外腐蝕直接評價在城市燃氣管道的應用

摘 要

管道外腐蝕直接評價(ECDA)是進行城市燃氣管道完整性管理的重要手段。論述了ECDA的4個基本步驟——預評價、間接檢測、直接檢測、后評價。結合華南某市中壓燃氣管網的實際情況，將ECDA應用于城市燃氣管道實際工程中，取得了良好的效果并為管道的完整性管理提供可靠依據。
摘要：管道外腐蝕直接評價(ECDA)是進行城市燃氣管道完整性管理的重要手段。論述了ECDA的4個基本步驟——預評價、間接檢測、直接檢測、后評價。結合華南某市中壓燃氣管網的實際情況，將ECDA應用于城市燃氣管道實際工程中，取得了良好的效果并為管道的完整性管理提供可靠依據。
關鍵詞：城市燃氣管道；外腐蝕直接評價；完整性管理；檢測；外防腐層；陰極保護
Application of External Corrosion Direct Assessment to City Gas Pipeline
ZHOU Ting-he，PENG Shi-ni，LI Fan
Abstract：The external corrosion direct assessment(ECDA)is an important method for city gas pipeline integrity management(PIM).The four basic process steps of ECDA including pre-assessment，indirect inspection，direct inspection and post-assessment are discussed. Combined with the actual situation of medium pressure gas network in a city of South China，the ECDA is applied to the actual project of city gas pipeline，and good results are achieved，which provides a reliable basis for PIM.
Key words：city gas pipeline；external corrosion direct assessment；integrity management；inspection；external anticorrosive coating；cathodic protection
1 概述
    在實施城市燃氣管道完整性管理的過程中，管道檢測是其中的重要環節，檢測技術的水平如何直接決定著完整性評價的準確度。美國管道安全局提供了4種可供選擇的檢測技術[1、2]：內檢測、壓力試驗、直接評價(包括外腐蝕直接評價和內腐蝕直接評價)和其他能夠評價管道現狀的技術，其中外腐蝕直接評價方法作為一套科學而規范的外腐蝕及防護檢測評價手段得到了廣泛的應用[3]。
   管道外腐蝕直接評價(External Corrosion Direct Assessment，ECDA)是結合當前各種埋地管道檢測工具，基于檢測結果準確地定位外腐蝕、評價并降低外腐蝕對管道完整性的影響，從而提高管道安全狀況的方法。ECDA包括預評價、間接檢測、直接檢測和后評價4個基本步驟。本文依據美國腐蝕協會(NACE)的推薦標準《管道外腐蝕直接評價方法》[4]，通過在華南某市中壓燃氣管道的實際應用，探討ECDA在國內燃氣管道外腐蝕直接評價中的適用性。
2 預評價
    在預評價階段，評價人員收集、整合并分析大量的相關數據，確定ECDA對所要評價的管道是否可行，選擇間接檢測工具，劃分ECDA區。
   ① 數據收集
   充足的數據資料是進行ECDA的前提。在該階段，需要收集被評價管段的歷史數據、當前數據、管道基本物性參數，其中包括：管體相關數據、管道施工相關數據、管道沿線的土壤及環境數據、管道腐蝕控制相關數據、管道歷史運行數據等。數據收集的完整程度和準確性將直接影響到間接檢測工具的選取和ECDA區的劃分，從而進一步影響到數據分析及評價結果的準確性。收集的數據要滿足開展ECDA所必須的最少數據需求并確定其中的關鍵數據。
    該市中壓管道的相關數據參照文獻[4]中介紹的形式進行收集，數據來源主要有：a.通過該市港華燃氣有限公司收集管道的設計、施工、運行及維護等基礎數據；b.向公司工作人員咨詢獲取相關數據；c.沿管道收集管道及周圍環境的數據。為了保證管道數據的完整性，便于燃氣管道的完整性管理，應及時更新、整合以上收集的數據，保存為電子版本并及時錄入到完整性管理數據庫或GIS系統數據庫中。
   ② 間接檢測方法的選擇
   外腐蝕直接評價方法的實施需要間接檢測方法作為技術支持。間接檢測方法的選擇原則是能沿管道方向可靠地檢測到防腐層缺陷和可能發生腐蝕的部位。常用的檢測方法有[5～7]：密間隔電位法(CIPS)、直流電壓梯度法(DCVG)、管中交變電流衰減法(PCM)，皮爾遜法(Pearson)。間接檢測方法的適用能力見表1。表1中，代碼1表示可檢出小的防腐層破損點(孤立的，面積一般小于600mm2)，它們一般不會引起管道陰極保護電位的波動；代碼2表示可檢出大的防腐層破損點(孤立或連續)，它們一般會引起管道陰極保護電位的波動；代碼3表示不能應用此方法，或者說，在無附加考慮條件時不能應用此方法。
