穿越江河天然气管道外腐蚀检测技术应用研究

戴翔，刘云轩，陈湘清，刘翔

（湖南省特种设备检验检测研究院，湖南长沙 410117）

引言

由于穿越江河的天然气管道会受到所处环境变化的影响，在潮流、挖沙、地质下沉、第三方破坏等因素的影响下，河床周边环境会发生改变，使得掩埋于河床以下的管道发生裸露，甚至悬空于河水当中。因此，定期对穿越江河的天然气管道进行外腐蚀检测意义重大。

目前国内外对水下穿越管道开展外腐蚀检测的技术手段主要包括潜水员水下作业、FieldSens技术、ONE-PASS技术、PURE技术和ROV技术。潜水员水下作业是潜水员下潜至水底进行检测时，将检测设备和管道表面进行接触，这种检测的适用范围有限，而且检测的条件比较苛刻不易满足，同时周期无法保证，安全风险高。英国FieldSens管线探测仪是通过工作船拖拽接收器沿管道上方蛇形游走，水下信号接收装置接收发射机给管道施加的电磁信号来定位管道位置，这种方法只能确定管线的位置。美国STARTRAK公司生产的ONE-PASS河流穿越管道检测系统，原理是管道施加交流信号后，船载接收器在水中沿管道路由S形游走来定位管道位置，检测结果仅能提供位置和埋深信息，且其定位深度不超过40米，也不能对阴保效果进行检测，无法满足外腐蚀检测需求。加拿大PURE公司方法属于水面检测技术，采用直联回路法对管道施加交流信号，在载具上使用接收器进行定位和测深，找到管道位置后将参比电极用探杆将其插入水中测量管地电位和电位梯度等阴保数据，该技术仅适用于流速较小、水深较浅的小型水域，管道埋深不大于20米的环境[1]。

国内River-ROV检测系统将接收器和参比电极搭载到机器人上，通过推进器控制其移动，可下潜到水底在河床上（更靠近管道位置）对水下穿越管段实施路由定位、防腐层破损检测、阴极保护有效性评价等项目。River-ROV检测系统属于电磁法结合密间隔电位法(CIPS)和直流电位梯度法(DCVG)等多功能水下检测技术，可潜入水下深度50米，水底河床定位覆土深度超过40米，适用环境尤为广泛。该系统已经于2017年成功推向市场，并在多个特征水域实施了相关检测[2]。

1 水下穿越天然气管道外腐蚀检测系统

水下穿越天然气管道检测系统由江河穿越管道检测系统(ROV)、管道防腐层检测仪、密间隔管地电位检测仪、管线定位仪、GPS定位仪、万用表、参比电极、笔记本电脑等组成，该系统主要是对管道定位、埋深及水深测量、阴极保护有效性评价、管道防腐层完好性检测和水下管道敷设环境调查。陆上埋地部分，采用防腐层检测仪对管道进行定位和埋深测量、同时用GPS定位仪确定管道位置坐标，对管道防腐层进行完好性评价，利用密间隔电位法(CIPS)检测数据和测量结果对管道进行阴极保护评价。

2 水下穿越天然气管道外腐蚀检测原理

2.1 管道定位、埋深测量

对水下穿越天然气管道进行现场检测时，首先需要确定管道的位置、埋深及走向，仪器测量出的管道埋深及电流值均受到管道定位精度的影响。利用有源电磁探测方法，可实现对陆上及水下管道的探测。探测原理是：利用管道防腐层的发射机对管道施加交变的电流信号，在管道周围产生交变的磁场，使用电磁法感应线圈在管道上方测量所施加信号的分布情况，依据信号分布规律可精确定位管道的位置，同时通过该信号值可以探测管道的埋设深度。

手持接收机，令机身平面与管道走向垂直，机身底部接近地面。在管道上方横向左右移动，以找到信号的最大响应点，并停在最大响应点。在获得最大响应的点上，转动仪器获得最大响应。在上述位置上再将接收机向两侧轻微移动，找出峰值最大响应点。此时接收机所在位置即是埋地管道上方，且管线走向与接收机机身平面成直角。标出该点的确切位置，该位置就是管道所在的位置。

在峰值法上的记号点将接收机设置为工作谷值方式。根据左/右方向箭头指示，在管道上面再找到一个最小响应点。如果此点与峰值法重合，说明管道已被精确定位；如不重合，说明管道位置尚未“精确”地找到，或有干扰存在。两种方法定出的位置都偏离在管道的同一侧，那么该管道的真实位置应该接近峰值法所定的位置。

