油气管道外检测技术的综合应用.pdf

5 1 外检测技术及检测仪器的发展现状 管道外部检测主要是指在地面不开挖条件下， 采取 外检测技术对埋地钢质管道外覆盖层以及阴极保护效果 进行检测评价。其评价结果对管道大修和改造方案的制 定具有指导意义，对输油、输气管道的生产安全性、持 续性、经济性具有相当重要的实际意义。 20世纪80年代中期，国内才开始实施管道外检测 技术。近几年，随着国家及民众安全意识的逐步提高， 在国家政府的大力支持下， 相关企业通过世界银行贷款 以及与国外管道公司交流， 在开发国内检测技术及仪器 的同时， 引进了国外先进的管道外检测技术及设备。目 前， 这些先进技术及设备己广泛应用于国内的油气管道 防腐层检测中， 在实际操作中应用较为广泛的外检测技 术主要包括标准管/地电位检测、皮尔逊检测、交流 电流率减法、 变频-选频法、 密间距电位测试CIS,CIPS、 直流电位梯度测试DCVG、杂散电流检测技术、电化 学暂态技术；代表仪器分别为电位差计、HT 系列和 SL-2098埋地管道外防腐层状况检测仪、 RD400-PCM和 C-SCAN埋地管道外防腐层状况检测仪、 SL-AY508V型 地下管道防腐层绝缘电阻测量仪、CATH-TECH 型 DCVG直流电压梯度测量仪、 SCM杂散电流检测仪、 阻 抗分析仪。 2 外防腐层的检测步骤及检测仪器的主 要功能 2.1 外防腐层的检测步骤 2.1.1 探寻管线 在管道外检测中， 为了保证所进行的检测是在管道 正上方，首先需要明确管线的位置与走向。对厂区内的 短距离管线，可选用RD400-PDL；对长距离的管线，只 能选用RD400-PCM进行探测；对于局部区域内的复杂 管线， 可选用探地雷达， 如Pipe Hawk地下管道探测雷达。 油气管道外检测技术的综合应用 于培林 姚安林 刘晓艳 刘艳华 （西南石油大学，四川 成都 610500） 摘要随着国家对油气管道生产运营安全的重视，管道的风险评价及完整性管理工作得到快速发展，而管道外检测技术 就是其中一项关键的环节。为此，本文介绍分析了国内外常用的外检测技术及仪器，对各检测技术及仪器进行了综合比较。为 了克服单一检测技术及仪器的局限性，建议使用单位根据自己的检测条件和目的选择不同的外检测仪器的组合方案。 关键词管道外检测技术外防腐层综合应用 中图分类号TG172.4 文献标识码A 文章编号1008-7818200802-0005-04 Integrated Application of the Detection Technique outside the Oil and Gas Pipeline YU Pei-lin, YAO An-lin, LIU Xiao-yan, LIU Yan-hua Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China Abstract With the fact that the country takes gas pipeline produce and transport safety seriously, risk valuation and completeness management of pipeline have being developed rapidly. However the pipeline outside detecting technology is a key link among them. Therefore the paper introduces the pipeline outside detecting technology and instrument of home and abroad in common