穿越江河天然氣管道外腐蝕檢測技術應用研究

戴翔，劉云軒，陳湘清，劉翔

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南長沙 410117）

引言

由于穿越江河的天然氣管道會受到所處環境變化的影響，在潮流、挖沙、地質下沉、第三方破壞等因素的影響下，河床周邊環境會發生改變，使得掩埋于河床以下的管道發生裸露，甚至懸空于河水當中。因此，定期對穿越江河的天然氣管道進行外腐蝕檢測意義重大。

目前國內外對水下穿越管道開展外腐蝕檢測的技術手段主要包括潛水員水下作業、FieldSens技術、ONE-PASS技術、PURE技術和ROV技術。潛水員水下作業是潛水員下潛至水底進行檢測時，將檢測設備和管道表面進行接觸，這種檢測的適用范圍有限，而且檢測的條件比較苛刻不易滿足，同時周期無法保證，安全風險高。英國FieldSens管線探測儀是通過工作船拖拽接收器沿管道上方蛇形游走，水下信號接收裝置接收發射機給管道施加的電磁信號來定位管道位置，這種方法只能確定管線的位置。美國STARTRAK公司生產的ONE-PASS河流穿越管道檢測系統，原理是管道施加交流信號后，船載接收器在水中沿管道路由S形游走來定位管道位置，檢測結果僅能提供位置和埋深信息，且其定位深度不超過40米，也不能對陰保效果進行檢測，無法滿足外腐蝕檢測需求。加拿大PURE公司方法屬于水面檢測技術，采用直聯回路法對管道施加交流信號，在載具上使用接收器進行定位和測深，找到管道位置后將參比電極用探桿將其插入水中測量管地電位和電位梯度等陰保數據，該技術僅適用于流速較小、水深較淺的小型水域，管道埋深不大于20米的環境[1]。

國內River-ROV檢測系統將接收器和參比電極搭載到機器人上，通過推進器控制其移動，可下潛到水底在河床上（更靠近管道位置）對水下穿越管段實施路由定位、防腐層破損檢測、陰極保護有效性評價等項目。River-ROV檢測系統屬于電磁法結合密間隔電位法(CIPS)和直流電位梯度法(DCVG)等多功能水下檢測技術，可潛入水下深度50米，水底河床定位覆土深度超過40米，適用環境尤為廣泛。該系統已經于2017年成功推向市場，并在多個特征水域實施了相關檢測[2]。

1 水下穿越天然氣管道外腐蝕檢測系統

水下穿越天然氣管道檢測系統由江河穿越管道檢測系統(ROV)、管道防腐層檢測儀、密間隔管地電位檢測儀、管線定位儀、GPS定位儀、萬用表、參比電極、筆記本電腦等組成，該系統主要是對管道定位、埋深及水深測量、陰極保護有效性評價、管道防腐層完好性檢測和水下管道敷設環境調查。陸上埋地部分，采用防腐層檢測儀對管道進行定位和埋深測量、同時用GPS定位儀確定管道位置坐標，對管道防腐層進行完好性評價，利用密間隔電位法(CIPS)檢測數據和測量結果對管道進行陰極保護評價。

2 水下穿越天然氣管道外腐蝕檢測原理

2.1 管道定位、埋深測量

對水下穿越天然氣管道進行現場檢測時，首先需要確定管道的位置、埋深及走向，儀器測量出的管道埋深及電流值均受到管道定位精度的影響。利用有源電磁探測方法，可實現對陸上及水下管道的探測。探測原理是：利用管道防腐層的發射機對管道施加交變的電流信號，在管道周圍產生交變的磁場，使用電磁法感應線圈在管道上方測量所施加信號的分布情況，依據信號分布規律可精確定位管道的位置，同時通過該信號值可以探測管道的埋設深度。

手持接收機，令機身平面與管道走向垂直，機身底部接近地面。在管道上方橫向左右移動，以找到信號的最大響應點，并停在最大響應點。在獲得最大響應的點上，轉動儀器獲得最大響應。在上述位置上再將接收機向兩側輕微移動，找出峰值最大響應點。此時接收機所在位置即是埋地管道上方，且管線走向與接收機機身平面成直角。標出該點的確切位置，該位置就是管道所在的位置。

在峰值法上的記號點將接收機設置為工作谷值方式。根據左/右方向箭頭指示，在管道上面再找到一個最小響應點。如果此點與峰值法重合，說明管道已被精確定位；如不重合，說明管道位置尚未“精確”地找到，或有干擾存在。兩種方法定出的位置都偏離在管道的同一側，那么該管道的真實位置應該接近峰值法所定的位置。

