外腐蝕直接評價在城市燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用

摘 要

管道外腐蝕直接評價(ECDA)是進(jìn)行城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼闹匾侄?。論述了ECDA的4個基本步驟——預(yù)評價、間接檢測、直接檢測、后評價。結(jié)合華南某市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的實際情況，將ECDA應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿缹嶋H工程中，取得了良好的效果并為管道的完整性管理提供可靠依據(jù)。
摘要：管道外腐蝕直接評價(ECDA)是進(jìn)行城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼闹匾侄?。論述了ECDA的4個基本步驟——預(yù)評價、間接檢測、直接檢測、后評價。結(jié)合華南某市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的實際情況，將ECDA應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿缹嶋H工程中，取得了良好的效果并為管道的完整性管理提供可靠依據(jù)。
關(guān)鍵詞：城市燃?xì)夤艿?；外腐蝕直接評價；完整性管理；檢測；外防腐層；陰極保護(hù)
Application of External Corrosion Direct Assessment to City Gas Pipeline
ZHOU Ting-he，PENG Shi-ni，LI Fan
Abstract：The external corrosion direct assessment(ECDA)is an important method for city gas pipeline integrity management(PIM).The four basic process steps of ECDA including pre-assessment，indirect inspection，direct inspection and post-assessment are discussed. Combined with the actual situation of medium pressure gas network in a city of South China，the ECDA is applied to the actual project of city gas pipeline，and good results are achieved，which provides a reliable basis for PIM.
Key words：city gas pipeline；external corrosion direct assessment；integrity management；inspection；external anticorrosive coating；cathodic protection
1 概述
    在實施城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼倪^程中，管道檢測是其中的重要環(huán)節(jié)，檢測技術(shù)的水平如何直接決定著完整性評價的準(zhǔn)確度。美國管道安全局提供了4種可供選擇的檢測技術(shù)[1、2]：內(nèi)檢測、壓力試驗、直接評價(包括外腐蝕直接評價和內(nèi)腐蝕直接評價)和其他能夠評價管道現(xiàn)狀的技術(shù)，其中外腐蝕直接評價方法作為一套科學(xué)而規(guī)范的外腐蝕及防護(hù)檢測評價手段得到了廣泛的應(yīng)用[3]。
   管道外腐蝕直接評價(External Corrosion Direct Assessment，ECDA)是結(jié)合當(dāng)前各種埋地管道檢測工具，基于檢測結(jié)果準(zhǔn)確地定位外腐蝕、評價并降低外腐蝕對管道完整性的影響，從而提高管道安全狀況的方法。ECDA包括預(yù)評價、間接檢測、直接檢測和后評價4個基本步驟。本文依據(jù)美國腐蝕協(xié)會(NACE)的推薦標(biāo)準(zhǔn)《管道外腐蝕直接評價方法》[4]，通過在華南某市中壓燃?xì)夤艿赖膶嶋H應(yīng)用，探討ECDA在國內(nèi)燃?xì)夤艿劳飧g直接評價中的適用性。
2 預(yù)評價
    在預(yù)評價階段，評價人員收集、整合并分析大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定ECDA對所要評價的管道是否可行，選擇間接檢測工具，劃分ECDA區(qū)。
   ① 數(shù)據(jù)收集
