埋地钢制管道外腐蚀综合检测方案设计

朱 平，庞 旭，季云健

（1. 云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650000；2. 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；3. 云南省矿物管道输送工程技术研究中心，云南 昆明 650500）

0 引言

随着我国经济的发展，通过埋地钢制管道对石油、天然气进行运输已经成为主流方式[1]。但是，随着管道使用时间的推移，由于长期埋地、外部环境等原因的影响，管道的防腐层会遭到破坏，产生安全隐患，可能导致管道腐蚀，引发泄露、火灾、爆炸，造成重大的经济损失、环境污染、人员损失[2]。因此，正确的利用管道腐蚀性检测技术，确保埋地钢制管道防腐层状态完好，使管道能够长期处于安全运行的状态就显得十分重要[5]。

管道外腐蚀性检测是指采取相应的间接检测技术对埋地钢制管道防腐层以及阴极保护效果进行测量和评价[3]。管道外腐蚀性检测的目的在于精确找出埋地管道由于长期掩埋在地下或受其他环境因素的影响所造成的缺陷，从而确认管道的运行状态是否存在隐患，以便能够及时修复，避免受到更大的损失[4]。

管道外腐蚀检测是管道检测的重要内容，管道受损的原因除了人为、自然灾害等，最主要的受损原因在于管道的腐蚀，因此通过腐蚀检测找出管道所存在的问题，对于管道的维护至关重要[8]。如何对埋地钢制管道外防腐层状况进行检测，是目前急需解决的关键问题[6]。但因开挖不易，在了解国内使用较多的外检测方法的基础上，提出一种在不开挖下能够对埋地钢制管道外防腐层进行检测的综合方案。

1 常用管道外检测技术的现状

据查阅文献了解，到目前为止，国际上通用的管道外腐蚀检测方法有如下几种：开挖深埋法、阴极保护参数法、泊松法、直流电压梯度检测法、密间隔管地电位检测法、PCM 法、杂散电流测绘仪SCM检测方法等[7]。这些检测方式在地面以不开挖方式通过仪器对埋地钢制管道防腐层进行间接检测，找出其破损点的位置，但因每一种方式原理和优缺点不同，为了达到检测效果，必须了解各检测方法的应用范围。本文着重介绍了其中几种外检测方法，以便于接下来所提出埋地钢制管道综合检测方案提供参考。

1.1 变频—选频法

1987年，在结合我国输油行业的管理模式后，邮电部第五研究所和东北输油管理局完成了测量长线运输埋地钢制管道外防腐绝缘电阻、评价管道防腐层完好性方案的研究[9]。这种方法的原理是通过在待检测管道的一端施加一个可变频率电信号，检测另外一端信号的衰减幅度，对信号频率进行调整，从而让信号衰减处于 23dB的范围内。然后由频率的大小判断电阻值，高则管道防腐层绝缘电阻值大，低则管道防腐层绝缘电阻值小。在1991年，此法被中国石油天然气公司加入SY/T5919-94标准之中，为我国埋地钢制管道防腐层后续检测工作打下基石[14]。

这种方法适用于长输埋地钢制管道的测量，其优点是测量所需花费低，使用简便；但对操作人员要求比较苛刻，使用时需提前对部分参数进行设定，较繁琐；需要多种设备配合使用；只能对埋地钢制管道通常为1公里的部分单元及有测试桩的埋地钢制管道的绝缘层进行测量，很难判断外防腐层破损点所在位置；特殊情况下（比如存在阳极管段时）须通过开挖检测点来分段测量。

1.2 直流电压梯度（DCVG）技术

加拿大CT公司所生产的DCVG是直流电压梯度技术的代表仪器[10]。可以检测到有阴极保护系统的管道防腐层破损点，在引入我国后，国内的部分厂家也开发了类似设备[21]。它的原理是通过加入一个间断关开的直流电信号在埋地钢制管道中，当部分管道外防腐层存在破损点时，会有球面电场分布在管道破损点处上方的地面上。该方法用毫伏表来测量两电极间电压差，离埋地钢制管道外防腐层破损点越近，则电压差越大，而离埋地钢制管道外防腐层破损点越远，则电压差越小，位于管道外防腐层破损点正上方的电压差则为零，从而可以明确埋地钢制管道破损点所在的位置。然后可通过破损点处IR降推算出埋地钢制管道的破损点大小。最后用埋地钢制管道外防腐层破损点上方土壤电位分布的等位线图对该点的大概形状进行判断[13]。

