城市燃?xì)饴竦劁摴芡暾栽u(píng)價(jià)的實(shí)踐

摘 要

摘要：介紹了南山天然氣公司埋地鋼管完整性評(píng)價(jià)的實(shí)踐情況，并對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討。從理論及實(shí)踐上闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術(shù)檢測(cè)金屬管道防腐層的原理
摘要：介紹了南山天然氣公司埋地鋼管完整性評(píng)價(jià)的實(shí)踐情況，并對(duì)評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討。從理論及實(shí)踐上闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術(shù)檢測(cè)金屬管道防腐層的原理及應(yīng)用方法，針對(duì)該方法應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿乐懈鞣N不同材質(zhì)防腐層的檢測(cè)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了不同的檢測(cè)方案，為DCVG檢測(cè)技術(shù)在城市燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測(cè)提供了工程經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：直流電壓梯度；鋼管；防腐層；完整性評(píng)價(jià)
Practice of Integration Assessment of Steel Town Gas Pipeline
Nanshan Gas Company Ltd  Yang Zhongying，Yang Shikun，Shi Yuesheng
Alleren Technologies Ltd  Ye Genyin，He Nengjie
South China University of Technology  Xie Donglai
Abstract：The practice of the integration assessment of steel gas pipeline operaterd by Nanshan Gas Comnany Ltd.is introduced.Problems raised during the assessment process are discussed.The principle and detection method of the DCVG(Direct Current Voltage Gradient)technique on the metallic town gas pipeline anticorrosive coating survey is introduced.Different detection schemes are applied according to their coating materials.The practice provided a powerful exploration on the application of DCVG technique on town gas pipeline integration assessment.
Keywords：Direct Current Voltage Gradient；Anticorrosive coating；Interation assessment
1 前言
    進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)邁進(jìn)了天然氣時(shí)代，天然氣的應(yīng)用得到迅速普及，天然氣管道鋪設(shè)里程數(shù)不斷攀升。2004年中國(guó)城市燃?xì)夤艿涝谝劾锍虜?shù)是13.48萬(wàn)km[1]，到2008年增加至18.4萬(wàn)km。中國(guó)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)較長(zhǎng)輸油氣管網(wǎng)有著自身的特點(diǎn)：(1)輸送的介質(zhì)多變，許多城市先后輸送過(guò)煤制氣、液化石油氣混空氣、天然氣等；(2)管材多樣：有鋼管、球墨鑄鐵管、灰口鑄鐵管、PE管、鋼骨架塑料管等；(3)鋼管防腐層材質(zhì)不一：有環(huán)氧樹(shù)脂、煤瀝青、冷纏帶、PE等防腐材料，并且這些防腐材料還可能在同一管網(wǎng)中出現(xiàn)；(4)陰極保護(hù)方式不規(guī)范：城市燃?xì)夤艿来蟛糠植捎脿奚?yáng)極的保護(hù)方式，但有很多管道未進(jìn)行陰極保護(hù)；(5)資料不詳，由于管道的竣工時(shí)間不同、后期又有施工變更及資料保管不力，造成部分管道竣工資料丟失，管道位置不詳；(6)管道所在區(qū)域人口密集度高，管道的潛在危險(xiǎn)可能引發(fā)重大事故。因此，城市燃?xì)夤艿赖陌踩c風(fēng)險(xiǎn)管理是燃?xì)夤景踩a(chǎn)工作中的重中之重。