   充足的數(shù)據(jù)資料是進(jìn)行ECDA的前提。在該階段，需要收集被評價管段的歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)、管道基本物性參數(shù)，其中包括：管體相關(guān)數(shù)據(jù)、管道施工相關(guān)數(shù)據(jù)、管道沿線的土壤及環(huán)境數(shù)據(jù)、管道腐蝕控制相關(guān)數(shù)據(jù)、管道歷史運行數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)收集的完整程度和準(zhǔn)確性將直接影響到間接檢測工具的選取和ECDA區(qū)的劃分，從而進(jìn)一步影響到數(shù)據(jù)分析及評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。收集的數(shù)據(jù)要滿足開展ECDA所必須的最少數(shù)據(jù)需求并確定其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
    該市中壓管道的相關(guān)數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)[4]中介紹的形式進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)來源主要有：a.通過該市港華燃?xì)庥邢薰臼占艿赖脑O(shè)計、施工、運行及維護(hù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；b.向公司工作人員咨詢獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；c.沿管道收集管道及周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。為了保證管道數(shù)據(jù)的完整性，便于燃?xì)夤艿赖耐暾怨芾?，?yīng)及時更新、整合以上收集的數(shù)據(jù)，保存為電子版本并及時錄入到完整性管理數(shù)據(jù)庫或GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。
   ② 間接檢測方法的選擇
   外腐蝕直接評價方法的實施需要間接檢測方法作為技術(shù)支持。間接檢測方法的選擇原則是能沿管道方向可靠地檢測到防腐層缺陷和可能發(fā)生腐蝕的部位。常用的檢測方法有[5～7]：密間隔電位法(CIPS)、直流電壓梯度法(DCVG)、管中交變電流衰減法(PCM)，皮爾遜法(Pearson)。間接檢測方法的適用能力見表1。表1中，代碼1表示可檢出小的防腐層破損點(孤立的，面積一般小于600mm2)，它們一般不會引起管道陰極保護(hù)電位的波動；代碼2表示可檢出大的防腐層破損點(孤立或連續(xù))，它們一般會引起管道陰極保護(hù)電位的波動；代碼3表示不能應(yīng)用此方法，或者說，在無附加考慮條件時不能應(yīng)用此方法。
    當(dāng)管道沿線環(huán)境有較大變化時，為提高檢測結(jié)果的可靠性，需在整個管段上使用兩種或更多種功能互補的間接檢測方法[8]。通過分析比較各檢測方法及其組合方案的優(yōu)缺點后，采用C-SCAN 2010型地下管道防腐層檢測儀和SL-2088型地下管道防腐層探測檢漏儀兩種檢測儀器對管道防腐層進(jìn)行檢測。
   ③ 劃分ECDA區(qū)
   ECDA區(qū)的劃分是根據(jù)管道物理特征、腐蝕歷史狀態(tài)、土壤狀況、陰極保護(hù)狀況以及可以使用的間接檢測方法等將管道劃分成若干個相似的段區(qū)。該階段劃分的ECDA區(qū)是初步的，可以根據(jù)間接檢測和直接檢測的結(jié)果進(jìn)行修改及細(xì)化調(diào)整。在該市中壓燃?xì)夤艿赖耐飧g直接評價過程中，根據(jù)管道沿線土壤環(huán)境特征、陰極保護(hù)系統(tǒng)絕緣裝置的位置、河流穿越位置、套管及彎頭位置等的不同情況將26.9km的中壓管道劃分為17個ECDA區(qū)。
表1 間接檢測方法的適用能力
環(huán)境
密間隔電位法(CIPS)
直流電壓梯度法(DCVG)
管中交變電流衰減法(PCM)
皮爾遜法(Pearson)
防腐層破損點
2
1，2
1
2
裸管的陽極區(qū)
2
3
3
3
靠近河流或水下穿越
2
3
1，2
3
凍土地面下
3
3
1，2
3
雜散電流干擾
2
1，2
1，2
2
受屏蔽管道的腐蝕狀況
3
3
3
3
相鄰處存在金屬構(gòu)筑物
2
1，2
1，2
3
附近存在平行管道
3
1，2
1，2
3
懸空的高壓輸電線下
2
1,2
3
2
短套管
2
2
2
2
道路路面下
3
3
1，2
3
無套管穿越
2
1，2
1，2
2
帶套管管道
3
3
3
3
深埋區(qū)
2
2
2
2
3 間接檢測
    間接檢測是在不開挖、不影響管道正常運行的情況下對埋地管道進(jìn)行檢測，其目的是識別和確定防腐層缺陷和其他異常點的嚴(yán)重程度，確定管道上已經(jīng)發(fā)生、正在發(fā)生或可能發(fā)生腐蝕的區(qū)域。通過間接檢測可以達(dá)到以下目的：①全面檢測外防腐層的現(xiàn)狀(包括防腐層老化情況、破損位置及破損大小狀況、破損處管體的腐蝕電流的流向等)，并評價其完整性狀況；②全面掌握陰極保護(hù)系統(tǒng)的運行情況，對其保護(hù)水平(管道是否獲得全面、合適的陰極保護(hù)，是否存在欠保護(hù)或過保護(hù)情況)給予評價。
