埋地鋼質(zhì)天然氣管道腐蝕控制檢測(cè)與對(duì)策

摘 要

摘要：結(jié)合實(shí)際的天然氣輸氣管道工程，對(duì)埋地管道外防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)。闡述了檢測(cè)工作的主要內(nèi)容，分析、評(píng)價(jià)了檢測(cè)結(jié)果，提出了腐蝕控制對(duì)策。關(guān)鍵詞：天然氣管
摘要：結(jié)合實(shí)際的天然氣輸氣管道工程，對(duì)埋地管道外防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)。闡述了檢測(cè)工作的主要內(nèi)容，分析、評(píng)價(jià)了檢測(cè)結(jié)果，提出了腐蝕控制對(duì)策。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；腐蝕控制；陰極保護(hù)；檢測(cè)
Testing and Countermeasures for Corrosion Control of Buried Steel Natural Gas Pipeline
XIAO Wei，KUANG Yue-fang
Abstract：Combined with an actual natural gas pipeline project，the operating conditions of external anticorrosion coating and cathodic protection system of buried pipeline is tested. The main content of testing work is expounded，the testing results are analyzed and evaluated，and the countermeasures for corrosion control are proposed.
Key words：natural gas pipeline；corrosion control；cathodic protection；testing
1 概述
    佛山市天然氣輸氣管道采用直縫雙面埋弧焊鋼管，鋼管規(guī)格為Ø508×9.5，材質(zhì)為L(zhǎng)360，設(shè)計(jì)壓力為4.4MPa。埋地管道的腐蝕控制方案采用陰極保護(hù)系統(tǒng)和管道外防腐層聯(lián)合保護(hù)。陰極保護(hù)系統(tǒng)以外加電流陰極保護(hù)為主，局部非開挖施工(頂管等)地段安裝犧牲陽(yáng)極為輔。鋼管外防腐采用3層聚乙烯加強(qiáng)級(jí)防腐層，即高密度聚乙烯作外涂層材料，熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)作底層，共聚物作中間粘結(jié)層，防腐層總厚度≥3.2mm。已在門站內(nèi)建設(shè)1座外加電流陰極保護(hù)站，站內(nèi)設(shè)有2臺(tái)恒電位儀(1開1備)、1臺(tái)控制柜以及1口深井陽(yáng)極井，井深33.4m，采用高硅鑄鐵陽(yáng)極，陰極保護(hù)站與管道同時(shí)投入運(yùn)行。
    由于佛山市天然氣輸氣管道大部分敷設(shè)于城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)，土壤多為回填土、建筑廢棄物，且地下水位高，地表水系發(fā)達(dá)，土壤的腐蝕性較強(qiáng)。為了全面掌握已運(yùn)營(yíng)管道的腐蝕控制狀況，制訂合理、科學(xué)的維護(hù)管理方案，我們對(duì)2007年底投產(chǎn)運(yùn)行的羅村調(diào)壓計(jì)量站至官窯調(diào)壓計(jì)量站間約20km的輸氣管道腐蝕控制進(jìn)行了全面檢測(cè)。
2 檢測(cè)工作的主要內(nèi)容
    ① 在非開挖的情況下，采用管線探測(cè)儀對(duì)管道的平面位置和埋深進(jìn)行復(fù)查，協(xié)助管理人員檢查管道埋深和復(fù)核線路標(biāo)志樁等設(shè)施。
② 采用管中電流檢測(cè)法(Pipe Current Mapping，PCM)和直流電壓梯度檢測(cè)法(Direct Current Voltage Gradient，DCVG)[1]，全面檢測(cè)該段管道外防腐層的現(xiàn)狀，包括防腐層老化情況、破損位置及破損大小狀況，測(cè)算防腐層的絕緣電阻率。管中電流檢測(cè)法是通過施加多頻信號(hào)電流在管道上，檢測(cè)信號(hào)電流在管道上的衰減率，計(jì)算出管道防腐層的平均絕緣電阻率。直流電壓梯度檢測(cè)法是向檢測(cè)管道施加特定頻率的電流信號(hào)，如果管道防腐層出現(xiàn)破損，信號(hào)電流就會(huì)從破損點(diǎn)流出，由于土壤的電阻作用，破損點(diǎn)與周圍大地之間產(chǎn)生了電壓梯度，通過對(duì)電壓梯度進(jìn)行檢測(cè)，確定破損點(diǎn)的位置和破損的程度。