use. After comparing with every detecting technology and instrument advantages and shortcomings, grouping schemes of detecting technology outside the oil and gas pipeline have been selected by users according to their different conditions and purposes in order to overcome the limitations of the unitary detecting technology. Key words pipeline; outside detecting technology; protective coating; integrated application 作者简介于培林（ 1981-） ，男，河南省西平县人，西南石油大学2005 级硕士研究生，研究方向燃气管道及其系统的 安全性与风险分析。 第22卷第2期 2008年4月 全 面 腐 蚀 控 制 TOTAL CORROSION CONTROL Vol.22 No.2 Apr. 2008 腐蚀检测专题 08-2防腐－2008.4.22, 324 AM5 6 2.1.2 检测管线外防腐层质量状况 埋地管道通常采用外防腐蚀层与阴极保护 （CP） 共 同组成的防护系统联合作用进行外腐蚀控制， 这两种保 护方法起着一种互补作用， 防腐蚀层使阴极保护既经济 又有效， 而阴极保护又使防腐蚀层出现针孔或损伤的地 方受到控制， 该方法是已成为公认的最佳保护方法并广 泛用于埋地管道的腐蚀控制，在我国的运用已有 40 余 年的历史。防腐蚀层是保护埋地管道免遭外界腐蚀的第 一道防线， 其保护效果直接影响着电法保护电流的工作 效率，NACE 1993年年会第17号论文指出 “正确涂敷 的防腐蚀层应该为埋地构件提供99的保护需求， 而余 下的 1 才由阴极保护提供” 。而管道经过一段时间的 运行， 防腐蚀层综合性能会呈现出不同程度的下降， 出 现老化、龟裂、剥离、破损等状况，管体表面因直接或 间接接触空气、 土壤而发生腐蚀， 如果不能对防腐蚀层 进行有效的检测、维护，最终将导致管道穿孔、破裂等 破坏事故的发生。因此， 准确、 有效的进行管道外防腐 蚀层检测成为外腐蚀控制的关键。 2.1.3 检测管道的阴极保护效果 在完成管道外防腐层质量状况的检测后， 对于管道 外覆盖层安全状况较好的管段，可采用P/S管地电位测 量方法， 综合评价管道的阴极保护效果；而对于外覆盖 层安全质量状况较差的管道，宜采用 CIPS 测试其 Von/ Voff电位的分布情况，以判断阴保效果，确保管道的安 全运行；而对土壤电阻率较高的地区， 建议也采用密间 隔电位测试管地电位，以有效地消除 IR降问题。 2.1.4 定位并估算外防腐层失效点的位置与大小 外防腐蚀层失效主要有剥离和破损两种形式， 对于 剥离点的判断采用电化学暂态技术 ；而对于破损点的 判断采用其它技术。在对管道的外检测完成后， 对外覆 盖层安全质量状况异常的管段， 以及阴极保护效果检测 发现问题较多的管段， 应进行失效点的检测与定位， 并 利用测到的电位差大小和电流大小估计涂层缺陷的大 小。目前，常用的检测仪器有RD400-PCM带A字架 检测仪以及HT系列地下管道防腐蚀层检漏仪， HT系列 检漏仪的精度略高于A字架检测仪。建议采用两种方法 进行重复定位， 以提高检测准确率。为了有效地评估缺 陷或失效点的危害， 在可能的条件下， 应明确外覆盖层 失效点的大小，可采用DCVG＋CIPS进行涂层破损点 大小的判断。 