定向鉆穿越段管道陰極保護(hù)效果的檢測(cè)及影響因素

李 平

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司，徐州 221008)

管道采用定向鉆方式施工時(shí)，在回拖過(guò)程中，特別是在巖石地層中，常出現(xiàn)孔洞不圓滑、控向精度較低等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致防腐蝕層發(fā)生破損，有時(shí)甚至?xí)冻鼋饘俟荏w，這種損傷一般是不可修復(fù)的[1-2]。定向鉆穿越段管道不可避免會(huì)發(fā)生防腐蝕層破損，因此，保證定向鉆穿越段管道陰極保護(hù)的有效性，防止其發(fā)生腐蝕尤其重要[3-4]。

針對(duì)定向鉆管道陰極保護(hù)有效性的檢測(cè)方法，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究工作，但目前尚不能直接檢測(cè)定向鉆管道的保護(hù)電位，多采用在定向鉆兩側(cè)鉆制深井放置試片，或采用防腐蝕層面電阻率/電導(dǎo)率測(cè)試方法對(duì)定向鉆管道的陰保情況和防腐蝕層狀況進(jìn)行間接評(píng)價(jià)[6-9]。

某管道公司共有456處管道為定向鉆穿越管道，其陰保有效性的評(píng)價(jià)工作是該公司的重要工作之一。本工作采用多種方法對(duì)其中一處定向鉆穿越段管道的陰極保護(hù)有效性進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，并采用數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)，對(duì)定向鉆管道的陰極保護(hù)效果及影響因素進(jìn)行研究。以期為類似管道的陰保效果評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 定向鉆管道的基本情況

如圖1所示，本工作中定向鉆管道的穿越段長(zhǎng)度約為630 m，穿越類型為河流，定向鉆穿越段管道最大埋深為10.5 m，防腐蝕層為3PE，非定向鉆段管道的防腐蝕層為FBE，管徑為559 mm。管道采用外加電流陰極保護(hù)方式，定向鉆段管道在36和37號(hào)測(cè)試樁中間，管段的入土點(diǎn)距離36號(hào)測(cè)試樁約為62 m，出土點(diǎn)距離37號(hào)測(cè)試樁約為108 m。此管道在33和133號(hào)測(cè)試樁位置分別設(shè)置了陰保站，2個(gè)陰保站的恒電位儀運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

表1 恒電位儀運(yùn)行情況表Tab. 1 Operation of constant potential instrument

圖1 定向鉆穿越段管道與陰極保護(hù)站相對(duì)位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of relative position of pipeline and cathodic protection station in directional drilling crossing section

2 測(cè)試方法

2.1 密間隔電位法

采用密間隔電位法測(cè)試36～37號(hào)測(cè)試樁間管道的通斷電電位(測(cè)量位置為人員可達(dá)位置)，陰保站1和陰保站2位置的恒電位儀安裝同步斷路器，斷路器設(shè)置通12 s斷3 s，在36號(hào)測(cè)試樁位置，將參比電極(銅/硫酸銅參比電極)放置在管道正上方，采用萬(wàn)用表紅表筆接管道，黑表筆接參比電極，每隔10 m測(cè)試一組通電電位和斷電電位，如圖2所示。

圖2 密間隔電位測(cè)試示意圖Fig. 2 Schematic diagram of close-interval potential survey

2.2 極化試片法

通過(guò)極化試片法測(cè)得的斷電電位是極化試片從管道上斷開(kāi)瞬間的電位。在36和37號(hào)測(cè)試樁位置測(cè)試試片的通斷電電位，測(cè)試方法見(jiàn)圖3。在管道周圍埋設(shè)裸露面積為6.5 cm2的極化試片，試片通過(guò)測(cè)試樁管道線與管道連接，極化24 h后，采用銅/飽和硫酸銅參比電極(CSE)和萬(wàn)用表，測(cè)試極化試片連接時(shí)管道的通電電位和極化試片從管道上斷開(kāi)后試片的斷電電位。

圖3 極化試片法測(cè)試示意圖Fig. 3 Schematic diagram of coupon test method

3 結(jié)果與討論

3.1 密間隔電位法測(cè)試結(jié)果

由圖4可見(jiàn)：此段管道的通電電位為-1.18 V～-1.11V(相對(duì)于CSE，下同)，斷電電位為-1.15～-1.07 V。此段管道的通斷電電位整體分布較均勻。定向鉆穿越管段入土點(diǎn)位置的通電電位為-1.15 V，斷電電位為-1.12 V，出土點(diǎn)位置的通電電位為-1.13 V，斷電電位為-1.09 V，出入土點(diǎn)的通斷電電位接近。在定向鉆穿越段管道上方人員可達(dá)位置，測(cè)得斷電電位也均達(dá)到-1.07 V，其中，穿越池塘和河流的兩段長(zhǎng)約200 m的管段無(wú)法測(cè)得通斷電電位。密間隔電位法測(cè)試的斷電電位是管道上陰極保護(hù)系統(tǒng)瞬間斷電時(shí)的管地電位，代表參比電極周圍管道上破損點(diǎn)的綜合電位。通過(guò)密間隔電位法測(cè)得此定向鉆穿越段管道的電位均約為-1.10 V，表明此段管道上破損點(diǎn)的綜合電位能符合陰極保護(hù)電位的準(zhǔn)則(通電電位低于-850 mV)。

