水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

油氣管道在通過(guò)河流、連片水塘、高速公路、海灣等特殊地理環(huán)境時(shí)，最優(yōu)的方式是水平定向鉆穿越（HDD）。隨著水平定向鉆技術(shù)的發(fā)展，穿越管道的管徑、長(zhǎng)度和穿越深度等記錄不斷被刷新，穿越的地質(zhì)環(huán)境也越來(lái)越嚴(yán)苛。同樣隨著管道技術(shù)的發(fā)展，油氣輸送管道的直徑越來(lái)越大，管壁越來(lái)越厚，管道自重也越來(lái)越大，直徑1422mm管道達(dá)到約1t/m，這些參數(shù)的增大對(duì)水平定向鉆技術(shù)的要求也越來(lái)越高，如保持穿越管道防腐蝕層完整性。

為最大限度降低管道腐蝕穿孔引起的環(huán)境破壞和財(cái)產(chǎn)損失，穿越管道防腐蝕層質(zhì)量的評(píng)價(jià)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，且越來(lái)越受重視。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了介紹，希望為編制相應(yīng)的國(guó)家規(guī)范做準(zhǔn)備。

1  評(píng)價(jià)方法分類(lèi)

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了規(guī)定。根據(jù)測(cè)試過(guò)程中所測(cè)電位的不同，這些方法分為“ON（通電）電位測(cè)試法”和“OFF（斷電）電位測(cè)試法”。

01 ON電位測(cè)試法

該方法通過(guò)向被測(cè)管道施加陰極測(cè)試電流，使管道的ON電位偏移達(dá)到要求，然后根據(jù)電流和電位的變化計(jì)算管道防腐蝕層的絕緣電阻率或單位電流密度。其要點(diǎn)是測(cè)試管道通電后的管/地ON電位。ON電位測(cè)試法有俄羅斯ΓOCT 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層絕緣電阻率法和澳大利亞/新西蘭等國(guó)采用的單位電流密度法。

■ 防腐蝕層絕緣電阻率法

防腐蝕層絕緣電阻率法主要應(yīng)用于中俄原油管道項(xiàng)目、中亞塔國(guó)項(xiàng)目、中亞哈國(guó)項(xiàng)目的水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)中。

ON電位測(cè)試防腐蝕層絕緣電阻率法的測(cè)試接線如圖1所示。

圖1 主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪嚙合圖片

1.管道；2.未經(jīng)防腐蝕處理的管頭；3.電纜；4.直流供電電源；5.臨時(shí)輔助陽(yáng)極地床；6.安培表；7.可調(diào)電阻器；8.伏特表；9.銅/飽和硫酸銅參比電極

測(cè)試步驟分為以下四步：

（1）切斷被測(cè)管道的所有外部電連接，測(cè)量管道兩端的管/地自然腐蝕電位和土壤電阻率。

（2）按圖1所示連接測(cè)試儀器和儀表。其中，臨時(shí)輔助陽(yáng)極地床與被測(cè)管道的距離不小于100m。開(kāi)啟電源，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，直至管/地ON電位較自然腐蝕電位的偏移量大于0.7V。

（3）測(cè)量管道兩端的管/地ON電位，記錄對(duì)應(yīng)的測(cè)試電流值。

（4）按下式計(jì)算被測(cè)管道的防腐蝕層絕緣電阻率，對(duì)防腐蝕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：RT為管道防腐蝕層絕緣電阻率，Ω·m2；RP為陽(yáng)極地床分流電阻率，Ω·m2；ρ為土壤電阻率，Ω·m；D為管道直徑，m；H為管道的埋深，m；R為鋼管的縱向電阻，Ω/m；L為管道長(zhǎng)度，m；ΔU為電位偏移量，V；I為測(cè)試電流，A。

ON電位測(cè)試防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為：

（1）對(duì)于兩層、三層聚烯烴防腐蝕層和熱收縮聚烯烴材料防腐蝕層，其絕緣電阻率應(yīng)不小于30×104Ω·m2；

（2）對(duì)于液體環(huán)氧防腐蝕層和熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐蝕層，其絕緣電阻率應(yīng)不小于10×104Ω·m2；

（3）對(duì)于瀝青類(lèi)防腐蝕層，其絕緣電阻率應(yīng)不小于5×104Ω·m2。

■ 單位電流密度法

該方法主要應(yīng)用于澳大利亞或新西蘭等國(guó)家的項(xiàng)目上，但還沒(méi)有成形標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有引入，部分項(xiàng)目文件上有簡(jiǎn)單的應(yīng)用介紹。