   南山天然氣公司位于山東省龍口市，公司籌建于2003年，主體管網(wǎng)始建于2004年，2005年8月置換供氣，2010年供氣量達(dá)2.0億m3，日最高供氣量達(dá)65萬(wàn)m3。公司主體管網(wǎng)由508mm，426mm、406mm、325mm、273mm、219mm、159mm等多種管徑鋼管組成，管網(wǎng)地質(zhì)情況沙質(zhì)為主，地處海邊，次高壓管網(wǎng)經(jīng)過(guò)煤炭塌陷區(qū)。埋地鋼管進(jìn)行了3層PE、煤瀝青、冷纏帶等防腐層技術(shù)處理。近年來(lái)，為了適應(yīng)南山集團(tuán)東海園區(qū)及南山同區(qū)的城市及工業(yè)發(fā)展需要，燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行了大幅度的擴(kuò)展及延伸，在役管道里程數(shù)已達(dá)到350km，其中鋼管220km。為了確保燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行，依據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》(CJJ95-2003)、《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和搶修安全技術(shù)規(guī)程》(CJJ51-2006)，南山天然氣公司決定為在役的鋼制管道進(jìn)行管道完整性評(píng)價(jià)，同時(shí)，為嚴(yán)把工程驗(yàn)收關(guān)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新建管道存在問(wèn)題，在竣工驗(yàn)收之前也要求進(jìn)行管道完整性評(píng)價(jià)。
2 鋼管完整性評(píng)價(jià)方案及原理
埋地鋼管防腐層缺陷探測(cè)的方法有很多，如標(biāo)準(zhǔn)管/地(P/S)電位測(cè)試、密間隔電位測(cè)試技術(shù)(CIPS)、直流電位梯度測(cè)試技術(shù)(DCVG)、皮爾遜(Pearson)檢測(cè)技術(shù)、管中電流衰減測(cè)試技術(shù)(PCM)、變頻-選頻技術(shù)等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。南山天然氣公司在役燃?xì)夤艿乐饕捎?層PE防腐、煤瀝青及冷纏帶3種防腐層技術(shù)。防腐層材質(zhì)不一對(duì)管道檢測(cè)帶來(lái)一定的閑難，根據(jù)我們多年從事管道防腐層質(zhì)量評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)，決定采用DCVG檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道防腐層進(jìn)行全面調(diào)查。
2.1 DCVG檢測(cè)技術(shù)原理
    DCVG技術(shù)是在埋地管道上施加一個(gè)直流電源(如陰極保護(hù)電流)，并采用周期性同步斷路器使管道上形成周期性通、斷的直流電流。如果管道防腐層存在破損點(diǎn)，泄漏電流將在破損點(diǎn)周?chē)寥佬纬梢粋€(gè)穩(wěn)定的直流電壓梯度場(chǎng)，其范圍將在十幾米至幾十米之間變化，通過(guò)在管道地面上方的兩個(gè)飽幣HCu/CuS04參比電極(CSE)以及與電極連接的高靈敏度毫伏表來(lái)檢測(cè)這個(gè)電位差，就可以判斷管道破損點(diǎn)的位置和大小。由于DCVG檢測(cè)技術(shù)采用的是周期性的外加直流電流，不受交流電等雜散電流的干擾[2]。
    根據(jù)DCVG檢測(cè)的技術(shù)原理，通過(guò)對(duì)埋地管道防腐層缺陷處地表電場(chǎng)檢測(cè)，繪出缺陷處地表電場(chǎng)等位線(xiàn)輪廓形狀，根據(jù)繪制的地表電場(chǎng)等電位線(xiàn)可以判斷埋地管道防腐層缺陷的形狀以及缺陷所在管體的位置。典型的電場(chǎng)等電位輪廓線(xiàn)有圖1所示的幾種[3]。

    在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)管地電位差可以進(jìn)一步判斷防腐層缺陷的大小。在陰極保護(hù)過(guò)程中，外加電流在管道上形成的電位差包括管道到周邊土壤的電位差VI和管道邊的土壤到遠(yuǎn)方大地的電位差VS，管道的電位差可由圖2所示，他們之間的關(guān)系可由下式表示[3]：
    VT=VI+VS   (1)
其中：VT——管道到遠(yuǎn)方大地點(diǎn)的電位差，mv
    VI——管道到周邊土壤的電位差，mV
    VS——管道邊的土壤到遠(yuǎn)大地點(diǎn)的電位差，mv
    采用DCVG進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，VT為管道外加電流的斷電電位Voff與管道外加電流的通電電位Von的差，VS可由DCVG的高靈敏度毫伏表直接讀取。
在埋地管道陰極保護(hù)電位差中，VI是外加陰極保護(hù)電壓中真正起到保護(hù)管道作用的一部分電壓，VS是為克服土壤阻抗而損失的電壓，對(duì)于保護(hù)管道并沒(méi)有作用，所以，要獲得較好的陰極保護(hù)效果，VI應(yīng)較大而VS較小，陰極保護(hù)的水平可以用VI的大小來(lái)衡量。然而，在實(shí)際的檢測(cè)中很難對(duì)VI進(jìn)行測(cè)量，而較容易測(cè)量VS的值，因此，可以利用VS值的大小來(lái)評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的作用，通常是利用其占埋地管道外加陰極保護(hù)電位差的百分比進(jìn)行表示，公式如下：
 
    IR越大，陰極保護(hù)程度越低，外加電流在此處流失嚴(yán)重，因此，埋地管道防腐層缺陷面積越大，因而DCVG能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)防腐層缺陷面積的大小，并能對(duì)整個(gè)管道的陰極保護(hù)效果做出客觀的判斷[4～5]。
