定向钻穿越管道防腐蚀层及阴极保护的评价方法

葛艾天,李 伟,杜艳霞,刘 权

(1. 中石油北京天然气管道有限公司，北京 100101； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

定向钻穿越管道防腐蚀层及阴极保护的评价方法

葛艾天1,李 伟2,杜艳霞2,刘 权1

(1. 中石油北京天然气管道有限公司，北京 100101； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

定向钻穿越技术被广泛应用于管道建设工程，由于定向钻穿越管道(HDD管道)施工工艺的局限性，采用常规的检测手段很难对其防腐蚀层和阴极保护效果进行检测评价。对国内外HDD管道防腐蚀层和阴极保护的检测方法进行总结，并对HDD管道防腐蚀层和阴极保护评价方法的发展趋势进行了展望。

定向钻穿越管道；防腐蚀层；阴极保护；评价方法

随着“一带一路”、“京津冀协同发展”以及“长江经济带”等一系列国家重大战略的提出，我国石油天然气管道进入了大规模建设时期。但是，管道建设过程中经常会穿越河流、公路和铁路等区域，在这些区域无法采用常规的开挖方式进行管道铺设。水平定向钻机非开挖铺设管线无需开挖道路或者开挖量很小，工程施工对环境影响较小，近年来在我国管线铺设中被大量推广和应用。水平定向钻穿越(HDD)技术是20世纪70年代初在应用垂直钻井中定向钻技术基础上发展起来的[1]，是一种高效的非开挖埋地管道铺设技术，具有/3施工周期短、精确度高、穿越距离长、非开挖和对自然环境影响小等优点，其发展前景越来越广阔[2]。

目前，对于HDD管道外层的防护，常采用防腐蚀层和阴极保护联合的方法。在HDD管道施工过程中，管道容易受到地下地质条件的影响，尤其在岩石地层中，管道的外防护层会受到磨损和划伤等破坏[3]，有时甚至会露出金属基体，破损的防腐蚀层也无法进行修复；且由于HDD管道通常埋深较深，一般为20～50 m，采用常规的埋地管道防腐蚀层检测手段很难对其进行检测评价。在管道保护层受到损伤的情况下，管道的阴极保护显得尤为重要。由于受到穿越段特殊地质结构的影响，目前缺少有效的检测手段来获得穿越段管道的阴极保护情况[4]，难以对管道的阴极保护有效性进行准确判断，一旦管道发生腐蚀穿孔泄漏，后果严重，且处理难度大，这为管道的安全运行埋下了重大隐患。

因此，有必要在管道水平定向钻穿越后，对其防腐蚀层完整性和阴极保护有效性进行检测评价，这样不仅可以对工程质量进行评判，还能掌握定向钻穿越段管道防腐蚀层和阴极保护的状况，从而将腐蚀风险控制在最小范围。鉴于此，本工作调研了国内外关于HDD管道防腐蚀层和阴极保护的检测手段，以期为同类工程施工提供参考。

1 防腐蚀层完整性的检测

1.1 电流-电位法/馈电试验法

电流-电位法是向被测的一段管道施加有阴极保护效用的极化电流，使被测管道的电位偏移达到规定值，然后按照电位衰减公式计算被测管道的防腐蚀层绝缘电阻率。

滕延平等[5]参考NACE TM 0102-2002《Measurement of protective coating electrical conductance on underground pipeline》，对穿越段管道的土壤电阻率进行归一化处理，通过试验获得防腐蚀层电导率后，再计算涂层的归一化比电导率，并采用此方法分别对庆铁老线嫩江穿越段和庆铁老线建国河穿越段管道防腐蚀层进行了评价。结果表明，两段管道防腐蚀层质量分别为良好和优秀。同时滕延平等指出，此方法计算结果受一些不确定因素的影响，但只需适当修正再加上现场工程师的经验，测试结果具有重要的参考价值，此方法需在管道未碰口时测试。对于已经碰口的在线管道，只能采用馈电法检测防腐蚀层，估算电阻[6]。表1为1 000 Ω·cm土壤中不同涂层归一化比电导率时的防腐蚀层的质量。

表1 1 000 Ω·cm土壤中不同涂层归一化比电导率时的防腐蚀层质量

王颖等[7]通过电流-电位法对兰州-郑州-长沙管线项目长江穿越段和山东原油管线项目汪沟穿越段进行了实地检测评价。结果表明：长江定向钻穿越管段外防腐蚀层电导率为150～230 μS·m-2，属于良好等级;汪沟穿越段外防腐蚀层电导率为200～450 μS·m-2,属于良好等级，检测结果的重现性较好。

