摘　要：根據(jù)多年檢測地下管道外防腐層的實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)地論述了地下管道外防腐層檢測前沿的幾種理論方法。通過對這些理論方法和檢測技術(shù)的分析，以期能對我國油氣等埋地管網(wǎng)腐蝕評價的技術(shù)規(guī)范制定、實際管道腐蝕檢測的實施、埋地管網(wǎng)腐蝕評價起到指導(dǎo)和借鑒作用。
　　
　　關(guān)鍵詞：外防腐層直接檢測和評價；交流電流法；直流電壓法
　　
　　1埋地鋼管的腐蝕類型
　　
　?、俟艿纼?nèi)腐蝕
　　
　　這類腐蝕影響因素相對來說比較單一，主要受所輸送介質(zhì)和其中雜質(zhì)的物理化學(xué)特性的影響，所發(fā)生的腐蝕也主要以電化學(xué)腐蝕為主。例如：如果所運輸?shù)奶烊粴獾臐穸群秃蜉^高時，管道內(nèi)就容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。對于這類腐蝕的機理研究比較成熟，管道內(nèi)腐蝕所造成的結(jié)果也基本上可預(yù)知，因此處理方法也規(guī)范。比如通過除濕和脫硫，或增加緩蝕劑就可消除或減緩內(nèi)腐蝕的發(fā)生。近年來隨著管道業(yè)主對管道運行管理的加強以及對輸送介質(zhì)的嚴(yán)格要求，內(nèi)腐蝕在很大程度上得到了控制。目前國內(nèi)外長輸油氣管道腐蝕控制主要發(fā)展方向是在外防腐方面，因而管道檢測也重點針對因外腐蝕造成的涂層缺陷及管道缺陷。
　　
　　②管道外腐蝕
　　
　　管道外腐蝕的原因包括外防腐層的外力破損，外防腐層的質(zhì)量缺陷，鋼管的質(zhì)量缺陷，管道埋設(shè)的土壤環(huán)境腐蝕。
　　
　?、酃艿赖膽?yīng)力腐蝕破裂
　　
　　管道在拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性破裂現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕破裂(StressCorrosionCracking，SCC)，它不僅能影響到管道內(nèi)腐蝕，也能影響到管道外腐蝕。關(guān)于應(yīng)力腐蝕，有資料表明，截至1993年底，國內(nèi)某輸氣公司的輸氣干線共發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕事故78起，其中某分公司的輸氣干線共發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕破裂事故28起，僅1979年8月至1987年3月間就發(fā)生12次硫化物應(yīng)力腐蝕的爆管事故，經(jīng)濟損失超過700×104元。據(jù)國外某國11家公司對1985年至1995年間油氣管道事故的統(tǒng)計，應(yīng)力腐蝕破裂占17％。該國某公司自1977年以來，天然氣和液體管道系統(tǒng)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞事故22起，其中包括12起破裂和10起泄漏事故。這些應(yīng)力腐蝕為近中性應(yīng)力腐蝕，是由于聚乙烯外防護層剝離和管道與水分接觸造成的。
　　
　　2埋地鋼管的防腐措施
　　
　　目前管道的腐蝕防護采用了雙重措施，即外防腐層和陰極保護。外防腐層是第一道屏障，對埋地鋼管腐蝕起到約95％以上的防護作用，一旦發(fā)生局部破損或剝離，就必須保證陰極保護(CathodicProtection，CP)電流的暢通，達到防護效果。隨著防腐涂層性能的降低，CP的作用會逐漸增加，但是無論如何發(fā)揮CP的作用，它都不可能替代防腐涂層對管道的保護作用。而且使用CP應(yīng)注意它的負(fù)作用，CP僅在極化電位-(0.85～1.17)V這樣一個很窄的電位帶上起作用，一旦電位超出這個范圍，就會造成陽極溶解或引起應(yīng)力腐蝕破裂。
　　
　　3外防腐層破損的直接檢測和評價
　　
　　外防腐層破損直接檢測和評價技術(shù)ECDA(ExternalCorrosionDirectAssessment)是在對埋地鋼管不開挖的前提下，采用專用設(shè)備和檢測方法在地面非接觸性地對外防腐層破損缺陷定位，從而對管道的腐蝕狀況和管道運行的安全風(fēng)險進行評估。國外對這個領(lǐng)域的研究比較早，已經(jīng)制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，從而形成了比較完善的知識體系，比如國際防腐蝕工程師協(xié)會(NACE)標(biāo)準(zhǔn)RP0502—2002和美國天然氣協(xié)會(INGAA)對ECDA作了詳細(xì)的要求和規(guī)定，因此具有很強的可操作性。
