馬偉平 蔡亮 王禹欽 潘騰

（1.中國石油管道科技研究中心；2.中國航油集團津京管道運輸有限責(zé)任公司；3.中國石油管道公司）

1 現(xiàn)狀

長輸管道腐蝕防護的公認(rèn)做法是防腐層聯(lián)合強制電流陰極保護。防腐層完整性對于管道安全至關(guān)重要，應(yīng)具備良好的絕緣性、附著力和連續(xù)性[1]。在管道施工階段，防腐層在管溝回填時可能受到土石塊擠壓造成破損；管道運行一定年限后，防腐層會發(fā)生老化和剝離。管道外檢測可及時發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷，全面、準(zhǔn)確了解管道狀況并實施改進和修復(fù)，從而提高了管道完整性，保證管道安全[2]。

近年來，三軸高清漏磁、電磁超聲等管道內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展很快，但由于變管徑、非通徑閥門和彎管曲率等制約因素，約1/3 管道實施內(nèi)檢測難度較大[3]。管道外檢測技術(shù)特別適用于雜質(zhì)多、結(jié)蠟嚴(yán)重、輸量低等無法實施內(nèi)檢測的管道。提升我國管道外檢測技術(shù)水平，對于延長在役管道使用壽命、預(yù)防油氣泄漏事故和保障管道安全具有重要意義。

2 管道外檢測技術(shù)概述

管道外檢測是指非開挖情況下，應(yīng)用專業(yè)設(shè)備在地面非接觸式檢測管道，確定管道腐蝕缺陷、防腐層破損以及陰極保護系統(tǒng)和防干擾系統(tǒng)狀況，提出管道開挖和修復(fù)計劃，指導(dǎo)管道管理維護工作。

2.1 防腐層完整性

防腐層完整性檢測確定防腐層破損位置和嚴(yán)重程度，舊管道采用石油瀝青防腐層還應(yīng)測試防腐層絕緣性能。如發(fā)現(xiàn)防腐層破損點，應(yīng)測試該處腐蝕活性和陰極保護有效性，判斷管段是否發(fā)生腐蝕。

2.2 管道陰極保護有效性

評價管道陰極保護有效性即測試管-地極化電位是否滿足-850 mV準(zhǔn)則要求（相對飽和Cu/CuSO4參比電極），電位測量應(yīng)采用斷電延遲測量法。如不滿足，應(yīng)提出陰極保護系統(tǒng)改進和調(diào)整建議，例如調(diào)整整流器電壓和電流參數(shù)、調(diào)整陽極床位置等。

2.3 管道干擾影響和防干擾系統(tǒng)狀況

如管道鄰近交、直流電氣化鐵路或者高壓輸電線路等干擾源，可能發(fā)生交流腐蝕或直流雜散電流腐蝕。管道干擾檢測應(yīng)確定干擾影響類型、范圍、規(guī)律和程度并采取排流措施，必要時應(yīng)測試和評價排流效果。

2.4 管道腐蝕缺陷

腐蝕是管道失效的重要原因之一。管道腐蝕缺陷檢測是在防腐層完整性檢測的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場開挖和直接檢查的方式，確定管道發(fā)生腐蝕的位置，判定腐蝕類型、測量腐蝕面積和深度，計算管道腐蝕速率、剩余厚度和強度，評價管道剩余壽命等。

3 管道防腐層完整性檢測技術(shù)

3.1 皮爾遜檢測技術(shù)

皮爾遜檢測技術(shù)（Pearson）即交流電流法，原理是將發(fā)射機的交流信號（1 000 Hz）加載在管道上，如管道防腐層完好，管道中交流信號沿程均勻衰減；如管道防腐層有破損，有電流泄漏入土壤，在管道破損點和土壤之間形成電壓差，據(jù)此判定破損點位置，通過電位衰減數(shù)值大小判定漏點大小。

皮爾遜檢測技術(shù)優(yōu)點是操作簡單、快速，信號靈敏度高，能準(zhǔn)確定位防腐層破損位置；適用于埋深小于3 m的管道，不受陰極保護系統(tǒng)的影響。該技術(shù)缺點是不能判斷防腐層整體狀況和破損點大小，不能確定是否存在防腐層剝離；易受外界電流干擾，不同類型土壤和涂層電阻都能引起信號改變；判斷缺陷依賴于操作員的經(jīng)驗。

3.2 多頻管中電流測繪技術(shù)

多頻管中電流測繪技術(shù)（PCM）即交流電流梯度法，向管道加載發(fā)送特定頻率的交流電流信號（例如4 Hz），繪制電流梯度圖，檢測管道中電流信號衰減率的變化，確定防腐層破損點位置；測量防腐層絕緣電阻值大小，確定防腐層平均質(zhì)量狀況和缺陷嚴(yán)重程度。電流信號在管道中傳播特性取決于管道材質(zhì)與防腐層狀況，如管道防腐層完好，交流電流信號以恒定速率衰減；如管道防腐層有破損點，電流通過破損點流向土壤，該處電流衰減率突然增大。該技術(shù)可用于管道防腐層評價、新建管道補口質(zhì)量驗收、陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測、管道泄漏點定位等。

