摘　要：根據(jù)多年檢測(cè)地下管道外防腐層的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地論述了地下管道外防腐層檢測(cè)前沿的幾種理論方法。通過(guò)對(duì)這些理論方法和檢測(cè)技術(shù)的分析，以期能對(duì)我國(guó)油氣等埋地管網(wǎng)腐蝕評(píng)價(jià)的技術(shù)規(guī)范制定、實(shí)際管道腐蝕檢測(cè)的實(shí)施、埋地管網(wǎng)腐蝕評(píng)價(jià)起到指導(dǎo)和借鑒作用。
　　
　　關(guān)鍵詞：外防腐層直接檢測(cè)和評(píng)價(jià)；交流電流法；直流電壓法
　　
　　1埋地鋼管的腐蝕類(lèi)型
　　
　?、俟艿纼?nèi)腐蝕
　　
　　這類(lèi)腐蝕影響因素相對(duì)來(lái)說(shuō)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(yùn)輸?shù)奶烊粴獾臐穸群秃蜉^高時(shí)，管道內(nèi)就容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。對(duì)于這類(lèi)腐蝕的機(jī)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(guò)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(lái)隨著管道業(yè)主對(duì)管道運(yùn)行管理的加強(qiáng)以及對(duì)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(guó)內(nèi)外長(zhǎng)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(cè)也重點(diǎn)針對(duì)因外腐蝕造成的涂層缺陷及管道缺陷。
　　
　?、诠艿劳飧g
　　
　　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(chēng)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(guó)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(jì)損失超過(guò)700×104元。據(jù)國(guó)外某國(guó)11家公司對(duì)1985年至1995年間油氣管道事故的統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力腐蝕破裂占17％。該國(guó)某公司自1977年以來(lái)，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(hù)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(hù)采用了雙重措施，即外防腐層和陰極保護(hù)。外防腐層是第一道屏障，對(duì)埋地鋼管腐蝕起到約95％以上的防護(hù)作用，一旦發(fā)生局部破損或剝離，就必須保證陰極保護(hù)(CathodicProtection，CP)電流的暢通，達(dá)到防護(hù)效果。隨著防腐涂層性能的降低，CP的作用會(huì)逐漸增加，但是無(wú)論如何發(fā)揮CP的作用，它都不可能替代防腐涂層對(duì)管道的保護(hù)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(gè)很窄的電位帶上起作用，一旦電位超出這個(gè)范圍，就會(huì)造成陽(yáng)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(cè)和評(píng)價(jià)
　　
　　外防腐層破損直接檢測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)ECDA(ExternalCorrosionDirectAssessment)是在對(duì)埋地鋼管不開(kāi)挖的前提下，采用專(zhuān)用設(shè)備和檢測(cè)方法在地面非接觸性地對(duì)外防腐層破損缺陷定位，從而對(duì)管道的腐蝕狀況和管道運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。國(guó)外對(duì)這個(gè)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(shí)體系，比如國(guó)際防腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)標(biāo)準(zhǔn)RP0502—2002和美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)(INGAA)對(duì)ECDA作了詳細(xì)的要求和規(guī)定，因此具有很強(qiáng)的可操作性。
　　