③ 采用密間隔電位檢測(cè)法(Close Interval Potential Survey，CIPS)對(duì)管道陰極保護(hù)電位進(jìn)行檢測(cè)[1]，全面掌握陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)管道是否獲得全面、合適的陰極保護(hù)進(jìn)行測(cè)量?；驹硎牵簻y(cè)量埋地管道的管道電位數(shù)據(jù)，每間隔1～3m采集管道電位數(shù)據(jù)，對(duì)于采用陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道，測(cè)量時(shí)得到兩種管道電位，一是陰極保護(hù)系統(tǒng)開啟時(shí)管道電位Von，一是陰極保護(hù)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)管道電位Voff，其中Voff就是消除土壤中IR降后的保護(hù)電位。
④ 通過測(cè)量管道附近土壤電位梯度來(lái)判斷雜散電流分布情況，對(duì)確認(rèn)存在雜散電流干擾的管段進(jìn)行管道電位監(jiān)控測(cè)量，判斷雜散電流對(duì)管道的腐蝕影響。
3 檢測(cè)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)
① 管道外防腐層平均絕緣電阻率
通過管道測(cè)試樁施加多頻信號(hào)電流在管道上，根據(jù)每段檢測(cè)管道的長(zhǎng)度不同，輸入信號(hào)電流大小不同，現(xiàn)場(chǎng)每30m左右設(shè)1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)得電流值，把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，用PCM檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理軟件分析處理后，得到每段檢測(cè)管道防腐層絕緣電阻率，計(jì)算得到整條管道防腐層平均絕緣電阻率為15500Ω·m2以上質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)，則羅村調(diào)壓計(jì)量站至官窯調(diào)壓計(jì)量站的輸氣管道防腐層總體平均質(zhì)量等級(jí)屬于優(yōu)級(jí)別。
② 管道防腐破損點(diǎn)
通過管道測(cè)試樁向管道施加特定頻率的電流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)人員采用英國(guó)雷迪RD-PCM埋地管道外防腐狀況檢測(cè)儀(配A字架)，沿管道走向檢測(cè)，當(dāng)距離破損點(diǎn)足夠近時(shí)，就可在儀器上測(cè)得直流電壓梯度，將A字架的地針插入管道上方的土壤中，采用十字叉定位法，依據(jù)接收顯示的方向和DB微電壓的數(shù)值確定出電壓場(chǎng)的中心及大小，從而確定破損點(diǎn)的位置和破損的程度。共檢測(cè)出該段賣地輸氣管道防腐層缺陷點(diǎn)共計(jì)2處，經(jīng)開挖驗(yàn)證，2處缺陷均為防腐施工質(zhì)量問題。一處3層聚乙烯防腐層厚度不達(dá)標(biāo)，應(yīng)采用熱收縮套修補(bǔ)，加大外防腐層厚度；另一處在惡劣土壤環(huán)境下，補(bǔ)口處防腐層與管道輕度剝離，使用電火花儀(30kV)檢查未發(fā)現(xiàn)漏電，在陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下，可暫不作修補(bǔ)處理，但應(yīng)對(duì)缺陷位置進(jìn)行標(biāo)示并加強(qiáng)測(cè)試監(jiān)控[2]。
    ③ 管道陰極保護(hù)系統(tǒng)
    在陰極保護(hù)電源輸出線上串接斷流器，斷流器以一定的周期斷開或接通，檢測(cè)人員沿管道軸向每間隔1m，采集陰極保護(hù)系統(tǒng)開、關(guān)時(shí)管道電位數(shù)據(jù)，繪制連續(xù)的管道電位曲線圖，直觀反映出管道全線陰極保護(hù)電位情況。
    當(dāng)管道沒有外加陰極保護(hù)電流，只有少量犧牲陽(yáng)極工作的情況下，測(cè)得羅村調(diào)壓計(jì)量站至官窯調(diào)壓計(jì)量站之間管道電位分布情況是：羅村調(diào)壓計(jì)量站至桃園路立交橋約15km管道，管道電位(Cu/CuSO4參比電極，以下同)為-0.95V～-0.85V，達(dá)到最小保護(hù)電位要求(-0.85V)，占管道總長(zhǎng)的75%；剩余部分的管道從桃園路立交橋至官窯調(diào)壓計(jì)量站約5km管道，管道電位為-0.85～-0.81V，沒有達(dá)到但接近保護(hù)電位。