　　
　　國內(nèi)實施管道外防腐層檢測技術(shù)始于20世紀(jì)80年代中期，隨著改革開放，國外的檢測設(shè)備大量引進。但是對于其理論方法和技術(shù)規(guī)范鮮有論述，致使引進的先進設(shè)備并沒有發(fā)揮應(yīng)有的效能。筆者認(rèn)為對理論方法和技術(shù)規(guī)范的消化引進更重要，它是我們引進設(shè)備的基礎(chǔ)，也是再創(chuàng)新的基礎(chǔ)。雖然我國也制定了相應(yīng)的腐蝕控制的標(biāo)準(zhǔn)，CJJ95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》、SY/T0063—1999《管道防腐層檢漏試驗方法》，但這些標(biāo)準(zhǔn)只涉及到了防腐層施工和埋設(shè)前的質(zhì)量保證，對埋地管道外防腐層破損直接檢測和評價技術(shù)沒有詳細(xì)規(guī)定，而這方面卻又是生產(chǎn)運行中急需解決的問題。
　　
　　3．1外防腐層破損直接檢測和評價的步驟
　　
　　按照國際防腐蝕工程師協(xié)會(NACE)標(biāo)準(zhǔn)RP0502—2002的要求，ECDA的總體技術(shù)要求是對于腐蝕已經(jīng)發(fā)生、正在發(fā)生和將要發(fā)生的敏感管段能做出預(yù)測。在實際應(yīng)用時，為達到此目標(biāo)，要進行如下4個操作步驟。
　　
　?、兕A(yù)評價(Pre．Assessment)
　　
　　收集敏感管道的歷史資料及管道特征，并對這些資料進行評估。在所搜集的管道資料的基礎(chǔ)上，制定ECDA的可行性方案，按相似條件的管段劃分不同的區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)采用的檢測儀器要相同，以保證結(jié)果的可比性。
　　
　?、诜墙佑|測量(IndirectInspection)
　　
　　采用2種或2種以上的地面外防腐層破損檢測技術(shù)，比如：密間隔電位法(CloseIntervalPotentialSurvey，CIPS)、直流電壓梯度法(DirectCurrentVoltageGradient，DCVG)、交流電壓梯度法(AlternatingCurrentVoltageGradient，ACVG)、交流電流衰減法(ACAttenuation)，用以檢測管道的腐蝕行為和查找外防腐層的破損點。系統(tǒng)地分析以上方法所取得的數(shù)據(jù)，得出高風(fēng)險區(qū)域的開挖修復(fù)的準(zhǔn)確信息。
　　
　?、壑苯娱_挖驗證(DirectExamination)
　　
　　選定開挖的現(xiàn)場，實際識別出破損點，并決定是修復(fù)還是更換管道。
　　
　?、芎笤u價(PostAssessment)
　　
　　對ECDA的以上3個步驟做出總結(jié)，建立起評價模型，以便指導(dǎo)將來的管道安全維護。
　　
　　3．2外防腐層破損的檢測方法
　　
　　3．2．1交流電流法
　　
　　交流電流法在國際上通常被稱為皮爾遜檢測法(PearsonSurvey)。其基本原理是：當(dāng)用一個信號發(fā)射機把特定頻率的交流信號通過導(dǎo)線施加在金屬管道上時，這種特定頻率的交流信號就會沿管道向前傳播，并在無窮遠(yuǎn)處與發(fā)射機的地線形成回路。如果管道的外防腐層完好，由于管道電阻的原因，管道中交流信號是沿程均勻衰減的；如果管道的外防腐層有破損或絕緣不好，在外防腐層破損點便會有電流泄漏入土壤中，這樣如果沿程測量管道中的電流信號，在破損點附近，就會有一個管中電流的陡降；同時在管道破損點和土壤之間也會形成電壓差，且在接近破損點的部位電壓差最大，用儀器在埋設(shè)管道的地面上可檢測到這種電流或電位異常，即可發(fā)現(xiàn)管道外防腐層破損點。
　　
　　特別指出的是，皮爾遜檢測是一種檢測方法和基本原理，不是具體的某種設(shè)備，把基于以上原理的檢測設(shè)備與一種檢測方法混為一談是不恰當(dāng)?shù)?。皮爾遜檢測法最大的特點是向管道施加特定頻率的交流信號，然后在防腐層破損點檢測到電流或者電壓的異常。
　　