　　國(guó)內(nèi)實(shí)施管道外防腐層檢測(cè)技術(shù)始于20世紀(jì)80年代中期，隨著改革開(kāi)放，國(guó)外的檢測(cè)設(shè)備大量引進(jìn)。但是對(duì)于其理論方法和技術(shù)規(guī)范鮮有論述，致使引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備并沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的效能。筆者認(rèn)為對(duì)理論方法和技術(shù)規(guī)范的消化引進(jìn)更重要，它是我們引進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)，也是再創(chuàng)新的基礎(chǔ)。雖然我國(guó)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(yàn)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(duì)埋地管道外防腐層破損直接檢測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定，而這方面卻又是生產(chǎn)運(yùn)行中急需解決的問(wèn)題。
　　
　　3．1外防腐層破損直接檢測(cè)和評(píng)價(jià)的步驟
　　
　　按照國(guó)際防腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)標(biāo)準(zhǔn)RP0502—2002的要求，ECDA的總體技術(shù)要求是對(duì)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(cè)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為達(dá)到此目標(biāo)，要進(jìn)行如下4個(gè)操作步驟。
　　
　?、兕A(yù)評(píng)價(jià)(Pre．Assessment)
　　
　　收集敏感管道的歷史資料及管道特征，并對(duì)這些資料進(jìn)行評(píng)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(cè)儀器要相同，以保證結(jié)果的可比性。
　　
　?、诜墙佑|測(cè)量(IndirectInspection)
　　
　　采用2種或2種以上的地面外防腐層破損檢測(cè)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(cè)管道的腐蝕行為和查找外防腐層的破損點(diǎn)。系統(tǒng)地分析以上方法所取得的數(shù)據(jù)，得出高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的開(kāi)挖修復(fù)的準(zhǔn)確信息。
　　
　?、壑苯娱_(kāi)挖驗(yàn)證(DirectExamination)
　　
　　選定開(kāi)挖的現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)際識(shí)別出破損點(diǎn)，并決定是修復(fù)還是更換管道。
　　
　?、芎笤u(píng)價(jià)(PostAssessment)
　　
　　對(duì)ECDA的以上3個(gè)步驟做出總結(jié)，建立起評(píng)價(jià)模型，以便指導(dǎo)將來(lái)的管道安全維護(hù)。
　　
　　3．2外防腐層破損的檢測(cè)方法
　　
　　3．2．1交流電流法
　　
　　交流電流法在國(guó)際上通常被稱(chēng)為皮爾遜檢測(cè)法(PearsonSurvey)。其基本原理是：當(dāng)用一個(gè)信號(hào)發(fā)射機(jī)把特定頻率的交流信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線施加在金屬管道上時(shí)，這種特定頻率的交流信號(hào)就會(huì)沿管道向前傳播，并在無(wú)窮遠(yuǎn)處與發(fā)射機(jī)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(hào)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(diǎn)便會(huì)有電流泄漏入土壤中，這樣如果沿程測(cè)量管道中的電流信號(hào)，在破損點(diǎn)附近，就會(huì)有一個(gè)管中電流的陡降；同時(shí)在管道破損點(diǎn)和土壤之間也會(huì)形成電壓差，且在接近破損點(diǎn)的部位電壓差最大，用儀器在埋設(shè)管道的地面上可檢測(cè)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(diǎn)。
　　
　　特別指出的是，皮爾遜檢測(cè)是一種檢測(cè)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(cè)設(shè)備與一種檢測(cè)方法混為一談是不恰當(dāng)?shù)?。皮爾遜檢測(cè)法最大的特點(diǎn)是向管道施加特定頻率的交流信號(hào)，然后在防腐層破損點(diǎn)檢測(cè)到電流或者電壓的異常。
　　
　　基于以上原理，不同的廠家開(kāi)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(hào)頻率不同和接收天線數(shù)目和布局不同，目前主流的檢測(cè)設(shè)備有以下兩種。
　　
　?、貱-掃描設(shè)備
　　
　　該設(shè)備接收機(jī)采用5根垂直陣列天線，提高了管道定位精度，具有自動(dòng)識(shí)別干擾信號(hào)并提示的能力。C-掃描采用的交流信號(hào)是單一的937.5Hz交流信號(hào)。
　　