2.1.5 判断破损点严重性及阴阳极状态 通过对管道进行外检测后， 不仅可以判断破损点的 严重性， 而且可以判断出破损点的阴阳极状态。因为电 位差方向代表电流流出或流入管道， 腐蚀导致电流从缺 陷处流出 （阳极） ， 而阴极保护使电流流向缺陷 （阴极） 。 如果在阴极保护通电和断电下分别检测涂层漏点性质， 可将漏点分为以下四类 （1）阴极/阴极型（简写C/C） 。表明在阴极保护下 漏点是阴极（保护状态） ，阴极保护断开后漏点能继续 保持极化。这些漏点消耗了阴极保护电流， 在一般情况 下都不会发生腐蚀。 （2）阴极/中性型 （简写C/N） 。这类漏点在阴极保 护下处于保护状态， 而断开时则处于自然腐蚀状态。这 些漏点消耗保护电流， 并且只有在阴极保护系统不正常 时才会发生腐蚀。 （3）阴极/阳极型 （简写C/A） 。这类漏点在阴极保 护下处于保护状态， 而断开时则处于阳极 （腐蚀） 状态。 这些漏点消耗保护电流， 并在阴极保护正常时也可能发 生腐蚀。 （4） 阳极/阳极型 （简写A/A） 。这类漏点不管阴极 保护系统是否工作都不能被保护。这类漏点是正在发生 腐蚀的热点，它们也可能不消耗保护电流。 在管道外腐蚀评价中最关心的是A/A类漏点， 必须 开挖进行直接检查；其次是C/A类漏点和C/N类漏点， 它们也可能发生腐蚀；C/C类漏点一般不发生腐蚀，但 如果它们离阳极地床距离很近， 可能消耗较多保护电流 并阻碍电流流向其他需保护部位。目前， 常用DCVG直 流电压梯度测量仪、SCM 杂散电流测绘仪来确定缺陷 点的严重性与阳极 / 阴极状态。在一般情况下，采用 DCVG 即可，而对于较复杂且重要的管线，建议采用 SCM方法。因为，对于有破损点的管段，SCM能更有 效地进行杂散电流测试， 找出破损点属于阳极倾向点还 是阴极倾向点， 为管道的运行维护与排流改造提供较多 的信息。 2.2 检测仪器的主要功能[2] 通常， 管道外覆盖层的检测需要完成以下工作中的 一项或几项，因此，检测仪器的主要功能有以下几种 （1）管道外覆盖层绝缘电阻的测算； （2）阴极保护有效性的检测； （3）管道外防腐层失效形式的判断； （4）管道外覆盖层破损缺陷位置的定位； （5）管道外覆盖层破损缺陷面积的估算。 腐蚀检测专题 08-2防腐－2008.4.22, 324 AM6 7 UJ33a 型电位差计、RD400-PCM、C-SCAN、SL- AY508V等常用仪器可以实现 （1） 的功能； CIPS、 DCVG 等常用仪器可以实现（2）的功能；阻抗分析仪可以实 现（3）的功能；SL-2098、RD400-PCM、C-SCAN等常 用仪器可以实现（4）的功能；RD400-PCM、SL-2098、 CIPS、DCVG 等常用仪器可以实现（5）的功能。 3 常用检测仪器的性能特点 3.1 RD-400PCM埋地管道外防腐层状况检测仪 RD-400PCM是根据多频管中电流技术原理设计的 管道外防腐层状况检测仪， 能在非开挖的状况下轻松对 埋地管道外防腐层破损状况进行评估和定位。RD- 400PCM以其优越的性能被广泛用于国内外油气管道的 检测。 适用范围 （1）新铺设管道防腐层施工质量验收； （2）主管及分支管的查找； （3）管道阴极防护保护效果评估； （4）管道路由定位、深度测量； （5）管道外防腐层状况评估； （6）管道外防腐层破损点定位； （7）重要管道定期跟踪检测。 3.2 SL-AY508V型地下管道防腐层绝缘电阻测 量仪 SL-AY508V 型是根据变频选频测试技术原理开发 的地下管道防腐层绝缘电阻测量仪。能够方便而准确地 测量埋地金属管道防腐层绝缘电阻， 以真实地反映埋地 管道防腐层质量状况。 