窦宏强等[8]在中俄原油管道黑龙江穿越工程中，采用俄方规范ΓOCT 51164-1998对水平定向钻穿越后管道外防腐蚀层进行定量评价。结果表明，外防腐蚀层的电阻率、阴极极化电流、管地电位偏移等都符合标准要求。

韩兴平[6]首先通过PCM发射机对某HDD管道施加电流，采用PCM软件计算得到管道防腐蚀层的Rg<1 kΩ·m2，参照SYT 5918-2011《埋地钢制管道外防腐蚀层修复技术规范》，防腐蚀层质量分级结果为4级(差)；同时指出,考虑光缆套管影响，实际防腐蚀层质量可能高于4级。

采用电流-电位方法测试和评价穿越段管道外防腐蚀层质量时，需注意以下几点：穿越段管道所处环境地质情况通常较为复杂，周围土壤的电阻率差异较大，这会对测量结果造成较大影响。更准确地取得土壤电阻率对最终评价结果至关因素。电流-电位法必须是在定向钻穿越完成后与主体管道连接前进行，测量过程中要保持穿越管段两端裸露金属管头与大地绝缘；在测试时偶尔会有干扰源的干扰，遇到该情况需要暂停测试，否则检测结果与实际结果偏差较大。此测试方法的要点在于，被测管段应与其他金属体完全电绝缘，被测管道应已完全回填，保证所需的极化前后管-地电位差的偏移量和极化电流。

1.2 通电电位切换法、通电电位法、极化偏移准则

BRIAN[9]指出，澳大利亚在1994-1997年间，定向钻穿越段管道均采用通电电位切换法来评价防腐蚀层质量。通电电位切换法是在管道与其他管段连接之前，对水平穿越管段施加阴极保护电流，使其通电电位至少负向偏移1 V，然后测量相应的阴极保护电流[10]。该法验收标准是测试管段的电流密度不应大于1 μA·m-2。1998年对处于高盐含量土壤中的某条HDD管道采用通电电位法进行防腐蚀层的评价，通电电位为-900 mV(CSE)时，施加的阴极保护电流密度为1 μA·m-2。然而，这种做法不适用于电流密度随土壤电阻率变化的低含盐量环境。1999年对某条管道进行评价时采取极化偏移100 mV准则，即极化电位偏移100 mV时所需的阴极保护电流密度不超过1 μA·m-2。

BRIAN认为，目前水平定向钻穿越管道外防腐蚀层质量的验收标准仍存在不足，按照目前标准验收的防腐蚀层存在缺陷，而这样的缺陷是无法修补的。因此需要在相关领域开展进一步的研究，比如评价防腐蚀层电阻测试方法对防腐蚀层测试条件的适用性，防腐蚀层维持附着力的能力，评价试验中采用的电流密度准则等。

1.3 防腐蚀层面电阻率法

GUMMOV等[11]在美国煤气协会(AGA)管道研究委员会提供的项目赞助中，进行了未碰口穿越段管道防腐蚀层性能的检测与评价。项目针对3种不同FBE防腐蚀层管道样品进行，这些管道样品埋在3种不同的土壤中，并安装有钢质金属试片以模仿真实环境中的管道防腐蚀层损坏情况。实地测试采用阴极保护技术，根据管道裸露面积百分比可估计防腐蚀层质量。

2 阴极保护有效性的评价

由于定向钻技术施工工艺及穿越段地质条件的影响，HDD管道阴极保护有效性评价存在众多难点，如：管道极化边界条件难以直接测量，目前尚无统一的方法对HDD管道阴极保护效果进行有效检测与评价，成为实际生产中需要迫切解决的技术难题。为了解决这个难题，部分科研工作者做了初步的探索，如：数值模拟法、密间隔和极化探头结合法。

2.1 数值模拟法

阴极保护数值模拟计算技术为解决复杂条件和苛刻环境下的阴极保护设计与评估提供了一条新的解决途径，阴极保保护系统的数学模型可通过有限元法﹑有限差分法和边界元法来求得数值解。

陈飞[4]针对采用牺牲阳极法保护的受地铁杂散电流干扰的穿越段管道，利用边界元法建立地铁杂散电流干扰数值模型和阴极保护系统数值模型，获取定向钻穿越管线中牺牲阳极的埋深、管道直径、分布走向和土壤电阻率的数据信息，将所述数据信息代入所述模型，模拟出电位和电流密度的电位云图，通过对所述电位云图的结果进行分析，得到定向钻穿越管道阴极保护的阴极保护电位分布，进而对阴极保护的有效性做出评价。该作者选取一段典型的城镇燃气管线，利用数值模拟技术对杂散排流进行方案设计及优化，选取合适地点进行深井阳极地床施工，进行强制排流站建设。通过施工后测试及与数值模拟结果对比发现，在强排站施工后，管线满足阴极保护准则。且在该工况条件下数值模拟计算出的测试桩处极化电位数据与测试的断电电位数据基本相符。图1为数值模拟法流程图。