图1 定位示意图

2.2 管道防腐层完好性检测

管道防腐层检测仪(DM)通过管中电流法和地面电场法实现管道外防腐层的检测和评价。发射机给管道施加检测信号电流，管道四周会产生感应磁场，接收机在地面管道上方跟踪、采集该电磁信号，并测量出管道上方的电流强度。由于管道防腐层存在弱而稳定的导电性，在管道外防腐层完好时，随着检测距离的增加电流强度呈指数衰减规律。在管径、管材、土壤环境不变的情况下，管道的防腐层的绝缘性越好，施加在管道上的电流损失越少，衰减越慢；如果管道防腐层损坏，绝缘性变差，管道上电流损失就越严重，衰减就越快。通过建立评价模型计算出防腐层绝缘电阻值Rg，按表1对管道的防腐层质量进行定量评价。

表1 外防腐层电阻率Rg值（kΩ·m2）分级评价

穿越陆地管段，一般利用交流电位梯度法(ACVG)对防腐层破损点进行检测，其原理是利用管道防腐层检测仪(DM)与A字架，通过测量土壤中交流电位梯度的变化，来对管道防腐层破损点进行探测和精准定位。

穿越水下管段，一般利用直流电位梯度法(DCVG)对防腐层破损点进行检测，其原理是采用卫星同步断流器对施加在管道上的阴极保护直流电流进行同步通/断，利用硫酸铜参比电极，以一定间隔测量管道上方的直流电位梯度，接近破损点的时候，电压梯度就越大，管道周围的电流密度就越大，电位也就越高，防腐层破损面积越大，其附近的电流密度越大，介质表面的电压梯度也就越大；而且通过识别破损点处土壤中电流的方向，可识别破损点的腐蚀活性。

2.3 阴极保护有效性评价

对于穿越江河的天然气管道，管道在穿越过程中不可避免的存在外防腐层破损等缺陷，若防腐层破损严重，会使得管体金属接触土壤，从而可能造成破损处发生电化学腐蚀，威胁管道长期安全运行。对于长输管道而言，按照现行法规标准的要求，管道要求采用防腐层加外加阴极保护电流来抵抗外界环境对管道本体的腐蚀。为防止管道被外界环境腐蚀，通过对被保护的管道施加阴极保护电流，通过阴极极化使其电极电位负移至金属的平衡电位，从而抑制金属腐蚀，这种保护方法称为阴极保护。阴极保护效果会直接影响管道的使用寿命，因此，对于天然气管道检测，阴极保护有效性评价是一项非常重要的检测项目。

依据GB/T21246-2020《埋地钢制管道阴极保护参数测量方法》的要求，需要通过测量管道的通电电位和断电电位来评价阴极保护效果。测量前，先在阴保站安装同步断流器，并设置合理的通/断周期；测量时，首先定位管道的位置，保证硫酸铜参比电极插入管道正上方，然后沿着管道走向，以一定的间隔移动硫酸铜参比电极，同时记录通/断电电位等数据，通过分析测量数据来评价阴极保护有效性。钢质管道阴极保护检测的标准电位区间，电位应位于-850mV至-1200mV（相对于饱和硫酸铜参比电极）之间，管道的最小保护电位需要达到-850mV。

3 水下穿越天然气管道外腐蚀检测技术的应用

3.1 检测对象

采用水下管道检测技术对某支线某河流穿越段天然气管道进行管道定位、水深、埋深、阴保系统进行检测。被检管道及外防腐层材质等相关数据见表2。

表2 被检管道参数

3.2 现场检测

穿越陆地管段：首先，将管道防腐层检测仪的发射机信号调至3+6+128Hz，信号强度调至3A，使用接收机及GPS检测仪对两端穿越管道陆上部分进行定位、埋深测量，运用交流电位梯度法(ACVG)和交变电流衰减法对陆上埋地管道进行防腐层检测。

利用密间隔电位法(CIPS)某河流穿越段管道陆上部分进行阴极保护有效性检测。⑴阴保信号调制：通过与阴保站相关负责人员的沟通，了解到某河流穿越段管道是受某站阴保系统保护的，因此在某站阴保系统中施加卫星同步断流器，选取1.6秒通0.9秒断的通断周期；⑵穿越管道北岸陆上CIPS检测选择从北岸测试桩连接尾线，自测试桩开始一直检测到某江边位置，穿越管道南岸陆上CIPS检测选择从南岸山上的测试桩连接尾线，自测试桩开始一直检测到某江边位置。