适用范围 （1） 测量管道防腐层绝缘电阻， 可用于判断管道防 腐层完好或损坏程度， 从而确定更换、 修补或大修的确 切管段； （2） 测量出管道防腐层绝缘电阻， 可用于指导加强 阴极保护措施； （3）用于阴极保护设计，可以提高设计精度。 （4）用于新施工的管道，可以确保施工质量。 3.3 SL-2098 埋地管道外防腐层状况检测仪 SL-2098埋地管道外防腐层状况检测仪是根据皮尔 逊检测技术原理设计的， 能方便而准确地查出地下金属 管道的位置、走向、深度、绝缘防腐层破损点的大小。 适用范围 （1）对新铺设的管道进行竣工验收； （2） 根据安全规程对管道进行定期检测， 确定阴极 保护效果； （3）对主管线上的分支进行定位； （4） 对旧管道进行检测， 确定该管段是否需要大修； （5）对施工区段开挖破土前进行地下管线分布检 查，防止施工时破坏地下油、气、水、电等管线。 3.4 C-SCAN管道防腐层检测仪器 C-扫描C-SCAN埋地管线检测系统是目前最先进 的埋地管线防腐层检测、 阴极保护检测、 管线立体定位 系统。C-SCAN管道防腐层检测仪器的测量原理是电流 衰减原理。利用测得的电流衰减数据， 就可以对外防腐 涂层的绝缘状况进行评价和找寻破损点的位置。 适用范围 （1）监测外涂层的变化； （2）检测管线位置，覆盖土层情况，支线管位置， 管线跨接，牺牲阳极等； （3）新管线交工前或者预购旧管线前的检测； （4）巡检无法靠近的管线（如河流、烂泥、植被或 庄稼地下面） ； （5）检测由于强水流冲击造成的管线位置改变； （6）检测管线是否与其它埋地金属物“接触” 。 3.5 CATH-TECH型DCVG直流电压梯度测量仪 CATH-TECH HEXCORDER Millennium（简称 CHM）是用来对埋地管线阴极保护缺陷或者外防腐层 漏点进行检测定位的仪器。该仪器是根据密间距电位测 试（CIPS）和直流电位梯度法（DCVG）技术原理由加 拿大人设计的。CHM不仅能够完成密间距管线电位测 量 CIPS，而且还可以完成直流电压梯度测量 DCVG。 CIPS用于电位检测， DCVG用于防腐层状况检测， 另外 CHM 还可以处理数据和捕获波形。 （1）CIPS 用于管 / 地电位检测的检测模式 ①无中断测量，用于仅需要测量整流器“ON 电 位” 、无阴保管线或牺牲阳极法保护的管线。 ②高/低电位测量 （需有中断） ， 用于通过设置开关 周期与断流器同步，记录整流器ON/OFF电位。 ③ GPS 同步测量，用于通过设置开关周期与 GPS 信号同步， 而且与被GPS同步的断流器再同步， 记录整 流器ON/OFF电位。 （2）DCVG 用于防腐层状况检测的检测模式 ①无中断测量（需连接管道测试线） ，用于仅需要 全面腐蚀控制2008 年第 22卷第 2 期于培林 姚安林 刘晓艳 刘艳华油气管道外检测技术的综合应用 08-2防腐－2008.4.22, 324 AM7 8 测量整流器 “ON电位” 、 无阴保管线或牺牲阳极法保护 的管线。 ②高/低电位测量 （需有中断； 需连接管道测试线） ， 用于通过设置开关周期与断流器同步， 记录整流器ON/ OFF 电位。 ③GPS同步测量（需连接管道测试线） ，用于通过 设置开关周期与 GPS信号同步，而且与被 GPS 同步的 断流器再同步，记录整流器ON/OFF电位。 ④电压梯度测量（不需连接管道测试线） 。 3.6 SCM 杂散电流检测仪 SCM 杂散电流检测仪是世界上最先进的管道杂散 电流检测的专用设备。在杂散电流检测时通常将施加在 管道上的持续稳定的直流干扰电流，称为静态杂散电 流， 而将周期性的幅值经常变化的直流杂散电流称为动 态杂散电流 （一般是由电力机车、 地铁等运行过程中引 起的） 。使用SCM可以对换静态杂散电流进行实时检测 和数据分析；而对动态杂散电流检测时， 可以设置最长 达48小时的自动监测和数据存贮。 