图1 数值模拟法流程图Fig. 1 Flow diagram of numerical simulation method

对于管道的阴极保护来说，它是一个电场问题，可以通过数值模拟技术得到管道、阳极等研究对象的电位和电流密度分布，以云图方式显示的结果可以很清晰地看到阴极保护电位分布。因此，数值模拟技术在研究阴极保护电位分布问题时更为方便和快捷。但是，数值模拟技术应用于HDD管道时也存在弊端，即无法获取准确的边界条件，如：管道的防腐蚀层情况、极化特性等等，这些参数均会直接影响计算结果的准确性。若实际工程应用中无法获取准确的边界元条件，数值模拟结果也可以为实际应用提供参考，为实际工程提供方向性指导。

2.2 密间隔和极化探头结合法

常规的埋地管道阴极保护电位测量方法分为直接法与间接法。直接法是指在不考虑或不完全考虑IR降(可高达几百毫伏[12])的情况下直接测量管道与土壤的电位差，但是该方法测量结果与实际的阴极保护电位之间存在很大误差。间接法以消除IR降为出发点，得到更为可靠的测量数据。为了对管道的阴极保护状况进行更准确的评价，人们提出了密间隔电位检测法(CIPS)[13-14]，CIPS是目前国内外公认的最为先进的埋地管道不开挖缺陷检测技术，该法检测的电位称为断电电位，当防腐蚀层在某一位置上存在破损点时，破损点的电流密度会变大，在该点周围的土壤中会产生比其他地方更大的电位降，使得保护电位较正常时正向偏移，当偏移达到一定值时，地表就可以检测到。

周吉祥等[15]采用密间隔电位和极化探头结合法对某次高压燃气管道进行牺牲阳极阴极保护效果的评价，通过现场数据测试及分析验证，表明该法能有效测试管道任意位置的阴极保护数据，尤其适用于测试长距离定向钻穿越段管道的阴极保护效果。但是，鉴于HDD管道施工工艺的特殊性，该方法最大的问题是如何将探头放置于待测位置。图2为极化探头+密间隔电位法测试管道断电电位示意图。

图2 密间隔法+极化探头法测试管道断电电位Fig. 2 Method of CIPS with polarization probe test the off-potential of pipeline

3 结束语

对于HDD管道防腐蚀层及其阴极保护的评价方法，在实际工程应用中一直是个难题。如何对HDD管道保护层的完整性及其阴极保护的有效性进行检测与评价，将成为今后的一个研究重点。虽然上述众多学者对HDD管道防腐蚀层和阴极保护的检测方法积累了初步经验，但上述方法仍不成熟，不成体系。鉴于HDD管道埋深较深，在阴极保护电位测量中存在IR降较大、工程适用性不强等众多问题。同时，为了能够准确地对HDD管道进行评价，需要广大学者能够进一步优化已有的测量技术，提高其工程适用性，并进一步扩大数值模拟技术在HDD管道中的应用，以及提出一些新的测量技术。

为了能够开发出适合HDD管道防腐蚀层及其阴极保护的评价方法，可以在以下3个方面进行深入研究：

(1) 开发适合HDD管道工况条件下的长效型参比电极，能够准确获取HDD管道的相关数据，如极化电位；

(2) 将数值模拟技术成功应用于HDD管道阴极保护有效性的评价，在建立准确的管道阴极保护电位分布模型、获取准确的边界条件以及计算方法方面均有待深入研究；

(3) 如何将数值模拟技术更好地与实际检测技术结合也是下一步研究的重点方向之一。

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Evaluation Methods of Anticorrosion Layer and Cathodic Protection of HDD Pipeline

GE Aitian1, LI Wei2, DU Yanxia2, LIU Quan1

(1. CNPC Beijing Natural Gas Pipeline Co., Ltd., Beijing 100101, China; 2. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Directional drilling technology has been widely used in pipeline construction projects. Because of the limitation of construction technology for horizontal directional drilling (HDD) pipeline, it is hard to evaluate the anticorrosion layer and cathodic protection effect to the HDD pipeline through routine test. The current evaluation methods of anticorrosion layer and cathodic protection of HDD pipeline at home and abroad are summarized, and the research trend of the evaluation methods of HDD pipeline is discussed.

horizontal directional drilling (HDD) pipeline; anticorrosion layer; cathodic protection; evaluation method

10.11973/fsyfh-201705010

2016-02-20

杜艳霞(1980-)，副研究员,博士，从事管道的阴极保护及直流杂散电流干扰研究，010-62332505，luckylevy92@163.com

TG174.41

B

1005-748X(2017)05-0365-04