埋地鋼質(zhì)天然氣管道腐蝕控制檢測與對策

摘 要

摘要：結(jié)合實際的天然氣輸氣管道工程，對埋地管道外防腐層和陰極保護系統(tǒng)運行狀況進行檢測。闡述了檢測工作的主要內(nèi)容，分析、評價了檢測結(jié)果，提出了腐蝕控制對策。關(guān)鍵詞：天然氣管
摘要：結(jié)合實際的天然氣輸氣管道工程，對埋地管道外防腐層和陰極保護系統(tǒng)運行狀況進行檢測。闡述了檢測工作的主要內(nèi)容，分析、評價了檢測結(jié)果，提出了腐蝕控制對策。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；腐蝕控制；陰極保護；檢測
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L360，設(shè)計壓力為4.4MPa。埋地管道的腐蝕控制方案采用陰極保護系統(tǒng)和管道外防腐層聯(lián)合保護。陰極保護系統(tǒng)以外加電流陰極保護為主，局部非開挖施工(頂管等)地段安裝犧牲陽極為輔。鋼管外防腐采用3層聚乙烯加強級防腐層，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站，站內(nèi)設(shè)有2臺恒電位儀(1開1備)、1臺控制柜以及1口深井陽極井，井深33.4m，采用高硅鑄鐵陽極，陰極保護站與管道同時投入運行。
    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，土壤的腐蝕性較強。為了全面掌握已運營管道的腐蝕控制狀況，制訂合理、科學(xué)的維護管理方案，我們對2007年底投產(chǎn)運行的羅村調(diào)壓計量站至官窯調(diào)壓計量站間約20km的輸氣管道腐蝕控制進行了全面檢測。
2 檢測工作的主要內(nèi)容
    ① 在非開挖的情況下，采用管線探測儀對管道的平面位置和埋深進行復(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 采用管中電流檢測法(Pipe Current Mapping，PCM)和直流電壓梯度檢測法(Direct Current Voltage Gradient，DCVG)[1]，全面檢測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，測算防腐層的絕緣電阻率。管中電流檢測法是通過施加多頻信號電流在管道上，檢測信號電流在管道上的衰減率，計算出管道防腐層的平均絕緣電阻率。直流電壓梯度檢測法是向檢測管道施加特定頻率的電流信號，如果管道防腐層出現(xiàn)破損，信號電流就會從破損點流出，由于土壤的電阻作用，破損點與周圍大地之間產(chǎn)生了電壓梯度，通過對電壓梯度進行檢測，確定破損點的位置和破損的程度。
③ 采用密間隔電位檢測法(Close Interval Potential Survey，CIPS)對管道陰極保護電位進行檢測[1]，全面掌握陰極保護系統(tǒng)的運行狀況，對管道是否獲得全面、合適的陰極保護進行測量?；驹硎牵簻y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)，對于采用陰極保護系統(tǒng)的管道，測量時得到兩種管道電位，一是陰極保護系統(tǒng)開啟時管道電位Von，一是陰極保護系統(tǒng)關(guān)閉時管道電位Voff，其中Voff就是消除土壤中IR降后的保護電位。
④ 通過測量管道附近土壤電位梯度來判斷雜散電流分布情況，對確認存在雜散電流干擾的管段進行管道電位監(jiān)控測量，判斷雜散電流對管道的腐蝕影響。
3 檢測結(jié)果分析與評價
① 管道外防腐層平均絕緣電阻率
通過管道測試樁施加多頻信號電流在管道上，根據(jù)每段檢測管道的長度不同，輸入信號電流大小不同，現(xiàn)場每30m左右設(shè)1個檢測點，測得電流值，把數(shù)據(jù)輸入計算機，用PCM檢測數(shù)據(jù)分析處理軟件分析處理后，得到每段檢測管道防腐層絕緣電阻率，計算得到整條管道防腐層平均絕緣電阻率為15500Ω·m2以上質(zhì)量等級為優(yōu)，則羅村調(diào)壓計量站至官窯調(diào)壓計量站的輸氣管道防腐層總體平均質(zhì)量等級屬于優(yōu)級別。
② 管道防腐破損點
通過管道測試樁向管道施加特定頻率的電流信號時，檢測人員采用英國雷迪RD-PCM埋地管道外防腐狀況檢測儀(配A字架)，沿管道走向檢測，當(dāng)距離破損點足夠近時，就可在儀器上測得直流電壓梯度，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)值確定出電壓場的中心及大小，從而確定破損點的位置和破損的程度。共檢測出該段賣地輸氣管道防腐層缺陷點共計2處，經(jīng)開挖驗證，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標(biāo)，應(yīng)采用熱收縮套修補，加大外防腐層厚度；另一處在惡劣土壤環(huán)境下，補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，在陰極保護系統(tǒng)正常運行狀況下，可暫不作修補處理，但應(yīng)對缺陷位置進行標(biāo)示并加強測試監(jiān)控[2]。
    ③ 管道陰極保護系統(tǒng)
    在陰極保護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，檢測人員沿管道軸向每間隔1m，采集陰極保護系統(tǒng)開、關(guān)時管道電位數(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電位情況。
    當(dāng)管道沒有外加陰極保護電流，只有少量犧牲陽極工作的情況下，測得羅村調(diào)壓計量站至官窯調(diào)壓計量站之間管道電位分布情況是：羅村調(diào)壓計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，達到最小保護電位要求(-0.85V)，占管道總長的75%；剩余部分的管道從桃園路立交橋至官窯調(diào)壓計量站約5km管道，管道電位為-0.85～-0.81V，沒有達到但接近保護電位。
    當(dāng)管道有外加陰極保護電流和犧牲陽極工作的情況下，從羅村調(diào)壓計量站至官窯調(diào)壓計量站之間管道的保護電位為-1.21～-1.01V，全部達到了-1.25～-0.85V的保護電位的要求，陰極保護系統(tǒng)運行良好。
