埋地燃氣管道與鋼質套管連接狀態判定

吳 聰， 陳志光， 秦朝葵， 吳意彬

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201804)

1 概述

隨著城市公共交通等設施的建設發展，燃氣管道敷設的環境越來越復雜，對管道輸送安全提出了更為嚴格的要求。以上海市為例，截至2018年底，全市軌道交通全網絡規模增至705 km、415座車站[1]，各級燃氣管網總長度逾2×104km，存在大量燃氣管道與軌道相交敷設的情況。GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》規定：穿越鐵路和高速公路的燃氣管道，其外應加套管；燃氣管道穿越電車軌道和城鎮主要干道時宜敷設在套管或地溝內，套管法在施工中將會得到越來越廣泛的使用。現有工程常用的套管有水泥套管、鑄鐵套管和鋼質套管。套管的添加可確保穿越內管的機械強度，方便后期維護更換，保證管道的安全運行。但是，套管的使用也存在著一些問題，如套管內部空間的電解質有無及內管腐蝕工況監測等。

套管和內管的連接狀態與管道的腐蝕機理有著很大的關系，不同的連接狀態對管道的陰極保護系統設計也有著不同的要求。張珂等人[2]、和宏偉等人[3]分析了鋼質套管對陰極保護影響的原因，在套管空間內有電解質(地下水、土壤等)的情況下，套管和內管絕緣，則內管保護較好，套管內部會流出電流，從而受到嚴重腐蝕；若套管和內管之間存在短路，則內管處于自然腐蝕的狀態，套管會受到保護，犧牲陽極消耗加劇。孫慧潔等人[4]認為內管能夠得到有效陰極保護的條件是內管與套管之間存在導電介質，并給出在套管內安裝纏繞陽極或鐲式陽極的實施方案。上述文獻均未對如何判斷套管與內管的連接狀態進行說明，周冰等人[5]介紹了3種方式用來判斷套管與內管是否存在金屬短路，分別是管中電流衰減測試、穿越兩端電位測試、套管與管體搭接情況直接檢測，但具體實施方式及準確性有待進一步探討。

套管與內管連接狀態判定屬于埋地鋼質管道外腐蝕直接評價(ECDA)的“間接檢測與評價”階段測試的內容。SY/T 0087.1—2018《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準 埋地鋼質管道外腐蝕直接評價》僅指出密間距電位測量法(CIS)、電流電位梯度法(ACVG/DCVG)、地面音頻檢漏法、交流電流衰減法(PCM)在無可行措施下不適用于帶套管的管段評價，對于套管與內管連接狀態的判定方法并未提及，在國內其他現行標準中也尚未發現。而在國外的標準中，針對套管與內管連接狀態的判定早已給出了詳細的介紹。對套管與內管的環形空間內有無電解質的判定，可通過在其內部安裝液位監測裝置來進行，而是否存在金屬接觸的判斷則較為復雜。本文對國外常用的美國標準《NACE SP0200 2014 Standard Practice：Steel-Cased Pipeline Practices》與英國標準《BS EN ISO 16440:2016 Petroleum and natural gas industries—Pipeline transportation systems—Design, construction and maintenance of steel cased pipelines》中關于套管連接狀態內容進行了整理，介紹4種用于判斷鋼質套管與內管之間是否存在短路的測試方法，分別是電位測試、內阻測試、套管去極化測試以及4線IR降測試，在此基礎上結合上海市某車站處燃氣管道穿越改造工程對電位測試、內阻測試方法進行了現場應用，分析了套管與內管的連接狀態。

2 套管與內管短接判定方法

2.1 電位測試

在管道監測中，套管和內管的電位測試可以評估陰極保護的效果，同時，通過電位對比也可判斷套管與內管之間是否存在短路，主要的測量參數是內管—參比電極電位差和套管—參比電極電位差。

使用電壓表分別測量套管和內管相對于參比電極(銅和飽和硫酸銅參比電極)的電位差，見圖1，參比電極應埋設于套管一端、內管上方的土壤中，電壓表的一端連接參比電極，另一端分別連接內管與套管的引出線。由于放散管與套管相互接觸，套管的引出線可從放散管引出。

圖1 電位測試接線

管道之間是否存在金屬短路可以用套管和內管之間的電位差來說明，當電位差相差較大時，套管和內管之間未接觸或者說未發生短路。當電位差小于100 mV時，則可能存在短路，此時應進行另外的測試進一步分析。

