城市燃氣埋地鋼管完整性評價的實踐

摘 要

摘要：介紹了南山天然氣公司埋地鋼管完整性評價的實踐情況，并對評價過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行了深入的探討。從理論及實踐上闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術(shù)檢測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價的實踐情況，并對評價過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行了深入的探討。從理論及實踐上闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術(shù)檢測金屬管道防腐層的原理及應(yīng)用方法，針對該方法應(yīng)用于城市燃氣管道中各種不同材質(zhì)防腐層的檢測，根據(jù)實踐經(jīng)驗提出了不同的檢測方案，為DCVG檢測技術(shù)在城市燃氣管道防腐層檢測提供了工程經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：直流電壓梯度；鋼管；防腐層；完整性評價
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
    進入21世紀，中國邁進了天然氣時代，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年中國城市燃氣管道在役里程數(shù)是13.48萬km[1]，到2008年增加至18.4萬km。中國城市燃氣管網(wǎng)較長輸油氣管網(wǎng)有著自身的特點：(1)輸送的介質(zhì)多變，許多城市先后輸送過煤制氣、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)陰極保護方式不規(guī)范：城市燃氣管道大部分采用犧牲陽極的保護方式，但有很多管道未進行陰極保護；(5)資料不詳，由于管道的竣工時間不同、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，管道的潛在危險可能引發(fā)重大事故。因此，城市燃氣管道的安全與風(fēng)險管理是燃氣公司安全生產(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2.0億m3，日最高供氣量達65萬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)過煤炭塌陷區(qū)。埋地鋼管進行了3層PE、煤瀝青、冷纏帶等防腐層技術(shù)處理。近年來，為了適應(yīng)南山集團東海園區(qū)及南山同區(qū)的城市及工業(yè)發(fā)展需要，燃氣管網(wǎng)進行了大幅度的擴展及延伸，在役管道里程數(shù)已達到350km，其中鋼管220km。為了確保燃氣管網(wǎng)的安全運行，依據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》(CJJ95-2003)、《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)施運行、維護和搶修安全技術(shù)規(guī)程》(CJJ51-2006)，南山天然氣公司決定為在役的鋼制管道進行管道完整性評價，同時，為嚴把工程驗收關(guān)，及時發(fā)現(xiàn)新建管道存在問題，在竣工驗收之前也要求進行管道完整性評價。
2 鋼管完整性評價方案及原理
埋地鋼管防腐層缺陷探測的方法有很多，如標(biāo)準(zhǔn)管/地(P/S)電位測試、密間隔電位測試技術(shù)(CIPS)、直流電位梯度測試技術(shù)(DCVG)、皮爾遜(Pearson)檢測技術(shù)、管中電流衰減測試技術(shù)(PCM)、變頻-選頻技術(shù)等，這些方法各有優(yōu)缺點。南山天然氣公司在役燃氣管道主要采用3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)不一對管道檢測帶來一定的閑難，根據(jù)我們多年從事管道防腐層質(zhì)量評價的經(jīng)驗，決定采用DCVG檢測技術(shù)對管道防腐層進行全面調(diào)查。
2.1 DCVG檢測技術(shù)原理
    DCVG技術(shù)是在埋地管道上施加一個直流電源(如陰極保護電流)，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，泄漏電流將在破損點周圍土壤形成一個穩(wěn)定的直流電壓梯度場，其范圍將在十幾米至幾十米之間變化，通過在管道地面上方的兩個飽幣HCu/CuS04參比電極(CSE)以及與電極連接的高靈敏度毫伏表來檢測這個電位差，就可以判斷管道破損點的位置和大小。由于DCVG檢測技術(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檢測的技術(shù)原理，通過對埋地管道防腐層缺陷處地表電場檢測，繪出缺陷處地表電場等位線輪廓形狀，根據(jù)繪制的地表電場等電位線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。典型的電場等電位輪廓線有圖1所示的幾種[3]。