这种方法可以定位防腐层破损位置，以及能够判断防腐层破损的大小，但该方法要求能够施加直流电流到埋地钢制管道上，且地面导电性须很好。这个方法对岩石区、冻土区等区域的埋地钢制管道，难以测量。同时对于城镇地段的埋地钢制管道，其大部分采用牺牲阳极保护，且该地段地面处于硬化状态，使得此方法的应用遭到限制[11]。

1.3 皮尔逊法

皮尔逊法即人体电容法，这是最早在国内广泛应用的检测方法[12]。其原理是通过发送固定频率的交流电信号给埋地钢制管道，当埋地钢制管道防腐层存在破损点时，会在破损处形成电流通路，发生漏电流，辐射到地面上，并在漏点正上方位置形成地表电场分布。用人体做其传感元件时，测量人员在漏点附近走动时，仪器会发生声响，以及其表头都会发生抖动，当位于埋地钢制管道外防腐层漏点正上方地表时，仪器所产生的反应最大，从而可精确找到埋地钢制管道防腐层的破损点所在的位置。

此方法对岩石区、冻土区等区域的埋地钢制管道，难以测量；同时对于城镇地段的埋地钢制管道，采用皮尔逊法进行检测时，其准确性较低；适用范围较低，且该方法只能够测量管道防腐层是否遭到损坏。

1.4 密间隔电位法（CIPS）

此方法在国际上通常被作为衡量阴保系统和管道保护度的标准方法之一。可以在沿管线上检测到地面电位并对比，从而对管道的 CP系统性能进行评估。 通常用于评价CP性能的数据包括：沿线所得电位、电位值的变化、长短距离点上的通/断、去极化电位，及其他的测量信号特征。其原理是：将一个参比电极安放在地面，与电压表相连接，表的另外一端与埋地钢制管道相连接，以此获得埋地钢制管道与地表的电位差。在管道外施加电流保护，再通过获取的管道与地表的电位分布图，就可知该段埋地钢制管道的保护水平。该方法的优点是：适和复杂的地面状况，也可水下操作[16]；测量点多，数据较为准确；无须另配发射机；缺点是：测量过程复杂度高，对操作人员要求较为苛刻；在测量时所需人员多，至少保证有三个人参加，一人负责管道定位，另外一人负责数据的采集，还有一人负责导线的回收。

此方法不但可以检查出防腐层损坏，而且能够知道管道阴极保护效果如何。但此方法和DCVG相同，对于管道可以施加直流电流，地面具有良好的导电性能有一定的要求。要求管道能够施加直流电流，地面导电良好。对于岩石回填或岩石区、冻土管段等情况，在进行检测时有很大障碍。同样难以实施检测。对于城镇管线，该方法的应用也受到限制。

1.5 PCM法

PCM法即多频管中电流法，该检测设备最早从英国引进，其原理是发射机将含有近于直流的多频的电流信号施加于目标管道上，多频电流沿着管道走向与地表形成电流回路，当埋地钢制管道的外防腐层无破损点时，管道中的多频电流随着传播距离的增加而有规律地衰减[18]。当腐蚀保护层受损时，如老化、破损，此时电流就会泄漏到土壤或其余的管线中，由于这种电流的泄漏问题，管线电流在防腐层的损伤点附近就会有明显的电流陡降异常的现象产生。由于电流密度的增加，土壤中的环路电流呈现出明显的交流电位梯度异常。

此方法不但能定位管道的位置，而且能估量管道外防腐层状况以及防腐层的破损的情况。除了在交流高压输电线路干扰环境下埋设的管道不适用外，适用于其他场合。

1.6 杂散电流检测技术

杂散电流干扰对埋地钢制管道所产生的危害目前已得到国家的重视和研究，我国为此还制定了相关的行业标准，给出了一些电腐蚀的解决方案，技术要求也非常清晰和完善[15]。当时，在检测设备领域还没有专门的现场操作设备，检测方法相对简单、效率不高，对治理方案的实行有直接影响。检测手段的单一性和低效率性，直接影响了维护方案的可行性。