　　該設(shè)備能夠方便地確定被測(cè)管道位置或防腐層缺陷位置。在測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)記錄、處理和儲(chǔ)存檢測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)顯示各種檢測(cè)曲線，可現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判防腐層性能，并具備數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)和進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)的能力。其缺點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格昂貴，稍高的信號(hào)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(kāi)干擾。另外，C-掃描沒(méi)有測(cè)量破損點(diǎn)電壓異常的附件。
　　
　?、诠苤须娏鞣y(cè)繪設(shè)備
　　
　　管中電流法測(cè)繪設(shè)備(PipeCurrentMapping，PCM)的最大特點(diǎn)是施加“準(zhǔn)直流”的4Hz交流信號(hào)作為防腐層破損檢測(cè)的測(cè)繪信號(hào)，并有128/640Hz的定位信號(hào)。接收機(jī)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(guò)A字架測(cè)量破損點(diǎn)的跨步電壓(SetVoltage)異常。PCM具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)可以用國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出的相應(yīng)評(píng)價(jià)軟件分析。PCM具有較大的市場(chǎng)占有率。PCM的缺點(diǎn)是發(fā)射機(jī)不帶電源，在野外操作不方便。
　　
　　與PCM類(lèi)似的產(chǎn)品還有德國(guó)FerrophonEL/G1設(shè)備。其最大的特點(diǎn)是接收機(jī)能夠直接接收陰極保護(hù)的信號(hào)，因此對(duì)有陰極保護(hù)的管道定位十分方便。它把1.1kHz交流信號(hào)作為防腐層破損檢測(cè)的測(cè)繪信號(hào)，并有42/10kHz的定位信號(hào)，接收機(jī)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(guò)A字架測(cè)量破損點(diǎn)的跨步電壓異常。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)不能存儲(chǔ)。
　　
　　基于皮爾遜檢測(cè)法的設(shè)備，由于接收機(jī)輕便，檢測(cè)速度較快，自帶信號(hào)發(fā)射機(jī)，可以檢測(cè)沒(méi)有陰極保護(hù)(CP)的管道，因此目前國(guó)內(nèi)仍較普遍使用，受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(yàn)技能特別重要，沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)；不能指示CP效率，易受地電場(chǎng)干擾。
　　
　　3．2．2直流電壓法
　　
　　外防腐層破損檢測(cè)和管道腐蝕狀態(tài)評(píng)價(jià)的另一個(gè)前沿研究領(lǐng)域就是直流電壓梯度法(DCVG)，其特點(diǎn)是利用現(xiàn)有的陰極保護(hù)直流信號(hào)或臨時(shí)向管道施加直流信號(hào)，然后在防腐層破損點(diǎn)檢測(cè)到管對(duì)地極化電壓的異常，從而確定破損點(diǎn)和破損程度。而采用密間隔電位法(CIPS)全面測(cè)量，有助于評(píng)估管道整體陰極保護(hù)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(guó)際防腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)標(biāo)準(zhǔn)RP0502—2002的基本要求。
　　
　　①密間隔電位測(cè)量法
　　
　　密間隔電位法CIPS主要用于測(cè)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(kāi)/關(guān)管地電位曲線圖，反映管道全線陰極保護(hù)電位情況。當(dāng)防腐層某處存在缺陷時(shí)，該處電流密度增大，使保護(hù)電位正向偏移，當(dāng)這種偏移達(dá)到一定數(shù)量，在地表就可檢測(cè)到，當(dāng)電位(銅/硫酸銅參比電極)低于-850mV時(shí)，管道就會(huì)發(fā)生腐蝕。
　　
　　CIPS法不能檢出涂層破損的準(zhǔn)確位置，實(shí)際上是一種管地電位檢測(cè)技術(shù)并非涂層缺陷檢測(cè)技術(shù)，涂層狀況是通過(guò)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(guò)保護(hù)具有獨(dú)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(hù)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(cè)和評(píng)價(jià)領(lǐng)域，至今已經(jīng)有逾30a歷史。