    當(dāng)管道有外加陰極保護(hù)電流和犧牲陽(yáng)極工作的情況下，從羅村調(diào)壓計(jì)量站至官窯調(diào)壓計(jì)量站之間管道的保護(hù)電位為-1.21～-1.01V，全部達(dá)到了-1.25～-0.85V的保護(hù)電位的要求，陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行良好。
    ④ 雜散電流分布情況
    一般認(rèn)為，當(dāng)管道附近土壤中的電位梯度大于0.5mV/m，雜散電流的干擾存在；當(dāng)土壤中的電位梯度大于2.5mV/m，應(yīng)及時(shí)采取防護(hù)措施[3]。在對(duì)該段管道附近土壤進(jìn)行電位梯度檢測(cè)時(shí)，沿管道走向每間隔300m左右測(cè)量1組土壤電位梯度值，特殊復(fù)雜地段則縮小檢測(cè)間距。經(jīng)檢測(cè)、計(jì)算，土壤電位梯度最大值出現(xiàn)在羅村調(diào)壓計(jì)量站和官窯調(diào)壓計(jì)量站附近，均達(dá)到2.1mV/m；土壤電位梯度最小值出現(xiàn)在桃園路立交橋以北2km處，為0.3mV/m。為了進(jìn)一步驗(yàn)證雜散電流的干擾存在，還對(duì)整條管道電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)測(cè)試樁都采用電位監(jiān)控記錄儀進(jìn)行了一定時(shí)間的監(jiān)控測(cè)量，特別對(duì)兩座調(diào)壓計(jì)量站外測(cè)試樁進(jìn)行了24h連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表波動(dòng)，其中官窯調(diào)壓計(jì)量站外20號(hào)測(cè)試樁測(cè)得的管道電位在-1.17～-0.91V范圍波動(dòng)，波動(dòng)幅度為0.26V；其余的測(cè)試樁測(cè)得管/地電位波動(dòng)幅度為0.06～0.22V，但管道電位均負(fù)于-0.85V。
    《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕控制工程設(shè)計(jì)規(guī)范》SY0007—1999對(duì)雜散電流強(qiáng)弱程度的判斷指標(biāo)為：土壤中的電位梯度小于0.5mV/m，雜散電流干擾程度??；土壤中的電位梯度范圍為0.5～5mV/m，雜散電流干擾程度中等；土壤中的電位梯度大于5mV/m，雜散電流干擾程度大。因此，現(xiàn)狀管道上分布的雜散電流干擾程度一般，綜合國(guó)內(nèi)外腐蝕控制經(jīng)驗(yàn)，在陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，可暫不采取排流措施[3]。
4 埋地天然氣管道腐蝕控制對(duì)策
    ① 羅村調(diào)壓計(jì)量站至官窯調(diào)壓計(jì)量站的輸氣管道投產(chǎn)運(yùn)行兩年后，對(duì)管道的腐蝕控制系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)顯示管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，鋼管的外防腐層基本完好，能夠?qū)⒏g介質(zhì)與鋼管表面隔離開，起到良好的防護(hù)作用。
    但是由于埋地管道長(zhǎng)期受到土壤溶液的侵蝕作用，任何一種防腐絕緣材料都不可能完全將腐蝕介質(zhì)與管道隔離，而且管道防腐層在生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工的多個(gè)環(huán)節(jié)均有可能受到一定程度的損傷。為了保證管道的正常運(yùn)行，可每3年進(jìn)行1次非開挖管道外防腐層檢測(cè)，配合檢測(cè)結(jié)果局部開挖驗(yàn)證。對(duì)已檢測(cè)出的管道防腐層缺陷點(diǎn)，應(yīng)0.5年后進(jìn)行1次復(fù)查，掌握防腐層缺陷的發(fā)展?fàn)顩r，及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，確保管道處于良好的保護(hù)狀態(tài)。
    ② 根據(jù)PCM方法檢測(cè)得到管道防腐層平均電阻率為15500Ω·m2，按照外加電流陰極保護(hù)長(zhǎng)度的簡(jiǎn)化公式計(jì)算，得到現(xiàn)狀管道陰極保護(hù)總保護(hù)長(zhǎng)度為71.99km[4]。