圖4 密間隔電位法測(cè)得定向鉆管道的通斷電電位分布圖Fig. 4 On-off potential distribution of directional drilling pipeline tested by close-interval potential survey

3.2 極化試片法測(cè)試結(jié)果

由表2可見(jiàn)：2個(gè)測(cè)試樁試片的斷電電位能達(dá)到約-1.10 V，測(cè)試結(jié)果與密間隔電位法測(cè)得結(jié)果接近，測(cè)試結(jié)果表明，在36號(hào)和37號(hào)測(cè)試樁附近面積為6.5 cm2的防腐蝕層破損點(diǎn)位置的極化電位均能達(dá)到-1.10 V，能達(dá)到有效的保護(hù)狀態(tài)。

表2 36和37號(hào)測(cè)試樁處試片的通斷電電位Tab. 2 On-off potentials of test pieces at test piles 36 and 37

3.3 土壤電阻率測(cè)試結(jié)果

土壤電阻率是陰極保護(hù)數(shù)值模擬的重要參數(shù)，采用溫納四極法測(cè)試穿越段管道附近不同深度土壤的電阻率。由表3可見(jiàn)：0～10 m深處的平均土壤電阻率為1.26～2.51 Ω·m，土壤電阻率整體較低，分層土壤電阻率測(cè)試結(jié)果顯示，8～10 m深處的土壤電阻率最低，為0.5 Ω·m。

表3 土壤電阻率測(cè)試結(jié)果Tab. 3 Test results of soil resistivity

3.4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

基于數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)，利用已有的管道基本參數(shù)和土壤電阻率測(cè)試結(jié)果，采用Beasy軟件對(duì)定向鉆穿越位置管道的極化電位進(jìn)行數(shù)值模擬，分析本工作中定向鉆穿越段無(wú)法測(cè)試管段的陰保效果。結(jié)果表明，此段管道的電位整體均約為-1.10 V，穿越池塘和河流段管道的電位沒(méi)有明顯的衰減，和穿越段前后的接近。

3.5 穿越段管道陰極保護(hù)效果的影響因素

為了研究穿越段管道陰極保護(hù)電位的影響因素，采用數(shù)值模擬軟件，建立定向鉆穿越管道的理論模型，模型的各項(xiàng)參數(shù)如圖5所示，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件，計(jì)算管道防腐蝕層質(zhì)量、土壤電阻率、管道埋深等參數(shù)對(duì)陰保電位的影響。

圖5 定向鉆穿越工程管道示意圖Fig. 5 Pipeline diagram of directional drilling crossing project

非穿越段與穿越段管道的服役環(huán)境是不同的。非穿越段管道多服役于土壤環(huán)境，電阻率較大；穿越段管道多服役于河水或河泥環(huán)境，電阻率較小。因此本工作建立了電阻率分層模型，非穿越段管道所處環(huán)境的電阻率為100 Ω·m，穿越段的為1 Ω·m；各段管道的防腐蝕層在理想情況下為3PE涂層，并且是完好不發(fā)生破損的；采用的陰保方式為外加電流，通電點(diǎn)位置設(shè)置電位為-1 150 mV，利用Beasy軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，管道陰保電位分布模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 管道電位分布模擬結(jié)果Fig. 6 Simulation results of pipeline potential distribution

由圖6可見(jiàn)：管道電位為-1 135.6～1 150 mV，達(dá)到了-850 mV的保護(hù)要求。近陽(yáng)極附近的管道電位最負(fù)，隨著與陽(yáng)極距離的增加，電位值逐漸正移。在穿越段，因?yàn)橥寥离娮杪什煌艿离娢回?fù)向偏移，但是整體分布均勻。

3.5.1 管道防腐蝕層性能的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，管道防腐蝕層的性能是影響管道陰保電位分布非常重要的因素，且定向鉆穿越段管道的防腐蝕層極易受到損壞，是本工作關(guān)注的重點(diǎn)[5]。因此，本工作考察了穿越段管道防腐蝕層性能差異對(duì)管道電位分布的影響。計(jì)算模型不變，環(huán)境介質(zhì)電阻率仍為分層模型：非穿越段的為100 Ω·m，穿越段的為1 Ω·m。管道防腐蝕層狀況如下：非穿越段管道防腐蝕層為3PE涂層且無(wú)破損，穿越段管道防腐蝕層破損率為0.001%～20%，陰極保護(hù)系統(tǒng)采用恒電位控制(最負(fù)點(diǎn)控制電位均保持在-1 150 mV)。