    在檢測過程中，通過檢測管地電位差可以進一步判斷防腐層缺陷的大小。在陰極保護過程中，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——管道到遠方大地點的電位差，mv
    VI——管道到周邊土壤的電位差，mV
    VS——管道邊的土壤到遠大地點的電位差，mv
    采用DCVG進行檢測時，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電位差中，VI是外加陰極保護電壓中真正起到保護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，對于保護管道并沒有作用，所以，要獲得較好的陰極保護效果，VI應(yīng)較大而VS較小，陰極保護的水平可以用VI的大小來衡量。然而，在實際的檢測中很難對VI進行測量，而較容易測量VS的值，因此，可以利用VS值的大小來評價陰極保護的作用，通常是利用其占埋地管道外加陰極保護電位差的百分比進行表示，公式如下：
 
    IR越大，陰極保護程度越低，外加電流在此處流失嚴重，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)測防腐層缺陷面積的大小，并能對整個管道的陰極保護效果做出客觀的判斷[4～5]。
2.2 檢測具體方案
   由于公司燃氣管網(wǎng)采用了3種防腐材料，3種防腐材料都有這各自的特點：3層PE防腐層絕緣性較好，防腐層沒有破損的情況下不會出現(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檢測電流，在管道周邊會出現(xiàn)幾毫伏的微小漏電電位。因此，在試探性檢測后提出以下檢測方案：在管道檢測過程中對3層PE類防腐層采用傳統(tǒng)的DCVG檢測方法即尋找防腐漏點來判斷管道防腐層的好壞。對于采用煤瀝青及冷纏帶防腐的鋼制管道采用檢測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 檢測結(jié)果
    本次鋼制管道防腐層安全評價共檢測72.3km在役管道，其中約26.4km為新鋪設(shè)管道(在役未滿1年)。檢測結(jié)果如表1所示。
    從檢測結(jié)果可以看出3層PE類防腐層單位里程數(shù)內(nèi)出現(xiàn)缺陷的數(shù)目明顯小于煤瀝青及冷纏帶類防腐層。根據(jù)檢測到信號的強弱，對達到開挖程度的漏電點進行開挖，開挖結(jié)果表明除個別情況受到環(huán)境影響未找到防腐層破損處外，開挖結(jié)果基本與檢測結(jié)果相同，準(zhǔn)確率達到90%以上。說明了廣泛應(yīng)用于長輸管道檢測的DCVG技術(shù)同樣可以應(yīng)用于城市燃氣管道防腐層檢測工作。
表1 鋼制管道防腐層安全評價檢測結(jié)果
防腐層類型
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
漏電信號數(shù)
34
6
23
0
14
7
開挖數(shù)
8
4
3
O
0
1
開挖發(fā)現(xiàn)破損點數(shù)
6
4
3
0
0
1
    對煤瀝青及冷纏帶防腐層的管道采用DCVG技術(shù)檢測垂直于管道走向1m內(nèi)電位差波動來判斷防腐層的好壞。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)施加的電流流失嚴重，在管道閥門井處施加電壓信號只能達到350mV。檢測過程中采取每間隔5m記錄一次電位梯度值，在信號增強區(qū)間內(nèi)減少踩點間距，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)波峰處說明管道防腐層漏點嚴重，防腐層出現(xiàn)較大問題需要進行開挖修補。這種方法能有效的判斷管道是否因為防腐層絕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。對該段管道選擇性的選取了3處波峰位置進行開挖驗證，開挖結(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 檢測結(jié)果討論
    本次鋼制管道防腐層安全評價主要出現(xiàn)以下問題：