圖1 定位示意圖

2.2 管道防腐層完好性檢測

管道防腐層檢測儀(DM)通過管中電流法和地面電場法實現管道外防腐層的檢測和評價。發射機給管道施加檢測信號電流，管道四周會產生感應磁場，接收機在地面管道上方跟蹤、采集該電磁信號，并測量出管道上方的電流強度。由于管道防腐層存在弱而穩定的導電性，在管道外防腐層完好時，隨著檢測距離的增加電流強度呈指數衰減規律。在管徑、管材、土壤環境不變的情況下，管道的防腐層的絕緣性越好，施加在管道上的電流損失越少，衰減越慢；如果管道防腐層損壞，絕緣性變差，管道上電流損失就越嚴重，衰減就越快。通過建立評價模型計算出防腐層絕緣電阻值Rg，按表1對管道的防腐層質量進行定量評價。

表1 外防腐層電阻率Rg值（kΩ·m2）分級評價

穿越陸地管段，一般利用交流電位梯度法(ACVG)對防腐層破損點進行檢測，其原理是利用管道防腐層檢測儀(DM)與A字架，通過測量土壤中交流電位梯度的變化，來對管道防腐層破損點進行探測和精準定位。

穿越水下管段，一般利用直流電位梯度法(DCVG)對防腐層破損點進行檢測，其原理是采用衛星同步斷流器對施加在管道上的陰極保護直流電流進行同步通/斷，利用硫酸銅參比電極，以一定間隔測量管道上方的直流電位梯度，接近破損點的時候，電壓梯度就越大，管道周圍的電流密度就越大，電位也就越高，防腐層破損面積越大，其附近的電流密度越大，介質表面的電壓梯度也就越大；而且通過識別破損點處土壤中電流的方向，可識別破損點的腐蝕活性。

2.3 陰極保護有效性評價

對于穿越江河的天然氣管道，管道在穿越過程中不可避免的存在外防腐層破損等缺陷，若防腐層破損嚴重，會使得管體金屬接觸土壤，從而可能造成破損處發生電化學腐蝕，威脅管道長期安全運行。對于長輸管道而言，按照現行法規標準的要求，管道要求采用防腐層加外加陰極保護電流來抵抗外界環境對管道本體的腐蝕。為防止管道被外界環境腐蝕，通過對被保護的管道施加陰極保護電流，通過陰極極化使其電極電位負移至金屬的平衡電位，從而抑制金屬腐蝕，這種保護方法稱為陰極保護。陰極保護效果會直接影響管道的使用壽命，因此，對于天然氣管道檢測，陰極保護有效性評價是一項非常重要的檢測項目。

依據GB/T21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法》的要求，需要通過測量管道的通電電位和斷電電位來評價陰極保護效果。測量前，先在陰保站安裝同步斷流器，并設置合理的通/斷周期；測量時，首先定位管道的位置，保證硫酸銅參比電極插入管道正上方，然后沿著管道走向，以一定的間隔移動硫酸銅參比電極，同時記錄通/斷電電位等數據，通過分析測量數據來評價陰極保護有效性。鋼質管道陰極保護檢測的標準電位區間，電位應位于-850mV至-1200mV（相對于飽和硫酸銅參比電極）之間，管道的最小保護電位需要達到-850mV。

3 水下穿越天然氣管道外腐蝕檢測技術的應用

3.1 檢測對象

采用水下管道檢測技術對某支線某河流穿越段天然氣管道進行管道定位、水深、埋深、陰保系統進行檢測。被檢管道及外防腐層材質等相關數據見表2。

表2 被檢管道參數

3.2 現場檢測

穿越陸地管段：首先，將管道防腐層檢測儀的發射機信號調至3+6+128Hz，信號強度調至3A，使用接收機及GPS檢測儀對兩端穿越管道陸上部分進行定位、埋深測量，運用交流電位梯度法(ACVG)和交變電流衰減法對陸上埋地管道進行防腐層檢測。

利用密間隔電位法(CIPS)某河流穿越段管道陸上部分進行陰極保護有效性檢測。⑴陰保信號調制：通過與陰保站相關負責人員的溝通，了解到某河流穿越段管道是受某站陰保系統保護的，因此在某站陰保系統中施加衛星同步斷流器，選取1.6秒通0.9秒斷的通斷周期；⑵穿越管道北岸陸上CIPS檢測選擇從北岸測試樁連接尾線，自測試樁開始一直檢測到某江邊位置，穿越管道南岸陸上CIPS檢測選擇從南岸山上的測試樁連接尾線，自測試樁開始一直檢測到某江邊位置。

穿越水下管段：水下管段檢測前期把同步發射機架設在測試樁上，選取640Hz頻率，發射強度為5A的信號，在北岸檢測到電流信號強度為1.8A，南岸檢測到電流信號強度為1.4A，滿足檢測要求。