多頻管中電流法優(yōu)點是自帶信號發(fā)射裝置，可檢測未實施陰極保護的管道；可準(zhǔn)確檢測管道埋深及位置、其他金屬搭接和較大的防腐層缺陷；檢測速度較快，缺陷定位能力較強。缺點是針對防腐層破損點精確定位存在局限性，不能確定較小的缺陷；無法對強電干擾區(qū)管段進行檢測；防腐層缺陷判斷對操作者專業(yè)技能要求較高。

3.3 直流電位梯度法

直流電位梯度法（DCVG）是目前較先進、應(yīng)用廣泛的管道外檢測技術(shù)，原理是向管道施加直流電流，檢測電流通過土壤到達管道防腐層的電位梯度（即土壤IR降），如防腐層存在破損點，流失的電流越大，電位梯度也越大越集中。通過根據(jù)土壤IR 降占管-地電位的百分比，計算防腐層缺陷大小和嚴(yán)重程度。判斷準(zhǔn)則為較小破損點0～15%ΔU ；中 型 破 損 點16%～35% ΔU ； 較 大 破 損 點36%～100% ΔU 。 DCVG技術(shù)可提供防腐層損傷信息，以及精確定位防腐層缺陷位置。

DCVG 法優(yōu)點是可測量破損點形狀和計算破損面積大小，并對缺陷點排序以確定修復(fù)順序；不受雜散電流或管道上方電網(wǎng)干擾，受地貌影響?。蝗毕荻ㄎ痪雀?，設(shè)備操作簡單。缺點是不能給出破損點處的管-地電位，不能指示防腐層剝離。DCVG法可以發(fā)現(xiàn)較小的防腐層破損，但需要加載供入較大功率的電流信號才能保證測量信號的靈敏度。

4 管道陰極保護有效性檢測技術(shù)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)

一般管道沿線每間隔1 km 設(shè)置陰極保護電位測試樁，采用萬用表和Cu/CuSO4參比電極測量管-地電位，通過研究管道沿線電位分布，評價管道陰極保護有效性。電位測量有兩種方式，一種在恒電位儀接入電流中斷器，實現(xiàn)陰極保護電流同步中斷，測量管道通/斷電位；另一種是直接測量管道通電電位。通/斷電位可以確定土壤IR 降，對管道陰極保護效果評價較準(zhǔn)確。通電電位測量簡單、快捷，根據(jù)管道沿線通電電位衰減狀況定性判斷管道陰極保護效果和防腐層狀況，適用于管道日常管理與維護。

標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)優(yōu)點是檢測速度快；缺點是不能對管道缺陷大小與位置精確定位，連續(xù)評價能力差，只用于陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測和粗略評價。

4.2 密間隔電位測試技術(shù)

密間隔電位測試技術(shù)（CIPS）是對標(biāo)準(zhǔn)管-地電位測試技術(shù)的改進，也是國外評價管道陰極保護有效性的首選技術(shù)。測試時應(yīng)在管段的恒電位儀安裝電流同步中斷器，一般在1～3 m 間隔上密集測試管-地電位和密集極化電位（通/斷電位），得到管-地電位變化曲線。測定管道陰極保護效果有效性，并可間接確定防腐層缺陷位置和狀況，具體方法是電位不滿足-850 mV準(zhǔn)則或電位曲線出現(xiàn)“低谷”的管段，可能存在防腐層破損點。CIPS對防腐層破損位置檢測精度在±1 m范圍內(nèi)。

密間隔電位法優(yōu)點是可定位缺陷位置，定性評估防腐層狀況。缺點是檢測速度慢，易受雜散電流、土壤性質(zhì)和周邊地面活動影響而產(chǎn)生較大誤差，適于周邊活動少且地勢平坦地區(qū)。密間隔電位法實質(zhì)上是一種管-地電位測試技術(shù)，而非防腐層缺陷檢測技術(shù)，防腐層狀況是通過分析電位得到的，通常應(yīng)與其他檢測技術(shù)配合使用。

4.3 CIPS/DCVG聯(lián)合檢測技術(shù)

管道外檢測技術(shù)各有優(yōu)缺點和適用范圍，實際應(yīng)使用兩種或多種檢測技術(shù)避免單一技術(shù)的局限性，例如國外推薦使用CIPS 與DCVG 聯(lián)合檢測技術(shù)，可全面檢測防腐層狀況，包括防腐層老化狀況、破損位置及大小、陰極保護系統(tǒng)運行情況、管道保護效果和雜散電流分布等[4]。CIPS/DCVG 聯(lián)合檢測技術(shù)具體做法是管道防腐層檢測采用DCVG 方法，確定防腐層損壞類型、位置；利用CIPS 密間隔電位檢測技術(shù)測試管道斷電電位，確定管道陰極保護效果和防腐層優(yōu)劣。

5 管道交直流干擾檢測技術(shù)