    ④ 雜散電流分布情況
    一般認為，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)及時采取防護措施[3]。在對該段管道附近土壤進行電位梯度檢測時，沿管道走向每間隔300m左右測量1組土壤電位梯度值，特殊復(fù)雜地段則縮小檢測間距。經(jīng)檢測、計算，土壤電位梯度最大值出現(xiàn)在羅村調(diào)壓計量站和官窯調(diào)壓計量站附近，均達到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。為了進一步驗證雜散電流的干擾存在，還對整條管道電位進行監(jiān)測，每個測試樁都采用電位監(jiān)控記錄儀進行了一定時間的監(jiān)控測量，特別對兩座調(diào)壓計量站外測試樁進行了24h連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)表波動，其中官窯調(diào)壓計量站外20號測試樁測得的管道電位在-1.17～-0.91V范圍波動，波動幅度為0.26V；其余的測試樁測得管/地電位波動幅度為0.06～0.22V，但管道電位均負于-0.85V。
    《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕控制工程設(shè)計規(guī)范》SY0007—1999對雜散電流強弱程度的判斷指標(biāo)為：土壤中的電位梯度小于0.5mV/m，雜散電流干擾程度小；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，綜合國內(nèi)外腐蝕控制經(jīng)驗，在陰極保護系統(tǒng)運行狀態(tài)下，加強監(jiān)測，可暫不采取排流措施[3]。
4 埋地天然氣管道腐蝕控制對策
    ① 羅村調(diào)壓計量站至官窯調(diào)壓計量站的輸氣管道投產(chǎn)運行兩年后，對管道的腐蝕控制系統(tǒng)進行了檢測，檢測的數(shù)據(jù)顯示管道的陰極保護系統(tǒng)運行正常，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，起到良好的防護作用。
    但是由于埋地管道長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)、運輸和施工的多個環(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行，可每3年進行1次非開挖管道外防腐層檢測，配合檢測結(jié)果局部開挖驗證。對已檢測出的管道防腐層缺陷點，應(yīng)0.5年后進行1次復(fù)查，掌握防腐層缺陷的發(fā)展?fàn)顩r，及時進行修補，確保管道處于良好的保護狀態(tài)。
    ② 根據(jù)PCM方法檢測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長度的簡化公式計算，得到現(xiàn)狀管道陰極保護總保護長度為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座陰極保護站基本位于管道的中間，該站的保護長度基本已達到極限。并且隨著運行時間的增加，管道防腐層絕緣電阻將出現(xiàn)一定程度的下降，管道所需的保護電流密度增加，保護長度將縮短。要維持現(xiàn)有的管道保護長度，就必須提高通電點的輸出電位，增大輸出電流，但這樣會導(dǎo)致通電點電位過高而形成“過保護”。因此，應(yīng)結(jié)合未來管道規(guī)劃，考慮增加若干15深井陽極井，以保證所有運行管道均處于受保護狀態(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，并且雜散電流對管道的腐蝕會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)測和排除帶來很大困難。
    參照此次的檢測結(jié)果，結(jié)合雜散電流腐蝕控制管理的特點，可在輸氣管線的設(shè)計、施工以及日常維護管理等方面采取以下應(yīng)對措施[5]：
    a. 合理選擇管道的走向，盡量遠離雜散電流干擾源；對經(jīng)過鐵路、公路等地段的管道可加密安裝電位測試樁，日常管網(wǎng)巡檢有針對性地加密檢測；加強管道巡檢并加強監(jiān)測管道附近土壤電位梯度，特別是土壤電位梯度波動范圍較大地段應(yīng)定期檢測，依據(jù)檢測數(shù)據(jù)，分析土壤電位梯度是否有增大的趨勢。
    b. 嚴格監(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，及時采取排流措施[5]。
    c. 當(dāng)管道路由附近存在電塔或其他配電設(shè)施時，應(yīng)主動與供電部門協(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離管道的另一側(cè)，加大管道與接地體的距離。
    d. 嚴格落實陰極保護系統(tǒng)運行管理的工作內(nèi)容，加強陰極保護系統(tǒng)設(shè)備的維護保養(yǎng)，作好管道陰極保護的日常檢測，詳細記錄檢測的各項參數(shù)。定期測量管道的陰極保護電位，定期對重點監(jiān)控的管道區(qū)域進行土壤電位梯度檢測，將檢測數(shù)據(jù)作好記錄并存檔。日積月累的檢測記錄將有助于我們客觀地評價陰極保護系統(tǒng)的保護效果，為管道的運行維護工作提供重要依據(jù)。
5 結(jié)語
    通過對管道外防腐層和陰極保護系統(tǒng)的全面檢測分析，可了解管道腐蝕控制的現(xiàn)狀，為科學(xué)合理地、有針對性地制訂管道運營維護管理方案提供依據(jù)，也為下一步的項目設(shè)計、施工提供參考數(shù)據(jù)。參照相關(guān)國際、國內(nèi)標(biāo)準，結(jié)合多項工程實例，我們認為，陰極保護系統(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、有效的管道腐蝕控制措施，且陰極保護系統(tǒng)的工程造價在工程總造價中的比例不足1%，經(jīng)濟效益及社會效益都顯而易見。
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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)