其基本原理是當(dāng)把一個(gè)直流信號(hào)(比如陰極保護(hù)信號(hào))施加到帶防腐層的管道上，就能在管道的防腐層破損點(diǎn)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(duì)地電壓的百分比來(lái)計(jì)算涂層缺陷的大小和破損點(diǎn)的嚴(yán)重程度，越靠近管道的破損點(diǎn)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(diǎn)：(0～15％)ΔU；中破損點(diǎn)：(16％一35％)ΔU；大破損點(diǎn)：(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(diǎn)上方的地面上測(cè)量?jī)蓚€(gè)銅/硫酸銅半電池電極的電位差。如果在一個(gè)電壓降之內(nèi)兩個(gè)電極有一段距離(1～2m)，一個(gè)半電池電位比另一個(gè)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(hào)，如長(zhǎng)線電池、雜散電流以及其他陰極保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)用直流電壓梯度法測(cè)量時(shí)，要通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的中斷器，以1/3S(開(kāi))和2/3S(關(guān))的比例，向管道施加一種不對(duì)稱(chēng)的直流信號(hào)。這種直流信號(hào)可以從現(xiàn)有的陰極保護(hù)系統(tǒng)起點(diǎn)的變壓整流器(T/R)上注入。如果管道不帶陰極保護(hù)，則可以在管道的測(cè)試中，用電池或直流發(fā)電機(jī)臨時(shí)建立這種系統(tǒng)。
　　
　　測(cè)量時(shí)把一個(gè)電極探頭放在管道正上方，另一個(gè)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(cè)量一組數(shù)據(jù)。如果測(cè)量到離防腐層破損點(diǎn)足夠近，就可以檢測(cè)到直流電壓梯度，并且越接近破損點(diǎn)，高靈敏度的表頭對(duì)開(kāi)/關(guān)(ON/OFF)脈沖電流反應(yīng)越強(qiáng)烈，越過(guò)最強(qiáng)點(diǎn)后，電壓降逐漸減少，退回以不同的角度重做圓形探測(cè)，兩個(gè)電極探頭電位平衡點(diǎn)之間中點(diǎn)就是破損點(diǎn)中心。
　　
　　先進(jìn)的DCVG檢測(cè)設(shè)備帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和GPS引擎，既能存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，也能存儲(chǔ)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?jì)算機(jī)中，專(zhuān)用的分析軟件可直觀地顯示測(cè)量結(jié)果和防腐層異常情況。這方面的專(zhuān)業(yè)設(shè)備和軟件的開(kāi)發(fā)，是我們今后的一個(gè)發(fā)展方向。
　　
　　DCVG法對(duì)于準(zhǔn)確確定破損點(diǎn)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(duì)管道陰極保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。
　　
　　現(xiàn)在國(guó)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(cè)量法結(jié)合起來(lái)使用，即DCVG+CIPS技術(shù)。一旦對(duì)選定的管道作一系列這樣的檢測(cè)，就能夠?qū)ζ茡p點(diǎn)的嚴(yán)重程度和整個(gè)管道的腐蝕狀況作一個(gè)評(píng)估。
　　
　　4結(jié)論
　　
　?、僦挥袑?duì)所有的檢測(cè)方法有了清晰系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，才能結(jié)合實(shí)際選擇合適的方法或者方法組合。每一種檢測(cè)技術(shù)都有它的優(yōu)點(diǎn)和局限性，了解各種檢測(cè)技術(shù)的局限性有助于現(xiàn)場(chǎng)人員提高檢測(cè)效率。選擇那一種技術(shù)最好，完全由用戶(hù)的認(rèn)識(shí)決定。
　　
　?、谌魏螜z測(cè)方案的實(shí)施，都需要有科學(xué)的理論指導(dǎo)。希望國(guó)外的外防腐層涂層破損直接檢測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)能夠?qū)ξ覈?guó)相關(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(jìn)，而不注重相應(yīng)的技術(shù)方法和規(guī)范的引進(jìn)、消化、吸收，設(shè)備也不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。
　　
　?、勰壳拔覈?guó)在這一領(lǐng)域基本上處于設(shè)備引進(jìn)和應(yīng)用階段。引進(jìn)、消化和自主創(chuàng)新是趕超國(guó)外先進(jìn)水平的必由之路，為此我們期待著在自主研發(fā)具有國(guó)際水平的檢測(cè)設(shè)備和開(kāi)發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的埋地管網(wǎng)腐蝕評(píng)價(jià)軟件這兩個(gè)方面與業(yè)內(nèi)同仁進(jìn)行合作創(chuàng)新。