SCM的工作原理在于通过智信器发送固定的电流信号，用SCM智感器对测量所选埋地钢制管道内所流动的干扰电流，以此获知埋地钢制管道的走向与深度、外防腐层完好性、阴极保护电位分布状况、破损点尺寸与位置、破损点的严重性与阴阳极倾向[25]。

通过SCM检测，可以了解管道上阴极保护电流的分布情况，也可以明确管道杂散电流的出入点，对于找出和消除杂散电流给埋地钢制管道防腐层的保护所带来的干扰是一个安全有效的方法[26]。此技术为埋地钢制管道的超声波检测提供了可行性，提供了埋地输气管道超声波检测的可行性，是替代漏磁通检测的有效方法。

2 综合检测技术方案

基于上述各种检测方法优缺点和适用环境的分析，为了适应复杂多变的检测环境，获取更详细、准确的检测数据，确保管道安全高效运行，提出埋地钢制管道综合检测技术方案。

通过该方案，基本可以掌握埋地钢制管道的走向、外防腐层完好程度、阴极保护有效性、破损点尺寸及所在位置、破损点的损坏程度与阴阳极走向，为管道监管部门对埋地钢制管道进行管理与维护提供依据[27]。

具体操作步骤如下：

（1）确定管道的走向

在埋地钢制管道外检测中，为了确保在管道上方进行检测，首先需要清楚管道的位置和方向。可以使用 RD400-PDL来确定工厂区域的短距离管道的位置和方向；对于长距离管道，则使用RD400-PCM 进行检测；最后可使用探地雷达对较为复杂的管道进行检测，如霍克地下管线检测雷达。

（2）管线外防腐层完好状态检测

采取PCM法评价管线外防腐层的完好程度。可采用设备PCM-TX进行检测。通过检测，可了解埋地钢制管道的外防腐层完好性。

（3）阴极保护效果检测

埋地钢制管道外防腐层较完好的管段，可以使用管道电位测量方法来全面评估管道的阴极保护效果[17]。而埋地管道外防腐层完好性差的管段，CIPS可以测试其潜在分布以确定阴保效果，从而确保管道的安全运行。对由于土壤的酸碱性而造成电阻率的区域，其可通过CIPS测试P/S电位，以解决IR降所造成的问题[19]。

（4）定位和估算外防腐层缺陷点的位置与尺寸

对埋地钢制管道外防腐层遭到损坏的部分管段，及阴极保护效果出现问题的管段，应检测和定位其损坏点所处位置，并对其尺寸进行估算。为了能够有效地确定外防腐层损伤点的尺寸，应使用DCVG + CIPS来确定外涂层损伤点的尺寸。

（5）缺陷点的损坏程度与阴阳极状态判断

判断埋地钢制管道外防腐层缺陷点的损坏程度以及阴阳极状态对于管道的的稳定运转具有重要意义。可通过DCVG + SCM来测定缺陷点和阳极/阴极状态下的严重程度。通常，可以使用DCVG，对于更复杂管道，建议使用SCM方法。因为，对于管道的断点，SCM可以更有效地进行杂散电流测试，发现损伤点阴阳极，有利于管道的检测和维护。

简而言之，可将上述步骤分为三个部分即：初步检测，精确检测，最终判断。具体流程图如图 1所示。

图1 检测方案流程图Fig.1 Detection scheme flow chart

3 结论

一般来说，管道公司使用标准管电位测试作为常规测试的手段[22]。在发现埋地钢制管道防腐层出现影响管道安全程度的问题时，则采用先进的直流电位梯度检测技术和密集间距电位测试技术，仔细检测管道缺陷分布[23]。这两种方法的结合使用是非常有必要的。利用该综合检测结果可准确定位所有的管道缺陷，并标记其中心位置，同时可利用DCVG技术确定每个缺陷的性质，阴阳极特征。此种综合测试方法虽可全部将管道缺陷记录在册，但不能够完全消除交直流杂散电流干扰，会对采集的数据造成一定的影响。因此在此综合方法的基础上，再结合杂散电流检测技术，从二制定对管道切实可行，又经济可靠的修复方案，能够在不开挖的情况下及时修复管道上由于腐蚀所造成的缺陷隐患，保持管道的安全使用[24]。

[1] 李德刚. 埋地管道外防腐层腐蚀检测与评价方法[J]. 化工设计通讯, 2017, (03): 152-153.

[2] 朱佳林, 侯元春, 薛华鑫. 埋地管道外防腐层检测技术综述[J]. 全面腐蚀制, 2013, (12): 33-36.