3.7 阻抗分析仪 电化学阻抗谱（EIS）于1971年由Espe-Iboin首次 应用于金属腐蚀研究。EIS对有机材料的研究原理是将 外覆盖层经过预处理， 测定外覆盖层在不同频率下的阻 抗和电容值，以及外覆盖层/金属界面的信息，得到各 类阻抗（Bode图，Nyquist图） ，对上述阻抗图谱进行解 释分析， 从电容值可以衡量外覆盖层的吸水量， 从外覆 盖层电阻值可以确定外覆盖层的防腐蚀性能， 并能由外 覆盖层下金属电化学腐蚀电荷传递电阻估算腐蚀速度， 从而得以跟踪外覆盖层性能的变化， 对外覆盖层性能进 行评价。EIS可采用交流阻抗法测量，原理是用小幅度 正弦交流信号扰动电解池， 得到被测体系在稳态时对扰 动的响应情况， 同时绘制Bode图或Nyquist图。Bode图 包括幅频特征曲线和相频特征曲线， 即阻抗的模值和相 角随频率变化的曲线；Nyquist图由一系列点组成， 每个 点都表示某个特定频率下阻抗矢量的实部与虚部。阻抗 分析仪就是由此原理开发的检测仪器， 主要用于检测外 防腐层是否存在剥离。 4 结论及建议 通过对上面各种常见外检测技术及仪器特点的综 述， 发现每种检测方法各有侧重， 在对防腐层综合性能 评价方面均具有一定说服力， 但各有利弊。比如电位差 法、 管内电流法、 变频选频法只是单一的计算绝缘层电 阻率；皮尔逊法能检测管道的走向、 埋深和防腐层破损 点的位置，操作简单易学，检测速度快，但是操作经验 对检测的精确性有很大影响；PCM 法能检测管道的走 向、埋深、防腐层破损点的位置和防腐层绝缘电阻率， 但对操作人员要求较高，检测速度不如皮尔逊法快； CIPS/DCVG 法能准确地测量真实的管地电位和防腐层 破损点， 并能判断破损处是否处于被腐蚀状态， 但该法 只能用于有阴极保护系统的管道， 检测速度也较慢。另 外， 在各种外检测技术方法中对于管道阴极保护效果的 检测只能利用标准管/地电位法和密间距电位法，并且 只有阻抗分析仪可以检测防腐层是否存在剥离缺陷。总 之， 究竟使用哪一类检测技术及仪器是根据使用单位的 检测目的决定的， 为了克服单一检测技术的局限性， 建 议使用单位根据自己的使用条件和目的选择不同的检测 仪器组合方案。通过对各外检测技术及仪器的组合， 基 本可以掌握天然气埋地管道的走向与埋深、 外覆盖层安 全质量状况及防腐层的失效形式、 阴极保护有效性、 破 损点大小与分布及位置、破损点的严重性与阴阳极趋 向， 从而为管道使用单位对管道进行监控维护管理与改 造提供依据，为政府相关职能部门安全监察提供参考。 目前，只有CIPS-DCVG的组合应用比较广泛，受 到了国内外同行的肯定， 而其它组合方案都是基于理论 技术的组合， 需要及时地把这些组合方案应用于各种检 测实践中， 从而找到更为合理的组合方案， 进一步推动 我国埋地管道外检测技术的发展。另外， 也希望有关专 家和研究人员继续开展以下方面的工作 （1）继续加强管道外检测技术方法的研究，提高检 测的效率和准确性， 并且针对各种检测技术及外防腐层结 构形成相应的技术规范， 指导检验检测工作的顺利进行； （2） 采集试验数据， 研究各种仪器重复检测的吻合 性能及各种检测仪器的影响因素和应用条件， 避免无效 的检验检测工作； （3）优化综合评价执行软件，增加PCM的Rg计算 功能、 简化变频选频检测数据复杂的计算功能， 添加报 表输出功能和网络通讯功能。 参考文献 [1] 张中祥，黄桂柏，林建国等.油田埋地管道外防腐检测方法. 油气 田地面工程，2006，25（1） 48． 下转第15 页 腐蚀检测专题 08-2防腐－2008.4.22, 324 AM8 15 段和终了段管道电位图， 即0～274m及2348～2622m的 管道电位图） 。图 1、图 2上方曲线为未消除 IR降的电 位， 下方曲线为消除IR降的电位。