ON電位測(cè)試單位電流密度法的測(cè)試接線如圖2所示。

圖2 單位電流密度法測(cè)試接線示意圖

1.直流供電電源；2.電流通斷器；3.直流電壓表；4.直流電流表；5.臨時(shí)陽(yáng)極地床；6.銅/飽和硫酸銅參比電極

測(cè)試步驟為：

（1）切斷被測(cè)管道的所有外部電連接，測(cè)量管道兩端的管/地自然腐蝕電位。

（2）按圖2所示連接測(cè)試儀器和儀表。其中，臨時(shí)輔助陽(yáng)極地床與被測(cè)管道的距離不小于100m。開(kāi)啟電源，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使管/地ON電位較自然腐蝕電位的偏移量大于1000mV。

（3）測(cè)量管道兩端的管/地ON電位，記錄對(duì)應(yīng)的測(cè)試電流值。

（4）按下式計(jì)算被測(cè)管道的單位電流密度，對(duì)防腐蝕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：J為單位電流密度即每1000mV的ON電位變化時(shí)引起的電流密度變化，μA/（m2·mV）；I為測(cè)試電流，μA；Ua,on為a點(diǎn)ON電位，mV（相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極CSE，下同）；Ub,on為b點(diǎn)ON電位，mV；Ua,自為a點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；Ub,自為b點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；D為管道直徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m。

ON電位測(cè)試單位電流密度法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為：每1000mV ON電位變化，單位電流密度不大于1μA/（m2·mV）時(shí)，管道防腐蝕層質(zhì)量合格，反之，管道防腐蝕層質(zhì)量不合格。

02 OFF電位測(cè)試法

OFF電位測(cè)試法通過(guò)向被測(cè)管道施加陰極測(cè)試電流，使被測(cè)管道的OFF電位達(dá)到要求，再根據(jù)電位和電流的比值計(jì)算被測(cè)管段的防腐蝕層絕緣電阻率、電導(dǎo)率或單位電流密度。該方法的要點(diǎn)是測(cè)試管道通電后的管/地OFF電位，極化時(shí)間應(yīng)足夠。

OFF電位測(cè)試法有NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層電導(dǎo)率法、國(guó)內(nèi)幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層絕緣電阻率法及澳大利亞/新西蘭等國(guó)使用的單位電流密度法。

■ 防腐蝕層電導(dǎo)率法

防腐蝕層電導(dǎo)率法是現(xiàn)行水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的方法，國(guó)際管道研究委員會(huì)（PRCI）對(duì)此方法的評(píng)分高達(dá)83分，排名第一。OFF電位測(cè)試防腐蝕層電導(dǎo)率法的測(cè)試接線也如圖2所示，測(cè)試步驟為：

（1）切斷被測(cè)試管道的所有外部電連接，測(cè)量管道兩端的管/地自然腐蝕電位和土壤電阻率。

（2）按圖2所示連接測(cè)試儀器和儀表。其中，臨時(shí)輔助陽(yáng)極地床與被測(cè)管道的距離不小于100m。開(kāi)啟電源，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使管/地的OFF電位不低于-1100mV。

（3）測(cè)量管道兩端的管/地ON電位和OFF電位，記錄對(duì)應(yīng)的測(cè)試電流值。

（4）按下式計(jì)算被測(cè)管道的標(biāo)稱(chēng)防腐蝕層電導(dǎo)率，對(duì)防腐蝕層質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：G為防腐蝕層電導(dǎo)率，S/m2；Gn為防腐蝕層標(biāo)稱(chēng)電導(dǎo)率（在電阻率為1000Ω·cm土壤中），S/m2；I為測(cè)試電流，A；Ua,on為a點(diǎn)ON電位，V；Ub,on為b點(diǎn)ON電位，V；Ua,off為a點(diǎn)OFF電位，V；Ub,off為b點(diǎn)OFF電位，V；D為管道直徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m；ρa(bǔ)為a點(diǎn)處的土壤電阻率，Ω·cm；ρb為b點(diǎn)處的土壤電阻率，Ω·cm。

OFF電位測(cè)試防腐蝕層電導(dǎo)率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表1所示。

表1 防腐蝕層電導(dǎo)率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

■ 防腐蝕層絕緣電阻率法

國(guó)內(nèi)用于水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量測(cè)試和評(píng)價(jià)的主要規(guī)范是GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》？SY/T 6968-2013《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》和SY/T 7368-2017《穿越管道防腐技術(shù)規(guī)范》？這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均參照NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)編制，因此測(cè)試的接線方式、測(cè)試步驟和計(jì)算公式均與NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)相同。表2為防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。將防腐蝕層絕緣電阻率轉(zhuǎn)換為防腐蝕層標(biāo)稱(chēng)電導(dǎo)率，結(jié)果也列于表2中。