[3] 江涛, 于东升, 李方圆. 埋地管道外防腐层的检测与修复[J]. 管道技术与备, 2013, (02): 44-46.

[4] 史德化. 高压天然气钢质埋地管道外防腐系统检测技术与应用[J]. 上海气, 2015, (4): 20-22+33.

[5] 陈通. 埋地油气管道外防腐层检测及修复技术[J]. 全面腐蚀控制, 2016, (5): 40-41+49.

[6] 刘书, 胡晓峰, 孙树霞, 周亮. 埋地管道外防腐检测技术研究[J]. 化学工程与装备, 2014, (11): 210-213.

[7] 郭勇, 尹安, 王港, 李文豪, 刘守檩. 城镇燃气埋地钢质管道外防腐层检测方法[J]. 石油和化工备, 2017, (5):115-117.

[8] 王叙乔. 埋地油气管道外腐蚀成因及防腐技术分析[J]. 中国石油石化, 2017, (8): 127-128.

[9] 敖镇海. 埋地油气管道外防腐层检测及修复技术[J]. 化工管理, 2017, (12): 122.

[10] 陈世利, 李健, 靳世久, 宋诗哲. 埋地管道防腐层缺陷检测技术与仪器研究[J]. 仪器仪表学报, 2002, (1): 91-94.

[11] 刘博闻, 杨理践. 密间隔电位的埋地管道防腐层破损检测方法[J]. 电子器件, 2017, (1): 179-182.

[12] 偶国富, 朱祖超, 杨健, 王泽, 吴洪福. 埋地金属管道地面电磁检测技术研究[J]. 仪器仪表学报, 2007, (2):258-263.

[13] 陈德胜, 龙媛媛, 王遂平, 刘瑾, 尹春峰. DCVG+CIPS技术在净化油长输管道外检测中的应用[J]. 油气储运, 2012,(8): 615-616+647.

[14] 房克栋, 张红星, 史玉胜, 王福胜. 浅谈我国油气长输管道检测的现状与发展[J]. 中国石油石化, 2016, (S2): 34.

[15] 石海平. 杂散电流影响管道检测与维护探讨[J]. 科技与企业, 2016, (02): 247-249.

[16] 曲杰, 王志涛, 倪剑, 唐建华, 张亚. 海底管道外防腐检测技术浅析[J]. 中国设备工程, 2017, (12): 173-174.

[17] 崔艳雨, 张曼曼, 刘远征, 揭泽鹏. 埋地管道外防腐层性能评价准则综述[J]. 应用化工, 2015, (12): 2312-2316.

[18] 杨传俊, 张富强. 浅谈管道电流测绘系统在埋地管道外防腐层检测中的应用[J]. 中国储运, 2012, (06): 121-122.

[19] 肖俊建, 吴明明, 冯超英. 埋地管道外防腐及快速检测技术[J]. 化工生产与技术, 2004, (04): 24-26+51.

[20] 苑绍成, 魏宗濂. 埋地管道外防腐层绝缘电阻的测试——变频—选频法检测技术[J]. 城市煤气, 1996, (12): 22-26.

[21] 王志涛, 韩文礼. 基于直流电位梯度法的滩浅海海底管道外防腐层破损检测技术研究[J]. 表面技术, 2016, (11): 134-138.

[22] 龙媛媛, 谭晓林, 刘丽, 陈凯, 杨为刚. 净化油长输管道外防腐完整性检测与适用性分析[J]. 油气田地面工程,2013, (05): 93-94.

[23] 杨朝晖, 王港, 李健, 汪海波, 郭勇, 李向阳. 机场钢质输油管道的腐蚀检测与分析[J]. 钢铁研究学报, 2016, (02): 75-80.

[24] 某管道杂散电流检测及调整方案研究[J]. 马佳. 石化技术.2016(12).

[25] 输油管道杂散电流干扰的检测及对应措施[J]. 叶远锡, 李明, 王勇. 腐蚀与防护. 2016(05).

[26] 油气管线杂散电流检测[J]. 苑婷, 陈兴伟, 刘朝东. 科技展望. 2016(02).

[27] 于培林, 姚安林, 刘晓艳, 刘艳华. 油气管道外检测技术的综合应用[J]. 全面腐蚀控制, 2008, (02): 5-8+15.