3.1 外防腐層檢測
    防腐層絕緣電阻率是評價防腐層質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標(biāo)，絕緣電阻率越高，防腐層具有的屏蔽能力越好，其防護(hù)效果也越好。以C-SCAN 2010為主要檢測儀，分段測量管道防腐層絕緣電阻率，定性地確定各管段防腐層總體質(zhì)量狀況；并結(jié)合SL-2088檢測的結(jié)果，對管道防腐層缺陷進(jìn)行綜合評價、分類與定位。最后將兩種儀器的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
    對17段ECDA區(qū)管段的檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析得到：管道外防腐層絕緣電阻率為500～10000Ω·m2，平均值為5869.96Ω·m2，對ECDA區(qū)管段外防腐層缺陷程度的評價結(jié)果及處理措施列于表2。防腐層破損點共62個，其中防腐層嚴(yán)重破損、已基本失去防腐作用且需要立即進(jìn)行修復(fù)的一類缺陷點有18個，防腐層質(zhì)量很差、與管道之間已發(fā)生嚴(yán)重剝離但仍起到一定的防腐作用、需要在1～2年內(nèi)進(jìn)行修復(fù)的二類缺陷點有20個，防腐層老化、與管
道之間輕度剝離、防腐層變薄且絕緣電阻率偏小、可暫不修復(fù)的三類缺陷點有24個。
表2 管道防腐層評價結(jié)果及處理措施
防腐層絕緣電阻率/(Ω·m2)
≥10000
10000～2000
2000～500
≤500
評價等級
優(yōu)
良
差
劣
管道長度/m
11730
8873
3193
3147
所占比例/%
43.54
32.93
11.85
11.68
老化程度及表現(xiàn)
基本無老化
老化輕微，無剝離和損壞，基本完整
老化較嚴(yán)重，有剝離和較嚴(yán)重的透水現(xiàn)象
老化、破損或剝離嚴(yán)重，輕剝即掉
應(yīng)采取的措施
不需要維修、補漏
以2～3年為周期進(jìn)行檢漏開挖修補作業(yè)
重點監(jiān)控，有計劃地安排修復(fù)
結(jié)合破損點定位，近期開挖修復(fù)
3.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測
    該市中壓燃?xì)夤艿烙?997年建設(shè)并投入使用，管道采用3PE防腐層并安裝了犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)。GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，施加陰極保護(hù)后，管道陰極保護(hù)電位(相對于銅/飽和硫酸銅參比電極，CSE，以下同)應(yīng)為-850～-1200mV。為詳細(xì)地了解陰極保護(hù)系統(tǒng)運行10年后的情況，沿線選取了42個測試樁測量陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電位，結(jié)果見表3。其中有64.3%的管段得到有效的陰極保護(hù)；23.8%的管段沒有得到有效的陰極保護(hù)；11.9%的管段處于過保護(hù)狀態(tài)，可能因此而引起防腐層剝離甚至導(dǎo)致管道氫脆。
表3 陰極保護(hù)系統(tǒng)測試結(jié)果
陰極保護(hù)電位/mV
＞-850
-850～-1200
＜-1200
測試點數(shù)量/個
10
27
5
所占比例/%
23.8
64.3
11.9
陰極保護(hù)狀況
欠保護(hù)
得到有效保護(hù)
過保護(hù)
4 直接檢測
    直接檢測的目的是確定間接檢測結(jié)果的嚴(yán)重程度并進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)來評價管體的腐蝕情況。該階段要進(jìn)行的主要工作有：地面檢測結(jié)果異常點的處理優(yōu)先級排序，開挖具有腐蝕活動的管段、采集數(shù)據(jù)并檢測外防腐層破損點和管體腐蝕缺陷，剩余強度評價，腐蝕原因分析等。
4.1 優(yōu)先級排序
    對間接檢測結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定其中的缺陷點及位置，并根據(jù)其當(dāng)前的嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢和歷史資料來確定進(jìn)行直接檢測的優(yōu)先順序。對于正在發(fā)生的、隨時可能對管道造成威脅的缺陷應(yīng)列為立即維修等級；對于可能發(fā)生的、暫時不會對管道造成威脅的缺陷列為計劃維修等級；對于發(fā)生可能性小、對管道造成威脅較小的缺陷列為監(jiān)控等級。