    目前佛山市已通氣的天然氣主管道約70km，且已建的1座陰極保護(hù)站基本位于管道的中間，該站的保護(hù)長(zhǎng)度基本已達(dá)到極限。并且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，管道防腐層絕緣電阻將出現(xiàn)一定程度的下降，管道所需的保護(hù)電流密度增加，保護(hù)長(zhǎng)度將縮短。要維持現(xiàn)有的管道保護(hù)長(zhǎng)度，就必須提高通電點(diǎn)的輸出電位，增大輸出電流，但這樣會(huì)導(dǎo)致通電點(diǎn)電位過高而形成“過保護(hù)”。因此，應(yīng)結(jié)合未來(lái)管道規(guī)劃，考慮增加若干15深井陽(yáng)極井，以保證所有運(yùn)行管道均處于受保護(hù)狀態(tài)。
   ③ 隨著城市化的發(fā)展，公路、鐵路、工業(yè)區(qū)等的配電設(shè)施都可能在土壤中形成雜散電流，并且雜散電流對(duì)管道的腐蝕會(huì)隨雜散電流源的工作狀態(tài)和管道的外防腐絕緣層的變化而變化，這給雜散電流的監(jiān)測(cè)和排除帶來(lái)很大困難。
    參照此次的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合雜散電流腐蝕控制管理的特點(diǎn)，可在輸氣管線的設(shè)計(jì)、施工以及日常維護(hù)管理等方面采取以下應(yīng)對(duì)措施[5]：
    a. 合理選擇管道的走向，盡量遠(yuǎn)離雜散電流干擾源；對(duì)經(jīng)過鐵路、公路等地段的管道可加密安裝電位測(cè)試樁，日常管網(wǎng)巡檢有針對(duì)性地加密檢測(cè)；加強(qiáng)管道巡檢并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管道附近土壤電位梯度，特別是土壤電位梯度波動(dòng)范圍較大地段應(yīng)定期檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析土壤電位梯度是否有增大的趨勢(shì)。
    b. 嚴(yán)格監(jiān)控管道沿線的工廠、在建鐵路等潛在的雜散電流干擾源；當(dāng)測(cè)得土壤中的電位梯度大于2.5mV/m，或管道電位較自然電位正向偏移100mV時(shí)，及時(shí)采取排流措施[5]。
    c. 當(dāng)管道路由附近存在電塔或其他配電設(shè)施時(shí)，應(yīng)主動(dòng)與供電部門協(xié)商，遷移電塔或配電設(shè)施的接地體，盡量使接地體安裝于遠(yuǎn)離管道的另一側(cè)，加大管道與接地體的距離。
    d. 嚴(yán)格落實(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行管理的工作內(nèi)容，加強(qiáng)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，作好管道陰極保護(hù)的日常檢測(cè)，詳細(xì)記錄檢測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)。定期測(cè)量管道的陰極保護(hù)電位，定期對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控的管道區(qū)域進(jìn)行土壤電位梯度檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)作好記錄并存檔。日積月累的檢測(cè)記錄將有助于我們客觀地評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果，為管道的運(yùn)行維護(hù)工作提供重要依據(jù)。
5 結(jié)語(yǔ)
    通過對(duì)管道外防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)的全面檢測(cè)分析，可了解管道腐蝕控制的現(xiàn)狀，為科學(xué)合理地、有針對(duì)性地制訂管道運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理方案提供依據(jù)，也為下一步的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工提供參考數(shù)據(jù)。參照相關(guān)國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多項(xiàng)工程實(shí)例，我們認(rèn)為，陰極保護(hù)系統(tǒng)與管道外防腐層相結(jié)合的管道防腐方法是較為經(jīng)濟(jì)、有效的管道腐蝕控制措施，且陰極保護(hù)系統(tǒng)的工程造價(jià)在工程總造價(jià)中的比例不足1%，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益都顯而易見。
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(本文作者：肖煒 鄺月芳 佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司 廣東佛山 528000)