表2 防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

■ 單位電流密度法

香港長(zhǎng)洲島供水管道工程的水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層評(píng)價(jià)采用了此方法。OFF電位測(cè)試單位電流密度法的測(cè)試接線同樣如圖２所示，測(cè)試步驟與NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層電導(dǎo)率法相同。

管道極化電位每變化100mV時(shí)，單位電流密度計(jì)算如下式所示：

式中：J為單位電流密度即每100mV OFF電位變化引起的電流密度變化，μA/（m2·mV）；I為測(cè)試電流，μA；Ua,off為a點(diǎn)OFF電位，mV；Ub,off為b點(diǎn)OFF電位，mV；Ua,自為a點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；Ub,自為b點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；D為管道直徑，m；L為管道長(zhǎng)度，m。

OFF電位測(cè)試單位電流密度法的管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為：每100mV OFF電位變化，單位電流密度值不大于0.1μA/（m2·mV）時(shí)，管道防腐蝕層質(zhì)量合格；反之為不合格。

2  評(píng)價(jià)方法的難點(diǎn)和存在問(wèn)題

01 測(cè)試方法的有效性

水平定向鉆穿越管道防腐蝕層的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法均來(lái)源于淺埋大開(kāi)挖方式施工管道的防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

管道淺埋時(shí)，埋設(shè)深度為1.5m時(shí)一般僅存在單一類(lèi)型的土壤層，且在1~2km的水平距離上，管道所經(jīng)過(guò)的地質(zhì)情況基本相同，土壤電阻率沒(méi)有大的變化，因此測(cè)試電流沿管道軸向在管道周?chē)耐寥乐芯鶆蚍稚⒘魍ā＿@種均勻的土壤不會(huì)對(duì)測(cè)試電流的流動(dòng)路徑和分布產(chǎn)生大的影響，測(cè)試電流均勻流到管道表面。這樣即使只測(cè)試管道兩端的電位，也可以假設(shè)中間未測(cè)試段管道的電位也是按照均勻衰減規(guī)律分布的，這樣就可利用兩個(gè)端點(diǎn)的測(cè)試數(shù)值來(lái)確定中間未測(cè)試管段的數(shù)值，保證了測(cè)試方法的有效性。

但水平定向鉆穿越管道的埋設(shè)深度遠(yuǎn)超過(guò)1.5m，已知的穿越深度可深達(dá)110m，管道穿越段在短距離內(nèi)可能通過(guò)水域、沼澤、黏土、砂巖或花崗巖等各種電阻率差別非常大的地層，這種急劇變化的介質(zhì)層將極大影響測(cè)試電流在各種電阻率介質(zhì)中的流動(dòng)，進(jìn)而影響電流在管道上的分布。測(cè)試電流將由均勻流通變?yōu)閮H通過(guò)低電阻率通道流通，高電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段可能沒(méi)有測(cè)試電流到達(dá)，而低電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段得到了更多的測(cè)試電流。這導(dǎo)致高電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段沒(méi)有極化或僅部分極化，而低電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段過(guò)度極化。整個(gè)管段的極化將不再遵循均勻衰減的規(guī)律，管道兩端的電位將不能用于假定推測(cè)中間未測(cè)試管道的電位。

因此，對(duì)于采用定向鉆穿越方式施工的管道，在利用此測(cè)試方法進(jìn)行防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)試方法的有效性進(jìn)行分析。PRCI已有研究表明，這種測(cè)試方法在土壤電阻率變化劇烈時(shí)，極大的影響管道的軸向電位分布。

02 土壤電阻率的影響

在以NACE TM0102-2000 標(biāo)準(zhǔn)為代表的OFF電位測(cè)試方法（包括GB 50424-2015、SY/T 6968-2013和SY/T 7368-2017）中，土壤電阻率對(duì)測(cè)試結(jié)果有非常大的影響，甚至?xí)蔀樵u(píng)價(jià)結(jié)果的決定性因素。

比如某咸水海灘穿越管道在不考慮土壤電阻率時(shí)，防腐蝕層絕緣電阻率僅為81Ω·m2，根據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為“差”級(jí)；但由于咸水的電阻率極低，僅為0.2Ω·m，當(dāng)換算為標(biāo)稱(chēng)防腐蝕層絕緣電阻率（10Ω·m）后，為4050Ω·m2，可評(píng)價(jià)為“良”級(jí)。防腐蝕層的質(zhì)量等級(jí)由于土壤電阻率的介入而發(fā)生了劇烈的變化。