    (1) 管道防腐層漏電點出現(xiàn)區(qū)域性集中。城市燃氣管道不同于長輸燃氣管道，不同的管道施工的時間不同，施工及監(jiān)理單位不同，施工的環(huán)境也有所不同，這些都會影響到管道防腐的好壞。因此，在檢測中發(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5處進行開挖，發(fā)現(xiàn)4處出現(xiàn)管防腐層破損，1處為犧牲陽極干擾，檢測結(jié)果如表2所示。對開挖的防腐層破損點進行檢測發(fā)現(xiàn)，防腐層破損基本是施工過程中遺留下來的。因此，管道施工過程中塒防腐層的保護是非常重要的，同時應(yīng)加強對施工過程中的監(jiān)理。
    (2) 從管道的在役工齡來看，新鋪設(shè)管道同樣存在防腐層缺陷，對新鋪設(shè)的3層PE防腐層及冷纏帶防腐層的5處開挖結(jié)果表明，其中4處為施工過程中防腐層處理不當(dāng)而造成的，一處為后期管道施工時對管道造成的損傷。這些缺陷點對今后防腐層的運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自于管道施工過程中，因此，對新鋪設(shè)管道進行防腐層安全評價是非常有必要的。
    (3) 在防腐層檢測過程中發(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，這給管道的維護和管理造成了嚴重的閑難。在本次管道完整性評價過程中，同時對管道的走向及埋深進行了探測，并對管道進行了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提供了寶貴的資料。
表2 防腐層檢測及開挖情況表
序號
DCVG(mV)
IR
相對位置
防腐層破損程度
1
20
4.3%
0+380m
未開挖
2
19
4.2%
0+460m
開挖發(fā)現(xiàn)此處出現(xiàn)3×3cm防腐層破損
3
80
18.2%
0+464m
開挖發(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
未開挖
5
10
2.2%
0+556m
未開挖
6
32
7.1%
O+595m
開挖發(fā)現(xiàn)此處出現(xiàn)4×3cm的防腐層破損
7
130
26.5%
O+1062m
預(yù)測為犧牲陽極埋設(shè)點(未開挖)
8
30
6.0%
O+1490m
開挖發(fā)現(xiàn)此處管道正上方積壓一石塊，撬開石塊，防腐層有2×2.5cm的破損
9
200
40.5%
O+1590m
開挖發(fā)現(xiàn)此處為犧牲陽極埋設(shè)處
4 結(jié)論
    南山天然氣公司本著以人為本的方針對該公司管轄的鋼制天然氣管道進行了完整性評價，并對新竣工管道同樣進行完整性評價并將防腐層檢測結(jié)果作為管道竣工驗收的標(biāo)準(zhǔn)之一，這是對管道安全運行管理的一次重要探索。檢測結(jié)果也驗證對新竣工管道進行防腐層完整性評價是有必要的。本次完整性評價主要采用DCVG檢測技術(shù)進行檢測，針對不同的防腐層材料采用不同的數(shù)據(jù)處理方法，特別是針對于防腐層電阻率較低的煤瀝青及冷纏帶類防腐層提出采用測量垂直于管道走向1m距離的地表電位差作為判斷防腐層缺陷點的依據(jù)。通過檢測表明DCVG能夠勝任不同材質(zhì)防腐層的安全評價工作，為DCVG技術(shù)應(yīng)用于城市燃氣管道檢測進行了有利的探索。
參考文獻
1 李顏強，徐正康，王呂遒.全國城市燃氣管道的發(fā)展和改造[A].中國土木工程學(xué)會城市燃氣分會第幾屆理事會第一次會議論文集[C]，2006
2 周琰，靳世久，孫墨杰，肖昆.埋地管道防腐層缺陷DCVG檢測技術(shù)研究及應(yīng)用嘰管道技術(shù)與設(shè)備，2001(5)：38-40
3 DCVG Ltd.，DC Voltage Gradient Pipeline Coating Survey Equipment Operations Manual[M].2009；8-23
4 胡十信.陰極保護工程手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，1999：1
5 張宇.埋地管道防腐層缺陷快速榆測系統(tǒng)的研究[C].天津：天津大學(xué)，2006
 
(本文作者：楊忠營1 楊世坤1 師躍勝1 葉根銀2 何能杰2 解東來3 1.南山天然氣公司 265700；2.丹陽奧恩能源科技發(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)