穿越水下管段：水下管段检测前期把同步发射机架设在测试桩上，选取640Hz频率，发射强度为5A的信号，在北岸检测到电流信号强度为1.8A，南岸检测到电流信号强度为1.4A，满足检测要求。

随后将ROV操作平台架设在工作母船上，检测机器人放入水中，作业人员通过操作平台和脐带缆控制检测机器人进行管道检测。考虑到此次检测河流的特殊性，我们选择将水下检测的定位、测深过程和电位测量过程分开进行。

具体操作过程：管道定位、测深过程，工作母船行至穿越段管道水流上游锚住，将水下机器人ROV下水后,沿管道路由切向拖拽行进ROV，在水面上初步确定管道位置，然后将ROV在管道下游方向沉入水底，并关闭ROV动力系统，母船上的作业人员通过脐带缆拖动ROV直至跨过管道，此时ROV上搭载的电磁法管道定位器将对管道位置进行精确的定位，水下机器人ROV找到管道精确位置后，在该处测量管道位置、水深、覆土深度、声呐等数据，完成以上流程后，ROV上浮至水面获取GPS信号，通过内置惯导系统，精确计算水下管道真实经纬度信息，为确保检测的准确性可多次进行测量。最后通过沿管道路由按指定间距重复以上过程，完成水下管道敷设路由、埋深及水深等项目的探测工作。

通过对某河流穿越管道水下管道检测数据分析（见表3 某河流穿越管道检测数据汇总表），该穿越管段未出现露管、悬跨现象；河道内区段最小埋深为6.4m，最大埋深为7.95m，最大水深3.13m，统计表内均为地表到管道中心的埋深数据，根据根据GB/T 37369-2019《埋地钢质管道穿跨越段检验评价》的规定，管道应埋设在洪水冲刷线下或规划疏浚线下1.5米，满足标准要求。

表3 某河流穿越管道检测数据汇总表

通过交流电流衰减法，采用现场采集的管中信号电流数据对各检测段进行外防腐层绝缘电阻计算（由于穿越段埋深逐渐增加，随着深度变化管中电流读数会随之变化无法获取管中真实电流，因此只采用穿越入土点附近、出土点附近位置埋深较浅处电流值进行防腐层评估）。此段管道防腐层评估总长度：764.7m。其中，1级：764.7m，占比：100%；2级：0m，占比：0%；3级：0m，占比：0%；4级：0m，占比：0%。防腐层综合等级为：1级，管道防腐层平均电阻值Rg≥300 kΩ·m2。

现场使用江河穿越管道检测系统(ROV)，在管道上实施阴极保护检测，检测装置一端使用带绝缘层的金属导线与水下管线的测试点连接，导线的另一端与检测装置内部的自动电位记录仪相连接，记录仪的另一端和饱和的氯化银参比电极相连构成测量的回路。当检测系统放置在水中时，由于水是导体，并且把装置定位在管道的正上方时，可以进行自动或手动的测量，所测得的电压即为管道的保护电位。使用该系统可以测量管道沿线的电位分布状况，通过电位的分布状况可以判断管道的阴极保护状况，并间接分析管道上防护层是否存在缺陷。

其中穿越水域管道的CIPS检测数据见表4，从图2中可以看出此次检测的数据满足钢质管道的最小保护电位-850mV(相对于饱和硫酸铜参比电极)，也满足管道阴极保护检测的标准电位区间，电位在-0.85mV至-1200mV之间。穿越段CIPS检测结果可知，水下部分管道断电电位最负值-1184.6mV，断电电位最正值-854mV，平均保护电位-1001.58mV；综上所述，由于电位变化较大，采用平均保护电位来判定穿越段管道正处于保护状态。

表4 某河流穿越管道CIPS检测数据汇总

图2 管道的保护电位

穿越段水下管道防腐层破损点检测，用DCVG方法使用ROV水下检测系统在水下管道上方河床进行电位梯度值的数据采集，并通过电位梯度的大小和电流方向的变化来判断防腐层破损点。根据水下河床电位梯度测量结果：电位梯度通断差最小值为8mV，最大值210mV，未发现明显破损点指示。

4 结论

本文介绍了穿越江河天然气管道外腐蚀检测技术、方法及其原理，对穿越水域天然气管道开展现场检测，通过电磁法、交变电流衰减法、交流电位梯度法(ACVG)、直流电位梯度法(DCVG)、密间隔电位法(CIPS)等先进的检测技术对穿越江河天然气管道进行全方位检测，可准确测量管道位置、埋深，检测管道防腐层破损情况以及评价管道阴极保护有效性，为穿越江河天然气管道检测提供技术支持，保障了天然气管道安全运行。