隨后將ROV操作平臺架設在工作母船上，檢測機器人放入水中，作業人員通過操作平臺和臍帶纜控制檢測機器人進行管道檢測?？紤]到此次檢測河流的特殊性，我們選擇將水下檢測的定位、測深過程和電位測量過程分開進行。

具體操作過程：管道定位、測深過程，工作母船行至穿越段管道水流上游錨住，將水下機器人ROV下水后,沿管道路由切向拖拽行進ROV，在水面上初步確定管道位置，然后將ROV在管道下游方向沉入水底，并關閉ROV動力系統，母船上的作業人員通過臍帶纜拖動ROV直至跨過管道，此時ROV上搭載的電磁法管道定位器將對管道位置進行精確的定位，水下機器人ROV找到管道精確位置后，在該處測量管道位置、水深、覆土深度、聲吶等數據，完成以上流程后，ROV上浮至水面獲取GPS信號，通過內置慣導系統，精確計算水下管道真實經緯度信息，為確保檢測的準確性可多次進行測量。最后通過沿管道路由按指定間距重復以上過程，完成水下管道敷設路由、埋深及水深等項目的探測工作。

通過對某河流穿越管道水下管道檢測數據分析（見表3 某河流穿越管道檢測數據匯總表），該穿越管段未出現露管、懸跨現象；河道內區段最小埋深為6.4m，最大埋深為7.95m，最大水深3.13m，統計表內均為地表到管道中心的埋深數據，根據根據GB/T 37369-2019《埋地鋼質管道穿跨越段檢驗評價》的規定，管道應埋設在洪水沖刷線下或規劃疏浚線下1.5米，滿足標準要求。

表3 某河流穿越管道檢測數據匯總表

通過交流電流衰減法，采用現場采集的管中信號電流數據對各檢測段進行外防腐層絕緣電阻計算（由于穿越段埋深逐漸增加，隨著深度變化管中電流讀數會隨之變化無法獲取管中真實電流，因此只采用穿越入土點附近、出土點附近位置埋深較淺處電流值進行防腐層評估）。此段管道防腐層評估總長度：764.7m。其中，1級：764.7m，占比：100%；2級：0m，占比：0%；3級：0m，占比：0%；4級：0m，占比：0%。防腐層綜合等級為：1級，管道防腐層平均電阻值Rg≥300 kΩ·m2。

現場使用江河穿越管道檢測系統(ROV)，在管道上實施陰極保護檢測，檢測裝置一端使用帶絕緣層的金屬導線與水下管線的測試點連接，導線的另一端與檢測裝置內部的自動電位記錄儀相連接，記錄儀的另一端和飽和的氯化銀參比電極相連構成測量的回路。當檢測系統放置在水中時，由于水是導體，并且把裝置定位在管道的正上方時，可以進行自動或手動的測量，所測得的電壓即為管道的保護電位。使用該系統可以測量管道沿線的電位分布狀況，通過電位的分布狀況可以判斷管道的陰極保護狀況，并間接分析管道上防護層是否存在缺陷。

其中穿越水域管道的CIPS檢測數據見表4，從圖2中可以看出此次檢測的數據滿足鋼質管道的最小保護電位-850mV(相對于飽和硫酸銅參比電極)，也滿足管道陰極保護檢測的標準電位區間，電位在-0.85mV至-1200mV之間。穿越段CIPS檢測結果可知，水下部分管道斷電電位最負值-1184.6mV，斷電電位最正值-854mV，平均保護電位-1001.58mV；綜上所述，由于電位變化較大，采用平均保護電位來判定穿越段管道正處于保護狀態。

表4 某河流穿越管道CIPS檢測數據匯總

圖2 管道的保護電位

穿越段水下管道防腐層破損點檢測，用DCVG方法使用ROV水下檢測系統在水下管道上方河床進行電位梯度值的數據采集，并通過電位梯度的大小和電流方向的變化來判斷防腐層破損點。根據水下河床電位梯度測量結果：電位梯度通斷差最小值為8mV，最大值210mV，未發現明顯破損點指示。

4 結論

本文介紹了穿越江河天然氣管道外腐蝕檢測技術、方法及其原理，對穿越水域天然氣管道開展現場檢測，通過電磁法、交變電流衰減法、交流電位梯度法(ACVG)、直流電位梯度法(DCVG)、密間隔電位法(CIPS)等先進的檢測技術對穿越江河天然氣管道進行全方位檢測，可準確測量管道位置、埋深，檢測管道防腐層破損情況以及評價管道陰極保護有效性，為穿越江河天然氣管道檢測提供技術支持，保障了天然氣管道安全運行。