測技術，該法檢測的電位稱為斷電電位，當防腐蝕層在某一位置上存在破損點時，破損點的電流密度會變大，在該點周圍的土壤中會產生比其他地方更大的電位降，使得保護電位較正常時正向偏移，當偏移達到一定值時，地表就可以檢測到。

周吉祥等[15]采用密間隔電位和極化探頭結合法對某次高壓燃氣管道進行犧牲陽極陰極保護效果的評價，通過現場數據測試及分析驗證，表明該法能有效測試管道任意位置的陰極保護數據，尤其適用于測試長距離定向鉆穿越段管道的陰極保護效果。但是，鑒于HDD管道施工工藝的特殊性，該方法最大的問題是如何將探頭放置于待測位置。圖2為極化探頭+密間隔電位法測試管道斷電電位示意圖。

圖2 密間隔法+極化探頭法測試管道斷電電位Fig. 2 Method of CIPS with polarization probe test the off-potential of pipeline

3 結束語

對于HDD管道防腐蝕層及其陰極保護的評價方法，在實際工程應用中一直是個難題。如何對HDD管道保護層的完整性及其陰極保護的有效性進行檢測與評價，將成為今后的一個研究重點。雖然上述眾多學者對HDD管道防腐蝕層和陰極保護的檢測方法積累了初步經驗，但上述方法仍不成熟，不成體系。鑒于HDD管道埋深較深，在陰極保護電位測量中存在IR降較大、工程適用性不強等眾多問題。同時，為了能夠準確地對HDD管道進行評價，需要廣大學者能夠進一步優化已有的測量技術，提高其工程適用性，并進一步擴大數值模擬技術在HDD管道中的應用，以及提出一些新的測量技術。

為了能夠開發出適合HDD管道防腐蝕層及其陰極保護的評價方法，可以在以下3個方面進行深入研究：

(1) 開發適合HDD管道工況條件下的長效型參比電極，能夠準確獲取HDD管道的相關數據，如極化電位；

(2) 將數值模擬技術成功應用于HDD管道陰極保護有效性的評價，在建立準確的管道陰極保護電位分布模型、獲取準確的邊界條件以及計算方法方面均有待深入研究；

(3) 如何將數值模擬技術更好地與實際檢測技術結合也是下一步研究的重點方向之一。

[1] 錢國梁,王長保,安峰. 定向鉆穿越在管道工程中的應用[J]. 石油和化工設備,2013,16(6):35-37.

[2] 曾強,陳彬源,劉海祿,等. 淺談定向鉆穿越中管道外防腐層的保護[J]. 天然氣與石油,2008,26(4):24-26.

[3] 中國石油管道公司. 油氣管道腐蝕控制實用技術[M]. 北京：石油工業出版社，2010：20-21.

[4] 陳飛. 城鎮燃氣管道定向鉆穿越段陰極保護的提升與改善[D]. 廣州:華南理工大學,2013.

[5] 滕延平,劉玲莉,陳洪源,等. 管道水平定向鉆穿越段涂層測試與評價[J]. 管道技術與設備,2010(1):43-45.

[6] 韓興平. HDD管道穿越防腐層評價與管道保護[C]//CIPC2011中國國際石油天然氣管道會議.[出版地不詳]：[出版者不詳],2011.

[7] 王穎,李建忠,袁春,等. 電流電位法在定向鉆穿越管道外防腐層評價中的應用研究[J]. 石油天然氣學報,2013(3):302-304.

[8] 竇宏強,李軍,陳喆,等. 饋電測試法在中俄原油管道黑龍江穿越工程中的應用[J]. 石油工程建設,2012,38:65-67.

[9] BRIAN A M. Evaluating pipeline coating condition on horizontal directional drills[J]. Pipeliner,2005(4):62-65.

[10] FOTHERINGHAM I,GRACE P. Directional drilling:what have they done to my coating[J]. Corrosion & Materials,1997,22(3):5-8.

[11] GUMMOV R A,WAKELIN R G,SEGALL S M. Coating quality testing of directionally drilled pipe sections[C]//CORROSION 2000.[S.l.]:NACE International,2000.

[12] 翁永基,李相怡. 埋地管道陰極保護電位IR降評估方法的研究[J]. 腐蝕科學與防護技術,2004,16(11):360-362.

[13] 金小軍,董訓長. 埋地鋼管外防腐層腐蝕檢測方法及應用[J]. 油氣儲運,2001,20(7):34-3 .

[14] BRIAN H W. Cathodic protection survey procedures[M]. Houston:NACE International,2009:175-198.

[15] 周吉祥,卓凡,謝高新,等. 城鎮燃氣管道犧牲陽極陰極保護測試方法研究[J]. 煤氣與熱力,2014,34:44-46.

Evaluation Methods of Anticorrosion Layer and Cathodic Protection of HDD Pipeline

GE Aitian1, LI Wei2, DU Yanxia2, LIU Quan1

(1. CNPC Beijing Natural Gas Pipeline Co., Ltd., Beijing 100101, China; 2. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Directional drilling technology has been widely used in pipeline construction projects. Because of the limitation of construction technology for horizontal directional drilling (HDD) pipeline, it is hard to evaluate the anticorrosion layer and cathodic protection effect to the HDD pipeline through routine test. The current evaluation methods of anticorrosion layer and cathodic protection of HDD pipeline at home and abroad are summarized, and the research trend of the evaluation methods of HDD pipeline is discussed.

horizontal directional drilling (HDD) pipeline; anticorrosion layer; cathodic protection; evaluation method

10.11973/fsyfh-201705010

2016-02-20

杜艷霞(1980-)，副研究員,博士，從事管道的陰極保護及直流雜散電流干擾研究，010-62332505，luckylevy92@163.com

TG174.41

B

1005-748X(2017)05-0365-04