　　基于以上原理，不同的廠家開發(fā)出各具特色的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的區(qū)別主要在于采用的信號頻率不同和接收天線數(shù)目和布局不同，目前主流的檢測設(shè)備有以下兩種。
　　
　?、貱-掃描設(shè)備
　　
　　該設(shè)備接收機采用5根垂直陣列天線，提高了管道定位精度，具有自動識別干擾信號并提示的能力。C-掃描采用的交流信號是單一的937.5Hz交流信號。
　　
　　該設(shè)備能夠方便地確定被測管道位置或防腐層缺陷位置。在測試過程中自動記錄、處理和儲存檢測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場顯示各種檢測曲線，可現(xiàn)場評判防腐層性能，并具備數(shù)據(jù)結(jié)果存儲和進一步分析評價的能力。其缺點是設(shè)備價格昂貴，稍高的信號頻率易受外界電磁雜波的干擾，并且一旦受到干擾，由于設(shè)備只有一種頻率，很難避開干擾。另外，C-掃描沒有測量破損點電壓異常的附件。
　　
　　②管中電流法測繪設(shè)備
　　
　　管中電流法測繪設(shè)備(PipeCurrentMapping，PCM)的最大特點是施加“準(zhǔn)直流”的4Hz交流信號作為防腐層破損檢測的測繪信號，并有128/640Hz的定位信號。接收機天線采用經(jīng)典的雙水平天線和單豎直天線，既可按峰值(雙水平天線)也可按零值(單豎直天線)定位。PCM能夠通過A字架測量破損點的跨步電壓(SetVoltage)異常。PCM具有數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)可以用國內(nèi)開發(fā)出的相應(yīng)評價軟件分析。PCM具有較大的市場占有率。PCM的缺點是發(fā)射機不帶電源，在野外操作不方便。
　　
　　與PCM類似的產(chǎn)品還有德國FerrophonEL/G1設(shè)備。其最大的特點是接收機能夠直接接收陰極保護的信號，因此對有陰極保護的管道定位十分方便。它把1.1kHz交流信號作為防腐層破損檢測的測繪信號，并有42/10kHz的定位信號，接收機天線也是采用經(jīng)典的雙水平天線和單豎直天線，既可按峰值(雙水平天線)也可按零值(單豎直天線)定位。它也能夠通過A字架測量破損點的跨步電壓異常。其優(yōu)點是價格低，缺點是數(shù)據(jù)不能存儲。
　　
　　基于皮爾遜檢測法的設(shè)備，由于接收機輕便，檢測速度較快，自帶信號發(fā)射機，可以檢測沒有陰極保護(CP)的管道，因此目前國內(nèi)仍較普遍使用，受現(xiàn)場檢測人員的歡迎。但是這些設(shè)備使用局限性也很大：操作者的經(jīng)驗技能特別重要，沒有現(xiàn)場經(jīng)驗的人不易查找到涂層缺陷的位置，或者是常給出不存在的缺陷信息；很難指示涂層剝離但管道不漏鐵的破損點；不能指示CP效率，易受地電場干擾。
　　
　　3．2．2直流電壓法
　　
　　外防腐層破損檢測和管道腐蝕狀態(tài)評價的另一個前沿研究領(lǐng)域就是直流電壓梯度法(DCVG)，其特點是利用現(xiàn)有的陰極保護直流信號或臨時向管道施加直流信號，然后在防腐層破損點檢測到管對地極化電壓的異常，從而確定破損點和破損程度。而采用密間隔電位法(CIPS)全面測量，有助于評估管道整體陰極保護的情況。這兩種技術(shù)的結(jié)合(DCVG+CIPS)代表了這一領(lǐng)域的發(fā)展方向，也符合國際防腐蝕工程師協(xié)會(NACE)標(biāo)準(zhǔn)RP0502—2002的基本要求。
　　
　?、倜荛g隔電位測量法
　　
　　密間隔電位法CIPS主要用于測定CP系統(tǒng)的效果，間接反映防腐涂層狀況。CIPS法沿管道以間隔1.0～1.5m采集數(shù)據(jù)，繪制連續(xù)的開/關(guān)管地電位曲線圖，反映管道全線陰極保護電位情況。當(dāng)防腐層某處存在缺陷時，該處電流密度增大，使保護電位正向偏移，當(dāng)這種偏移達到一定數(shù)量，在地表就可檢測到，當(dāng)電位(銅/硫酸銅參比電極)低于-850mV時，管道就會發(fā)生腐蝕。
　　
　　CIPS法不能檢出涂層破損的準(zhǔn)確位置，實際上是一種管地電位檢測技術(shù)并非涂層缺陷檢測技術(shù)，涂層狀況是通過電位分析獲得的，因此通常要與DCVG配合使用。用CIPS判定CP不足或過保護具有獨到之處。
　　
　?、谥绷麟妷禾荻确?br /> 　　