由圖7可見(jiàn)：隨著管道防腐層破損率的增大，管道電位分布越來(lái)越不均勻，電位發(fā)生正向偏移，保護(hù)效果下降。當(dāng)破損率小于2%時(shí)，管道電位均達(dá)到了-850 mV 的要求；當(dāng)破損率為5%～20%時(shí)，均只有一段管道達(dá)到保護(hù)，經(jīng)計(jì)算保護(hù)距離分別為1.75,0.95,0.75 km。穿越段管道電位隨著防腐蝕層破損率的增加越來(lái)越正。在保證最負(fù)點(diǎn)電位恒定的情況下，穿越段管道防腐蝕層性能變差，會(huì)對(duì)管道上電流的分布產(chǎn)生明顯影響，這會(huì)導(dǎo)致防腐蝕層性能較好部分管道的保護(hù)電位分布相當(dāng)不均勻。

圖7 穿越段管道防腐蝕層破損率對(duì)管道電位分布的影響(模擬計(jì)算結(jié)果)Fig. 7 Effect of damage rate of anticorrosive layer of crossing pipeline on potential distribution of pipeline (Result of simulation calculation)

3.5.2 土壤電阻率的影響

模型不變，土壤電阻率仍采用分層模型，管道防腐蝕層狀況分以下三種情況：① 管道整體為3PE防腐蝕層無(wú)破損；② 非穿越段管道為3PE無(wú)破損、穿越段的為2%防腐蝕層破損率；③ 非穿越段管道防腐蝕層破損率為0.1%、穿越段管道防腐蝕層破損率為2%。本工作考察了陰保電源系統(tǒng)采用恒電位(最負(fù)點(diǎn)控制電位為-1 150 mV)控制下，管道電位分布隨著土壤電阻率變化的情況，土壤電阻率設(shè)為1 Ω·m和5 Ω·m。

由圖8可見(jiàn)：當(dāng)管道防腐蝕層性能整體較好時(shí)，改變土壤電阻率幾乎不引起管道電位發(fā)生變化。當(dāng)穿越段管道防腐蝕層的質(zhì)量下降，隨著土壤電阻率的增大，管道電位分布的不均勻性增加，非穿越段管道的電位變負(fù)，而穿越段管道的電位變正，這是不同質(zhì)量防腐蝕層聯(lián)合保護(hù)的結(jié)果。通常來(lái)說(shuō)，涂層性能良好，涂層電阻較大，如圖9所示，Ra為陽(yáng)極極化電阻，Rx為土壤介質(zhì)電阻，R1為好涂層電阻，Rc1為其極化電阻，R2為差涂層電阻，Rc2為差涂層極化電阻。由于R1+Rc1遠(yuǎn)大于R2+Rc2，所以隨著Rx的增大，(R1+Rc1+Ra+Rx)/(R2+Rc2+Ra+Rx)的值將減小，則流經(jīng)R1+Rc1+Ra+Rx的電流將增大。因此，完好防腐蝕層的管道電位將變負(fù)，而破損防腐蝕層因電流減小，管道電位變正。隨著穿越段土壤電阻率的增加，防腐蝕層完好或破損管道的管道電位分布都越來(lái)越不均勻，且當(dāng)管道防腐蝕層性能整體較差時(shí)，隨著土壤電阻率的增大，穿越段管道的管道電位變正。

(a) 防腐蝕層狀況① (b) 防腐蝕層狀況② (c) 防腐蝕層狀況③

圖9 陰極保護(hù)系統(tǒng)等效電路圖Fig. 9 Equivalent circuit diagram of cathodic protection system

3.5.3 穿越段管道埋深的影響

本工作中，穿越段管道的最大埋深分別取8，10，15 m，其他參數(shù)不變。各段管道的防腐蝕層均為無(wú)破損3PE涂層，非穿越段管道服役環(huán)境的電阻率為100 Ω·m，穿越段的電阻率為1 Ω·m。計(jì)算時(shí)，保持陰保系統(tǒng)的輸出電流不變。

由圖10可見(jiàn)：隨著穿越段管道埋深的增大，管道電位分布幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。

圖10 穿越段管道埋深對(duì)管道電位分布影響的計(jì)算結(jié)果Fig. 10 Calculation results of the influence of pipeline buried depth on pipeline potential distribution in crossing section

4 結(jié)論

(1) 密間隔電位法和試片法測(cè)試結(jié)果均顯示，本工作定向鉆穿越段管道的斷電電位約為-1.0 V，管道的陰極保護(hù)效果良好，穿越段管道的管道電位分布較均勻，電位衰減小。

(2) 穿越段管道防腐蝕層破損率越大，管道電位分布越不均勻，管道電位越正，管道整體的保護(hù)效果越差。隨著防腐蝕層破損率的增加，穿越段管道的管道電位正移，會(huì)對(duì)管道上電流的分布產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致防腐蝕層性能較好的部分管道保護(hù)電位分布相當(dāng)不均勻。

(3) 隨著穿越段土壤電阻率的增加，管道整體電位的分布越來(lái)越不均勻，當(dāng)穿越段管道的防腐蝕層質(zhì)量較差時(shí)，土壤電阻率的增加會(huì)造成管道電位正向偏移。