5.1 電位連續(xù)測試法

在一段時間內(nèi)連續(xù)測量管道對地直流電位或交流電壓以評價干擾情況。存在交直流干擾時，管道對地電位和交流電壓隨時間不斷變化，連續(xù)測量一段時間（少則1 h，多則1 d）才能掌握干擾變化規(guī)律。采樣時間間隔可以是1 s 或更小，在一條管線上的若干個測試點以相同的采樣時間間隔同時進行測量，即多點同步測量。獲得管道電位（電壓）隨時間和距離變化的規(guī)律，確定管線是否存在干擾以及干擾的程度、范圍和規(guī)律等信息。

5.2 電流密度測試法

通過測量管道泄漏電流密度評價干擾情況是目前新興的、較為公認(rèn)的評價方法，主要用于交流腐蝕評價，即根據(jù)電流密度大小評價交流腐蝕嚴(yán)重程度。有兩種方式，現(xiàn)場埋設(shè)試片或極化測量探頭，測量管線通過試片泄漏的電流，根據(jù)試片裸露面積計算電流密度；另一種是測量管道對地交流電壓和土壤電阻率，計算電流密度。前者用于監(jiān)測重點干擾管段，后者用于大范圍管道交流干擾評價。

6 管道腐蝕缺陷檢測技術(shù)

6.1 開挖檢測法

應(yīng)用外檢測技術(shù)確定管道防腐層破損點，針對嚴(yán)重程度排序選擇開挖管段，可直接觀察管體腐蝕情況，并采用一種或多種無損檢測方法測量管道腐蝕缺陷狀況。測量內(nèi)容包括缺陷形貌、面積尺寸、深度、缺陷點分布、腐蝕產(chǎn)物情況、土壤環(huán)境情況等，還可采集土壤和腐蝕產(chǎn)物進行分析化驗。可采取的無損檢測技術(shù)包括超聲、相控陣超聲、磁粉和導(dǎo)波等。開挖檢測法是最直接的方法，獲取數(shù)據(jù)真實、豐富，但開挖和回填工作量大。

6.2 非開挖檢測法

在役管道非開挖外檢測技術(shù)是在地面直接針對管道管體缺陷進行檢測的技術(shù)。近年來這類檢測工具主要是磁力層析X 射線攝影技術(shù)（MTM）、瞬變電磁檢測技術(shù)（TEM）、NoPig 技術(shù)[5]。三種技術(shù)適用于在役管道的非開挖外檢測技術(shù)利用電磁原理針對金屬管體進行地面檢測，均具有不開挖管溝、不破壞管道外防腐層、不影響管道運行等顯著優(yōu)點，但從應(yīng)用現(xiàn)狀看，在抗現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境干擾、數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性等方面，尚需大量實踐經(jīng)驗積累。

7 管道外檢測技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

目前雖有多種管道外檢測技術(shù)，但每種技術(shù)各有優(yōu)點和局限性，特別是沒有一種技術(shù)能檢測、判斷防腐層剝離；Pearson 法可檢測管道走向、埋深和防腐層破損點位置，但不能準(zhǔn)確判斷破損點的大小；PCM 法檢測速度較快，但對操作者經(jīng)驗技能要求較高；CIPS/DCVG 法能全面防腐層狀況，但檢測速度較慢。

目前管道外檢測技術(shù)雖有較高的普適性，但由于技術(shù)原理是基于在管道上加載直流或交流電信號，特殊情形下存在制約因素，難以實施管道外檢測技術(shù)或者效果很差，例如：

1）含套管的穿越管段以及水平定向鉆穿越管段。人員無法接近，無法實施管道外檢測，也無法進行開挖直接檢查和修復(fù)維修。

2）存在交直流強干擾管段。對各類基于電磁技術(shù)的檢測方法均有較強干擾，檢測精度下降，甚至無法檢測。

3）發(fā)生防腐層剝離的管段，由于存在電流屏蔽效應(yīng)，大部分管道外檢測技術(shù)無法實施。這些特殊情形下的管道外檢測技術(shù)也是未來的研究重點和方向。

8 管道外檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來我國長輸管道建設(shè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，截止2016 年底，我國在役陸上油氣管道總里程超過12.3×104km。很多新建管道敷設(shè)于高寒凍土區(qū)、山區(qū)、戈壁等環(huán)境惡劣區(qū)域，加之管道沿線經(jīng)濟發(fā)展、第三方破壞頻繁等，這些因素都對管道運行管理提出了更高要求，管道管理者也迫切需要對新建管道進行檢測，以便及早發(fā)現(xiàn)并修復(fù)施工造成的防腐層破損和管體缺陷?？梢灶A(yù)見，管道外檢測技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

管道外檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢是信號反應(yīng)靈敏、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強、操作簡便、數(shù)據(jù)直觀等。此外，管道外檢測與完整性數(shù)據(jù)庫、GIS 信息技術(shù)相結(jié)合，提升管道檢測的效率和信息化水平。管道企業(yè)應(yīng)根據(jù)管道實際特點選擇合適的檢測技術(shù)，建議選擇多種方法聯(lián)合檢測，以獲得更加全面的檢測數(shù)據(jù)，從而精確、高效的評價管道防腐層狀況，建立先進、完善、適用于我國國情的管道外檢測技術(shù)體系。