通过图形， 我们可以 看出管道消除 IR 的电位未出现突然陡降的情况，而是 随着距离的增加平稳下降， 因此， 可以排除管道出现搭 接的可能。管道未消除 IR 降电位之所以出现较大幅度 下降， 且不够平稳，一方面是由于沿线土壤电阻率有所 不同， 更重要的是恒电位仪输出电流很大， 随着距离的 增加，由于防腐层破损点较多，阴保电流衰减很大，造 成土壤IR 降较大。 的阳极地床接地电阻过大， 这也会造成管道的阴极保护 不能正常工作。 4 原因分析 综合以上方面进行分析， 我们可以总结出东临复线 管道阴极保护距离过短的原因有以下几个方面 （1）管道沿线防腐层破损点过多，工程施工质量 差， 管道防腐层不能达到对管道原有的保护， 造成管道 阴极保护电流损失过大。 （2） 固定墩处管道破损以及管道浸泡在水中等多方 面因素， 同样造成阴极保护电流短距离大量流失， 从而 使管道阴极保护过短。 （3） 管道阳极地床接地电阻大， 也造成管道阴极保 护不能达到正常保护范围。 （4）从CIPS检测电位曲线来看，从首站开始至4 测试桩处， 管道消除IR降的实际保护电位衰减约80mV， 在如此短的距离衰减如此大的量， 说明管道防腐层质量 差， 造成阴极保护电流大量流失， 导致阴极保护失去应 有的效力。另外，管道在出站时的土壤 IR 降达到约 400mV，而在4测试桩处，土壤IR降仅约50mV，造成 这一衰减的重要原因同样是因为管道防腐层质量差， 使 阴极保护电流沿管线距离的增长， 而迅速衰减， 在4测 试桩处的阴极保护电流已经非常微弱， 因而才会造成土 壤 IR 降迅速衰减。 5 建议 （1） 对东临复线全线进行管道防腐层检测及评估； （2） 对管道出站至4测试桩处所有的防腐层破损点 进行修补， 对所有的固定墩处进行修补， 对所有管道支 架进行防腐处理，并增加新的绝缘胶垫。 参考文献 [1] 俞蓉蓉，蔡志章.地下金属管道的腐蚀与防护[M].北京石油工业 出版社，1998. [2] 李金桂.腐蚀控制手册[M].北京化学工业出版社，2006. [3] 何业东.材料腐蚀与防护概论[M].北京机械工业出版社，2005. 距离首站出站法兰（米） 图1 东临复线0～1测试桩间管道电位图 距离首站出站法兰（米） 图2 东临复线2～4测试桩间管道电位图 3.4 管道阳极地床检测 将管道阳极地床与大罐阳极地极进行对比， 当接到 管道阳极地床时，调节阴保电位到-1.2V，此时恒电位 仪输出电压为23.6V， 输出电流为24.1A， 而当接到大罐 阳极地床时，调节阴保电位到-1.2V，此时恒电位仪输 出电压为14.4V， 输出电流为25.2A。这就说明管道自身 全面腐蚀控制2008 年第 22卷第 2 期吕高稳 冯先强浅析东临复线输油管道阴极保护距离缩短的原因 [2] 刘冰,张宏,何仁洋.埋地钢质管道外覆盖层组合检测技术.油气储运， 2006，25（2） 1～6． [3] 孙敬清.城市埋地燃气钢质管道外防腐层检测评价技术研究及检验 软件开发.北京化工大学硕士研究生学位论文，200449～56． [4] 严大凡,翁永基,董绍华.油气长输管道风险评价与完整性管理.北京 化学工业出版社,2005年 6 月第一版． [5] 赖广森,廖宇平,李嘉等.埋地管道防腐层缺陷地面检测技术最新发 展.管道技术与装备,1999,76． [6] 杨筱蘅.油气管道安全工程. 北京中国石化出版社，2005125～ 130． [7] 左延田，沈功田，曾鸣. 在用埋地管道不开挖检测技术. 特种设备 检测专题论坛，无损检测，2006，28（4） P203～205． [8] 何仁洋， 孙敬清.埋地燃气管道综合检验检测技术研究.管道技术与 设备，2003，4P31～33． 上接第 8页 08-2防腐－2008.4.22, 324 AM15