　　直流電壓梯度法(DCVG)是由JohnMulvaney在澳大利亞首先提出，最初應(yīng)用在通信電纜外護套破損的確定，而后廣泛地應(yīng)用在埋地鋼管外防腐層破損的直接檢測和評價領(lǐng)域，至今已經(jīng)有逾30a歷史。其基本原理是當(dāng)把一個直流信號(比如陰極保護信號)施加到帶防腐層的管道上，就能在管道的防腐層破損點裸露的管體和大地之間，由于土壤的電阻作用，建立起電壓梯度，即土壤的電壓降ΔU。依據(jù)土壤的電壓降占管道對地電壓的百分比來計算涂層缺陷的大小和破損點的嚴(yán)重程度，越靠近管道的破損點電壓的梯度越大，流失的電流也越大。其判斷標(biāo)準(zhǔn)為：小破損點：(0～15％)ΔU；中破損點：(16％一35％)ΔU；大破損點：(36％～100％)ΔU。
　　
　　依據(jù)此原理，直流電壓梯度法使用高靈敏度的電壓表頭在管道防腐層破損點上方的地面上測量兩個銅/硫酸銅半電池電極的電位差。如果在一個電壓降之內(nèi)兩個電極有一段距離(1～2m)，一個半電池電位比另一個電位要高，這樣就可以確定電位梯度的大小和電流的方向。
　　
　　為了更容易區(qū)分管道上其他直流信號，如長線電池、雜散電流以及其他陰極保護系統(tǒng)，應(yīng)用直流電壓梯度法測量時，要通過特殊設(shè)計的中斷器，以1/3S(開)和2/3S(關(guān))的比例，向管道施加一種不對稱的直流信號。這種直流信號可以從現(xiàn)有的陰極保護系統(tǒng)起點的變壓整流器(T/R)上注入。如果管道不帶陰極保護，則可以在管道的測試中，用電池或直流發(fā)電機臨時建立這種系統(tǒng)。
　　
　　測量時把一個電極探頭放在管道正上方，另一個探頭放在管道的一側(cè)，兩探頭相隔1～2m，沿管道走向每隔一定的距離測量一組數(shù)據(jù)。如果測量到離防腐層破損點足夠近，就可以檢測到直流電壓梯度，并且越接近破損點，高靈敏度的表頭對開/關(guān)(ON/OFF)脈沖電流反應(yīng)越強烈，越過最強點后，電壓降逐漸減少，退回以不同的角度重做圓形探測，兩個電極探頭電位平衡點之間中點就是破損點中心。
　　
　　先進的DCVG檢測設(shè)備帶有數(shù)據(jù)存儲功能和GPS引擎，既能存儲測量數(shù)據(jù)，也能存儲地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都能傳輸?shù)接嬎銠C中，專用的分析軟件可直觀地顯示測量結(jié)果和防腐層異常情況。這方面的專業(yè)設(shè)備和軟件的開發(fā)，是我們今后的一個發(fā)展方向。
　　
　　DCVG法對于準(zhǔn)確確定破損點位置和破損的程度非常有效，但要全面掌握管道的腐蝕情況，還要用CIPS法對管道陰極保護狀態(tài)進行測量。
　　
　　現(xiàn)在國際上最前沿的技術(shù)是把直流電壓梯度法和密間隔電位測量法結(jié)合起來使用，即DCVG+CIPS技術(shù)。一旦對選定的管道作一系列這樣的檢測，就能夠?qū)ζ茡p點的嚴(yán)重程度和整個管道的腐蝕狀況作一個評估。
　　
　　4結(jié)論
　　
　?、僦挥袑λ械臋z測方法有了清晰系統(tǒng)的認(rèn)識，才能結(jié)合實際選擇合適的方法或者方法組合。每一種檢測技術(shù)都有它的優(yōu)點和局限性，了解各種檢測技術(shù)的局限性有助于現(xiàn)場人員提高檢測效率。選擇那一種技術(shù)最好，完全由用戶的認(rèn)識決定。
　　
　?、谌魏螜z測方案的實施，都需要有科學(xué)的理論指導(dǎo)。希望國外的外防腐層涂層破損直接檢測和評價技術(shù)能夠?qū)ξ覈嚓P(guān)技術(shù)規(guī)范的修訂起到借鑒作用。只注重設(shè)備的引進，而不注重相應(yīng)的技術(shù)方法和規(guī)范的引進、消化、吸收，設(shè)備也不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。
　　
　　③目前我國在這一領(lǐng)域基本上處于設(shè)備引進和應(yīng)用階段。引進、消化和自主創(chuàng)新是趕超國外先進水平的必由之路，為此我們期待著在自主研發(fā)具有國際水平的檢測設(shè)備和開發(fā)具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的埋地管網(wǎng)腐蝕評價軟件這兩個方面與業(yè)內(nèi)同仁進行合作創(chuàng)新。