2.2 內阻測試

通過測量套管和內管之間的內阻可判斷套管和內管是否發生金屬短路，內阻測試接線見圖2。

圖2 內阻測試接線

使用直流電源連接套管和內管的測試引出線T3和T4。在導通之前，測得套管T1和內管T2之間的電位差U；電源導通，在T3和T4之間施加一個固定電流，電源最大輸出電流不超過10 A。當電流為I時，測得T1和T2之間的電位差為U′。電源導通前后T1和T2之間的兩次電位差的差值的計算式為：

ΔU=|U-U′|

(1)

式中 ΔU——電源導通前后T1和T2之間的兩次電位差的差值，V

U——未施加電流時，套管T1和內管T2之間的電位差，V

U′——施加電流后，套管T1和內管T2之間的電位差，V

則套管與內管之間的內阻為：

(2)

式中R——套管與內管之間的內阻，Ω

I——在T3和T4之間施加的電流，A

需要注意的是，為防止因套管與內管存在金屬接觸而使電源兩極直接相連，應先串聯一個電阻，再進行測試。當套管和內管之間的電阻小于0.01 Ω時，則說明兩者之間發生金屬短路。

2.3 套管去極化測試

套管去極化測試是一種通過套管排出直流電流來確認套管隔離狀態的方法,見圖3。測試前，在套管側面距其15 m處，利用插入土壤中的鋼棒或與土壤接觸良好的鋁帶建立1個臨時性金屬結構物。與電位測試法類似，在內管上方且靠近套管端部的位置放置1個參比電極，使用直流電壓表，測量并記錄套管和內管相對于參比電極的電位差。將直流電源負極連接到臨時性金屬結構物上，正極與套管相連，在剛施加電流后的1～2 min內，自套管釋放出的電流增量應在0.1 A左右。一段時間之后，中斷電流，測量內管—參比電極、套管—參比電極的瞬時斷電電位，以確定施加電流對電位產生的影響，并記錄電流增量。之后繼續增大電流，測試至少3組數據，最大電流不得超過10 A。

圖3 套管去極化測試

施加電流后，套管—參比電極電位差將正偏，若套管與內管之間存在金屬接觸，內管—參比電極電位差也會正偏，正偏幅度與套管相同；若不存在接觸，內管—參比電極電位差正偏很小(mV級)，在某些情況下還可能出現少量負偏。

2.4 4線IR降測試

4線IR降測試接線見圖4，該方法可用于找出套管與內管之間發生金屬接觸的位置，但若接觸點不止1個，位置確定可能不準確。

圖4 4線IR降測試接線

① 測量套管的線性電阻

首先，測量套管T3、T4之間的電位差U1；然后在T1和T2之間施加電流I1，再次測得T3、T4之間的電位差為U2。計算前后兩次測試T3、T4之間的電位差，得到校正因子ε1：

(3)

式中ε1——校正因子，A/mV

I1——在T1和T2之間施加的電流，A

U1——未施加電流時，套管T3和T4之間的電位差，mV

U2——施加電流后，套管T3和T4之間的電位差，mV

美國標準《NACE SP0200 2014 Standard Practice：Steel-Cased Pipeline Practices》中給出的部分管道設計參數見表1。對于不同規格的管道，根據表1給出的設計參數，查出其校正因子ε，然后除以管道長度L，得到校正因子ε2：

(4)

式中ε2——校正因子，A/mV

ε——管道設計校正因子，A·m/mV

L——T3與T4之間管道長度，m

表1 部分管道設計參數

對比校正因子ε1和ε2，若ε1和ε2的偏差在5%范圍內，則進行接下來的測試；若偏差超過5%，應該進行重復測試，直到偏差低于5%。

② 確定上游端回路

確定電流回路時，端子的標注有所不同，見圖5。將電源的負極連接T2(內管端子)，正極連接T1(上游放散管)。在電源連接之前，測T3、T4之間的電位差U3，施加電流I2后，測得T3、T4之間的電位差為U4。套管與內管的金屬接觸點距上游T4端的距離占T3與T4間距的百分比d1為：

(5)

式中d1——套管與內管的金屬接觸點距上游T4端的距離占T3與T4間距的百分比

U3——未施加電流時，套管T3和T4之間的電位差，mV

U4——施加電流后，套管T3和T4之間的電位差，mV

I2——在T1和T2之間施加的電流，A

圖5 上游端回路

③ 確定下游端回路

將T1(下游放散管)連接電源正極，T2(內管端子)連接電源負極，見圖6。在電流輸出前后，測得T3和T4之間的電位差分別為U5、U6，此時電流為I3，則套管和內管金屬接觸點距離下游T3端的距離占T3與T4間距的百分比d2為：

(6)