4.2 開挖驗證
    開挖的目的是為了收集足夠的數(shù)據(jù)來確定管道上可能存在的腐蝕缺陷特征，并驗證間接檢測的有效性。該環(huán)節(jié)是整個直接評價過程中最困難和昂貴的一環(huán)，良好的預(yù)評價和間接檢測結(jié)果可使開挖數(shù)量最小化[7]。
    依據(jù)間接檢測結(jié)果和ECDA方法確定的開挖檢驗先后順序，按照一定的比例在各類缺陷點中共選擇了15個開挖點，其中一類缺陷點8個，二類缺陷點3個，三類缺陷點4個。在開挖前后、開挖過程中及剝除防腐層之前，按照ECDA要求進(jìn)行下列工作：測量管地電位和土壤電阻率、拍攝照片、收集管道完整性評價所需的其他數(shù)據(jù)、檢查外防腐層破損狀況、確定外防腐層缺陷類型、測量外防腐層厚度、評價外防護(hù)層粘結(jié)性能、確定腐蝕缺陷尺寸等。
    對開挖處的防腐層缺陷點進(jìn)行相關(guān)檢測及分析表明：開挖處防腐層缺陷點的間接檢測準(zhǔn)確率為100%。管體質(zhì)量總體上較好，個別管段有管體腐蝕現(xiàn)象。使用超聲波測厚儀對管道剩余壁厚進(jìn)行測量，但未見管段壁厚明顯減薄跡象。
4.3 剩余強度評價
    ECDA要求對腐蝕缺陷發(fā)生處進(jìn)行缺陷的剩余強度評價，以確定管道的最大允許工作壓力和當(dāng)前工作壓力下的臨界缺陷尺寸。計算剩余強度的常用方法有：美國機械工程師協(xié)會的推薦標(biāo)準(zhǔn)ASME B31G《腐蝕管道剩余強度評估手冊》及其修訂版RSTRENG和挪威船級社標(biāo)準(zhǔn)DNV RP-F101《腐蝕管道評估的推薦做法》等。
    通過檢測發(fā)現(xiàn)，管道的外防腐層整體狀況較好，加上犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)，管道腐蝕缺陷較小，管壁腐蝕深度與管道原始壁厚之比小于10%。按照ASME B31G的規(guī)定，無須對被檢測管道進(jìn)行剩余強度評價。
4.4 腐蝕原因分析
    管道沿線土壤電阻率為30.8～234.0Ω·m，平均值為79.7Ω·m，腐蝕性屬“弱-中腐蝕”級別，大部分環(huán)境土壤細(xì)菌腐蝕傾向為“較弱”級別，且土壤pH值處于偏酸性范圍，土壤存在的腐蝕傷害較小。相對應(yīng)的埋地鋼質(zhì)管道平均腐蝕速率為0.05～0.10mm/a，局部(管道表面涂層破損點處)腐蝕速率則大于0.20mm/a。另外，局部腐蝕速率還受其他因素如雜散電流的影響，雜散電流的存在會加劇腐蝕。部分管段陰極保護(hù)電位不足，管道得不到有效的保護(hù)，也是造成管道腐蝕的重要原因之一。
5 后評價
    后評價是對上述3個步驟作出的總結(jié)。通過對間接檢測中發(fā)現(xiàn)的防腐層破損點進(jìn)行開挖維修并驗證間接檢測的準(zhǔn)確性；測量開挖點處燃?xì)夤艿栏g缺陷尺寸，確定管道缺陷的嚴(yán)重程度，對管道剩余強度進(jìn)行評價，預(yù)測管道剩余壽命；確定再檢測的時間間隔，根據(jù)間接檢測結(jié)果制定維修方案。后評價是對整個ECDA過程進(jìn)行有效性驗證，為燃?xì)夤艿劳暾怨芾磉M(jìn)行性能測試。
    在該市中壓管道直接檢測過程中，開挖驗證沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷并對防腐層缺陷點進(jìn)行了修復(fù)，因此，剩余壽命按照管道設(shè)計壽命計算。對于陰極保護(hù)電位未達(dá)標(biāo)的管段，須加強保護(hù)措施且應(yīng)定期檢測管道陰極保護(hù)狀況，檢測周期不超過0.5年，以監(jiān)控管道受保護(hù)效果；定期調(diào)查管道沿線土壤的腐蝕性，調(diào)查周期為1年，以監(jiān)控管道腐蝕狀態(tài)；定期進(jìn)行腐蝕檢測，該中壓燃?xì)夤艿酪堰\行逾10年，根據(jù)CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》[10]的有關(guān)規(guī)定，建議下一次防腐層定期檢測周期為3年。
6 結(jié)語
    管道外腐蝕直接評價是一種綜合的完整性評價方法，可以根據(jù)管道實際情況選擇合適的間接檢測方法，靈活地使用該方法使其在實際應(yīng)用中不斷發(fā)展和完善。它比內(nèi)檢測、壓力試驗和內(nèi)腐蝕直接評價方法更適用于城市燃?xì)夤艿?，但前提是收集大量的真實?shù)據(jù)、合理地選擇間接檢測方法。管道外腐蝕直接評價結(jié)果可作為城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼目煽恳罁?jù)，據(jù)此制定管道的維修方案和預(yù)防措施。
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(本文作者：周廷鶴1 彭世尼2 李帆1 1.港華投資有限公司 廣東深圳 518026；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)