2.2 檢測(cè)具體方案
   由于公司燃?xì)夤芫W(wǎng)采用了3種防腐材料，3種防腐材料都有這各自的特點(diǎn)：3層PE防腐層絕緣性較好，防腐層沒(méi)有破損的情況下不會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，而煤瀝青及冷纏帶防腐層的絕緣性較差，在管道上施加DCVG檢測(cè)電流，在管道周邊會(huì)出現(xiàn)幾毫伏的微小漏電電位。因此，在試探性檢測(cè)后提出以下檢測(cè)方案：在管道檢測(cè)過(guò)程中對(duì)3層PE類(lèi)防腐層采用傳統(tǒng)的DCVG檢測(cè)方法即尋找防腐漏點(diǎn)來(lái)判斷管道防腐層的好壞。對(duì)于采用煤瀝青及冷纏帶防腐的鋼制管道采用檢測(cè)垂直于管道走向方向約1m內(nèi)的地表電位差，并繪制管道沿途電位差值與距離的關(guān)系確定管道防腐層的好壞。
3.1 檢測(cè)結(jié)果
    本次鋼制管道防腐層安全評(píng)價(jià)共檢測(cè)72.3km在役管道，其中約26.4km為新鋪設(shè)管道(在役未滿(mǎn)1年)。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。
    從檢測(cè)結(jié)果可以看出3層PE類(lèi)防腐層單位里程數(shù)內(nèi)出現(xiàn)缺陷的數(shù)目明顯小于煤瀝青及冷纏帶類(lèi)防腐層。根據(jù)檢測(cè)到信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)達(dá)到開(kāi)挖程度的漏電點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖結(jié)果表明除個(gè)別情況受到環(huán)境影響未找到防腐層破損處外，開(kāi)挖結(jié)果基本與檢測(cè)結(jié)果相同，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。說(shuō)明了廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道檢測(cè)的DCVG技術(shù)同樣可以應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測(cè)工作。
表1 鋼制管道防腐層安全評(píng)價(jià)檢測(cè)結(jié)果
防腐層類(lèi)型
3層PE
煤瀝青
冷纏帶
舊管道
新管道
舊管道
新管道
舊管道
新管道
里程數(shù)(km)
41
23.6
3.18
0
2.77
1.78
漏電信號(hào)數(shù)
34
6
23
0
14
7
開(kāi)挖數(shù)
8
4
3
O
0
1
開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)破損點(diǎn)數(shù)
6
4
3
0
0
1
    對(duì)煤瀝青及冷纏帶防腐層的管道采用DCVG技術(shù)檢測(cè)垂直于管道走向1m內(nèi)電位差波動(dòng)來(lái)判斷防腐層的好壞。如圖3所示的為某條采用煤瀝青防腐層的中壓管道的電位梯度變化圖。由于整個(gè)管網(wǎng)內(nèi)未設(shè)置絕緣法蘭，管道內(nèi)施加的電流流失嚴(yán)重，在管道閥門(mén)井處施加電壓信號(hào)只能達(dá)到350mV。檢測(cè)過(guò)程中采取每間隔5m記錄一次電位梯度值，在信號(hào)增強(qiáng)區(qū)間內(nèi)減少踩點(diǎn)間距，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制沿管道走向方向1m范圍內(nèi)的電位梯度圖。從圖可以清楚的反映管道防腐層的狀況。在圖中出現(xiàn)波峰處說(shuō)明管道防腐層漏點(diǎn)嚴(yán)重，防腐層出現(xiàn)較大問(wèn)題需要進(jìn)行開(kāi)挖修補(bǔ)。這種方法能有效的判斷管道是否因?yàn)榉栏瘜咏^緣性能差而造成的漏電還是防腐層出現(xiàn)缺陷而造成的漏電。對(duì)該段管道選擇性的選取了3處波峰位置進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，開(kāi)挖結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)管道防腐層出現(xiàn)多處破損，其中一處管道防腐層出現(xiàn)大面積的脫落，如圖4所示。
 

3.2 檢測(cè)結(jié)果討論
    本次鋼制管道防腐層安全評(píng)價(jià)主要出現(xiàn)以下問(wèn)題：
    (1) 管道防腐層漏電點(diǎn)出現(xiàn)區(qū)域性集中。城市燃?xì)夤艿啦煌陂L(zhǎng)輸燃?xì)夤艿溃煌墓艿朗┕さ臅r(shí)間不同，施工及監(jiān)理單位不同，施工的環(huán)境也有所不同，這些都會(huì)影響到管道防腐的好壞。因此，在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，部分管道防腐層狀況較好，未出現(xiàn)防腐層漏電現(xiàn)象。而部分管道出現(xiàn)較多漏電現(xiàn)象。如在一段長(zhǎng)約1.5km的次高壓管道上發(fā)現(xiàn)9處漏電現(xiàn)象。選擇性的對(duì)5處進(jìn)行開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)4處出現(xiàn)管防腐層破損，1處為犧牲陽(yáng)極干擾，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。對(duì)開(kāi)挖的防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，防腐層破損基本是施工過(guò)程中遺留下來(lái)的。因此，管道施工過(guò)程中塒防腐層的保護(hù)是非常重要的，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程中的監(jiān)理。