式中d2——套管與內管的金屬接觸點距下游T3端的距離占T3與T4間距的百分比

U5——未施加電流時，套管T3和T4之間的電位差，mV

U6——施加電流后，套管T3和T4之間的電位差，mV

I3——在T1和T2之間施加的電流，A

圖6 下游端回路

根據上游端與下游端回路分析，d1代表著金屬接觸點距上游T4端電阻與T3到T4總電阻之比，而d2代表接觸點距下游T3端電阻與T3到T4總電阻之比。若d1為100%、d2為0，則說明短路發生于下游T3端。因此，通過分析d1與d2，便可找出發生金屬接觸的位置。

3 現場測試

測試現場位于上海市某車站處，燃氣管道穿越地鐵以及電氣化鐵路。該項目采用DN 1 000 mm的舊鋼質管道作為套管，內部則為新敷設的DN 500 mm主管道，穿越長度約80 m。施工時，內管采用頂管推進的方法，套管和內管之間采用絕緣支撐，進行隔離，同時可防止防腐層破壞；為避免穿越段管道與相鄰管段產生影響，在內管兩端安裝了絕緣接頭。同時對套管兩端進行密封，在套管空間內設置放散管，防止出現事故。

穿越部分套管內部的管道難以安裝測試線，不能檢測到內管實際電位等參數，僅能在套管和內管的兩端進行測試，用兩端測得的管地電位代表整個管段的數據。因此在測試中，需要清楚了解套管空間內的情況，如是否有電解質、套管與內管是否有電連接等問題，以確定穿越段內管電位的準確性。穿越段燃氣管道為南北走向，在南北兩側均設置1個相同的測試箱，為方便數據采集，所有測試接線全部接入測試箱中。測試系統的接線見圖7。以南側為例，左端為穿越端，利用現場預留測試端子，分別按照電位、內阻測試的接線方式，對套管與內管是否短路進行測試。

圖7 測試系統接線1、9.參比電極 2、8.鎂陽極 3.穿越段套管S4接線點4.穿越段內管S2接線點 5.非穿越段內管S1接線點6.非穿越段套管S3接線點 7.纏繞鋅帶接線點

3.1 套管內部電解質確定

為判斷套管空間內有無電解質，在其內部安裝水位監測裝置，見圖8。在測試中，水位監測裝置出現過水位報警的情況，現場曾將套管與內管環形空間的端頭封堵打開進行開挖檢驗，確定套管空間內存在地下水。

圖8 水位監測裝置

3.2 電位測試

電位測試依照圖1所示方法，選擇了某1天的3個時段，通過圖7中端子1、3、4分別進行測試。數據采集使用ADAM-4017輸入模塊，電壓測試范圍±10 V，精度為±0.1%，現場數據采集頻率1 HZ。

測試現場穿越段套管與內管的電位測試結果見表2。由表2可知，測試每一時段內套管與內管的電位差均大于100 mV，可初步認為套管與內管之間未發生金屬接觸。

表2 穿越段的套管、內管電位差

3.3 內阻測試

根據圖2所示方法進行了內阻測試，選擇圖7中端子3、4連接設備，其中對應于圖2中套管的兩處接線T1、T3均連接到端子3，內管的兩處接線T2、T4均連接到端子4。電源采用型號為施普DY-30V/20A的直流穩壓恒流電源，輸出電壓范圍為0～30 V，分度值為0.01 V；輸出電流范圍為0～20 A，分度值為0.01 A。

施加電流之前，測得端子3、4之間的電位差為-0.01 V。施加2.5 A的電流于端子3、4，此時端子3、4之間的電位差變為-0.16 V，則電位差的差值為0.15 V，因此，計算得內管與套管之間的電阻為0.06 Ω，大于0.01 Ω。

結合水位監測、電位測試與內阻測試的結果，可判定套管空間內存在地下水等導電介質，但二者之間絕緣較好，不存在短路現象，因而可以通過穿越段管道兩端的測試結果來反映其內部情況。

4 結論

針對鋼質套管與穿越段燃氣管道的連接狀態判定進行研究，通過調研國內外標準，對判定方法進行總結，結合上海某現場，對國外標準中推薦方法進行測試檢驗。對于套管空間內有無電解質可通過安裝水位監測裝置確定；套管與內管之間是否發生金屬接觸，可通過電位測試、內阻測試及套管去極化測試進行判斷。當電位差測試結果大于100 mV，內阻測試結果大于0.01 Ω或者內管—參比電極電位不存在與套管—參比電極相同幅度的正偏時，可認為套管與內管之間未發生金屬接觸。相反，若確定存在金屬接觸，可進行4線IR降測試，以確定接觸位置，從而準確分析出套管與內管的連接狀態。