在ГОСТ 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)的ON電位測(cè)試方法中，土壤電阻率對(duì)測(cè)試結(jié)果存在有限的影響。如某長(zhǎng)江穿越管道，測(cè)試土壤電阻率為32.5Ω·m時(shí)，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為89502Ω·m2；當(dāng)土壤電阻率為325Ω·m時(shí)，則管道的防腐蝕層絕緣電阻率變?yōu)?8094Ω·m2；當(dāng)土壤電阻率為3.25Ω·m時(shí)，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為89621Ω·m2。由此可見(jiàn)，土壤電阻對(duì)防腐蝕層絕緣電阻率的影響幾乎可以忽略。

03 管/地電位的影響

在ON電位測(cè)試法中，ГОСТ 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)要求ON電位較自然腐蝕電位偏移應(yīng)大于0.7V，澳大利亞和新西蘭的單位電流密度法則要求ON電位較自然腐蝕電位偏移應(yīng)大于1.0V。

某穿越黑龍江的管道，采用ГОСТ 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，在電位偏移大于0.7V時(shí)，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為34.2×104Ω·m2；但在增大測(cè)試電流，使電位偏移大于1.0V時(shí)，管道的防腐蝕層絕緣電阻率減小為19.7×104Ω·m2，變化量約為33%。

在OFF電位測(cè)試法中，NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了OFF電位應(yīng)不低于-1100mV；GB 50424-2015和SY/T 7368-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定OFF電位應(yīng)位于-850~-1050mV；澳大利亞和新西蘭的單位電流密度法則要求OFF電位約為-1100mV。

某長(zhǎng)江穿越管道，出？入土點(diǎn)極化電位分別為-994mV和-890mV時(shí)，管段的防腐蝕層絕緣電阻率為28370Ω·m2；當(dāng)出？入土點(diǎn)極化電位分別負(fù)向偏移到-1071mV和-1058mV時(shí)，管段的防腐蝕層絕緣電阻率減小為16765Ω·m2，變化量超過(guò)40%。

評(píng)價(jià)方法的發(fā)展

目前，水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法主要有兩個(gè)研究方向。

一個(gè)方向是在現(xiàn)有測(cè)試方法的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)目視檢測(cè)的方法，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如有文獻(xiàn)就給出了電流/電位測(cè)試法和現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕層目測(cè)相結(jié)合的判定法。這種綜合評(píng)價(jià)方法需要管道在回拖結(jié)束后，再多回拖出1~2根管道進(jìn)行管道防腐蝕層外觀的目視檢測(cè)。但在實(shí)際操作中，由于回拖鉆機(jī)排放位置的限制，很難做到多回拖1~2根管道。有時(shí)為了多拖出管道，甚至采用了其他不得已的施工方法，這種施工方法很可能加劇出土端管道外防腐蝕層的破損程度，反而使得最終防腐蝕層的質(zhì)量評(píng)價(jià)失實(shí)，違背了這種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的初衷。

另一個(gè)方向是采用有限元法進(jìn)行管道的陰極極化模擬，根據(jù)模擬結(jié)果確定防腐蝕層的真實(shí)狀態(tài)。有文獻(xiàn)采用此方法對(duì)某河流穿越管道的外防腐蝕層進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)，模擬中將整個(gè)穿越管道定義為由相同長(zhǎng)度單位組成的串聯(lián)組合體，其中每個(gè)單位都假定了已知大小、形狀和位置的防腐蝕層缺陷，而且每一個(gè)單位均可以隨時(shí)激活或停用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：只有當(dāng)假定的缺陷管段靠近出土點(diǎn)和入土點(diǎn)的測(cè)試位置時(shí)，模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)值才存在非常好的一致性；當(dāng)缺陷位于中間最低位置、遠(yuǎn)離出土點(diǎn)和入土點(diǎn)的測(cè)試位置時(shí)，測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果差別極大。

結(jié)論

（1） 電流/電位法是評(píng)價(jià)水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量的主要方法。NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)和可操作性得到了世界范圍內(nèi)的共同認(rèn)可。GB 50424-2015、SY/T 6968-2013和SY/T 7368-2017標(biāo)準(zhǔn)均參考NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)編制了水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法和準(zhǔn)則，適用性高。

（2） 防腐蝕層絕緣電阻率評(píng)價(jià)的是管道埋地后防腐蝕層質(zhì)量?jī)?yōu)劣的參數(shù)。此參數(shù)大小僅與被測(cè)試管段上防腐蝕層缺陷的大小、數(shù)量有關(guān)。土壤電阻率、管/地電位等不應(yīng)成為評(píng)價(jià)結(jié)果的決定性因素。