    (2) 從管道的在役工齡來(lái)看，新鋪設(shè)管道同樣存在防腐層缺陷，對(duì)新鋪設(shè)的3層PE防腐層及冷纏帶防腐層的5處開(kāi)挖結(jié)果表明，其中4處為施工過(guò)程中防腐層處理不當(dāng)而造成的，一處為后期管道施工時(shí)對(duì)管道造成的損傷。這些缺陷點(diǎn)對(duì)今后防腐層的運(yùn)行存在著致命的危害。這也印證了在役管道防腐層的缺陷主要來(lái)自于管道施工過(guò)程中，因此，對(duì)新鋪設(shè)管道進(jìn)行防腐層安全評(píng)價(jià)是非常有必要的。
    (3) 在防腐層檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分管道位置遺失或位置與標(biāo)志樁標(biāo)示位置不對(duì)，這給管道的維護(hù)和管理造成了嚴(yán)重的閑難。在本次管道完整性評(píng)價(jià)過(guò)程中，同時(shí)對(duì)管道的走向及埋深進(jìn)行了探測(cè)，并對(duì)管道進(jìn)行了GPS定位，繪制了帶GPS坐標(biāo)的管位走向圖，這為今后本公司管道的管理和維護(hù)提供了寶貴的資料。
表2 防腐層檢測(cè)及開(kāi)挖情況表
序號(hào)
DCVG(mV)
IR
相對(duì)位置
防腐層破損程度
1
20
4.3%
0+380m
未開(kāi)挖
2
19
4.2%
0+460m
開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)此處出現(xiàn)3×3cm防腐層破損
3
80
18.2%
0+464m
開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)此處出現(xiàn)14×3cm的防腐層破損，防腐層出現(xiàn)明顯劃傷痕跡
4
6
1.5%
0+530m
未開(kāi)挖
5
10
2.2%
0+556m
未開(kāi)挖
6
32
7.1%
O+595m
開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)此處出現(xiàn)4×3cm的防腐層破損
7
130
26.5%
O+1062m
預(yù)測(cè)為犧牲陽(yáng)極埋設(shè)點(diǎn)(未開(kāi)挖)
8
30
6.0%
O+1490m
開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)此處管道正上方積壓一石塊，撬開(kāi)石塊，防腐層有2×2.5cm的破損
9
200
40.5%
O+1590m
開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)此處為犧牲陽(yáng)極埋設(shè)處
4 結(jié)論
    南山天然氣公司本著以人為本的方針對(duì)該公司管轄的鋼制天然氣管道進(jìn)行了完整性評(píng)價(jià)，并對(duì)新竣工管道同樣進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)并將防腐層檢測(cè)結(jié)果作為管道竣工驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)之一，這是對(duì)管道安全運(yùn)行管理的一次重要探索。檢測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證對(duì)新竣工管道進(jìn)行防腐層完整性評(píng)價(jià)是有必要的。本次完整性評(píng)價(jià)主要采用DCVG檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)不同的防腐層材料采用不同的數(shù)據(jù)處理方法，特別是針對(duì)于防腐層電阻率較低的煤瀝青及冷纏帶類(lèi)防腐層提出采用測(cè)量垂直于管道走向1m距離的地表電位差作為判斷防腐層缺陷點(diǎn)的依據(jù)。通過(guò)檢測(cè)表明DCVG能夠勝任不同材質(zhì)防腐層的安全評(píng)價(jià)工作，為DCVG技術(shù)應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿罊z測(cè)進(jìn)行了有利的探索。
參考文獻(xiàn)
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5 張宇.埋地管道防腐層缺陷快速榆測(cè)系統(tǒng)的研究[C].天津：天津大學(xué)，2006
 
(本文作者：楊忠營(yíng)1 楊世坤1 師躍勝1 葉根銀2 何能杰2 解東來(lái)3 1.南山天然氣公司 265700；2.丹陽(yáng)奧恩能源科技發(fā)展有限公司 212300；3.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 510640)