    當管道沿線環境有較大變化時，為提高檢測結果的可靠性，需在整個管段上使用兩種或更多種功能互補的間接檢測方法[8]。通過分析比較各檢測方法及其組合方案的優缺點后，采用C-SCAN 2010型地下管道防腐層檢測儀和SL-2088型地下管道防腐層探測檢漏儀兩種檢測儀器對管道防腐層進行檢測。
   ③ 劃分ECDA區
   ECDA區的劃分是根據管道物理特征、腐蝕歷史狀態、土壤狀況、陰極保護狀況以及可以使用的間接檢測方法等將管道劃分成若干個相似的段區。該階段劃分的ECDA區是初步的，可以根據間接檢測和直接檢測的結果進行修改及細化調整。在該市中壓燃氣管道的外腐蝕直接評價過程中，根據管道沿線土壤環境特征、陰極保護系統絕緣裝置的位置、河流穿越位置、套管及彎頭位置等的不同情況將26.9km的中壓管道劃分為17個ECDA區。
表1 間接檢測方法的適用能力
環境
密間隔電位法(CIPS)
直流電壓梯度法(DCVG)
管中交變電流衰減法(PCM)
皮爾遜法(Pearson)
防腐層破損點
2
1，2
1
2
裸管的陽極區
2
3
3
3
靠近河流或水下穿越
2
3
1，2
3
凍土地面下
3
3
1，2
3
雜散電流干擾
2
1，2
1，2
2
受屏蔽管道的腐蝕狀況
3
3
3
3
相鄰處存在金屬構筑物
2
1，2
1，2
3
附近存在平行管道
3
1，2
1，2
3
懸空的高壓輸電線下
2
1,2
3
2
短套管
2
2
2
2
道路路面下
3
3
1，2
3
無套管穿越
2
1，2
1，2
2
帶套管管道
3
3
3
3
深埋區
2
2
2
2
3 間接檢測
    間接檢測是在不開挖、不影響管道正常運行的情況下對埋地管道進行檢測，其目的是識別和確定防腐層缺陷和其他異常點的嚴重程度，確定管道上已經發生、正在發生或可能發生腐蝕的區域。通過間接檢測可以達到以下目的：①全面檢測外防腐層的現狀(包括防腐層老化情況、破損位置及破損大小狀況、破損處管體的腐蝕電流的流向等)，并評價其完整性狀況；②全面掌握陰極保護系統的運行情況，對其保護水平(管道是否獲得全面、合適的陰極保護，是否存在欠保護或過保護情況)給予評價。
3.1 外防腐層檢測
    防腐層絕緣電阻率是評價防腐層質量優劣的主要指標，絕緣電阻率越高，防腐層具有的屏蔽能力越好，其防護效果也越好。以C-SCAN 2010為主要檢測儀，分段測量管道防腐層絕緣電阻率，定性地確定各管段防腐層總體質量狀況；并結合SL-2088檢測的結果，對管道防腐層缺陷進行綜合評價、分類與定位。最后將兩種儀器的檢測結果進行比較，從而得到更準確的結果。
    對17段ECDA區管段的檢測結果進行統計分析得到：管道外防腐層絕緣電阻率為500～10000Ω·m2，平均值為5869.96Ω·m2，對ECDA區管段外防腐層缺陷程度的評價結果及處理措施列于表2。防腐層破損點共62個，其中防腐層嚴重破損、已基本失去防腐作用且需要立即進行修復的一類缺陷點有18個，防腐層質量很差、與管道之間已發生嚴重剝離但仍起到一定的防腐作用、需要在1～2年內進行修復的二類缺陷點有20個，防腐層老化、與管
道之間輕度剝離、防腐層變薄且絕緣電阻率偏小、可暫不修復的三類缺陷點有24個。
表2 管道防腐層評價結果及處理措施
防腐層絕緣電阻率/(Ω·m2)
≥10000
10000～2000
2000～500
≤500
評價等級
優
良
差
劣
管道長度/m
11730
8873
3193
3147
所占比例/%
43.54
32.93
11.85
11.68
老化程度及表現
基本無老化
老化輕微，無剝離和損壞，基本完整
老化較嚴重，有剝離和較嚴重的透水現象
老化、破損或剝離嚴重，輕剝即掉
應采取的措施
不需要維修、補漏
以2～3年為周期進行檢漏開挖修補作業
重點監控，有計劃地安排修復
結合破損點定位，近期開挖修復
3.2 陰極保護系統檢測
    該市中壓燃氣管道于1997年建設并投入使用，管道采用3PE防腐層并安裝了犧牲陽極陰極保護系統。GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》[9]規定，施加陰極保護后，管道陰極保護電位(相對于銅/飽和硫酸銅參比電極，CSE，以下同)應為-850～-1200mV。為詳細地了解陰極保護系統運行10年后的情況，沿線選取了42個測試樁測量陰極保護系統的保護電位，結果見表3。其中有64.3%的管段得到有效的陰極保護；23.8%的管段沒有得到有效的陰極保護；11.9%的管段處于過保護狀態，可能因此而引起防腐層剝離甚至導致管道氫脆。
表3 陰極保護系統測試結果
陰極保護電位/mV
＞-850
-850～-1200
＜-1200
測試點數量/個
10
27
5
所占比例/%
23.8
64.3
11.9
陰極保護狀況
欠保護
得到有效保護
過保護
4 直接檢測
    直接檢測的目的是確定間接檢測結果的嚴重程度并進一步收集數據來評價管體的腐蝕情況。該階段要進行的主要工作有：地面檢測結果異常點的處理優先級排序，開挖具有腐蝕活動的管段、采集數據并檢測外防腐層破損點和管體腐蝕缺陷，剩余強度評價，腐蝕原因分析等。
4.1 優先級排序
    對間接檢測結果中的異常數據進行分析，確定其中的缺陷點及位置，并根據其當前的嚴重程度、發展趨勢和歷史資料來確定進行直接檢測的優先順序。對于正在發生的、隨時可能對管道造成威脅的缺陷應列為立即維修等級；對于可能發生的、暫時不會對管道造成威脅的缺陷列為計劃維修等級；對于發生可能性小、對管道造成威脅較小的缺陷列為監控等級。
4.2 開挖驗證
    開挖的目的是為了收集足夠的數據來確定管道上可能存在的腐蝕缺陷特征，并驗證間接檢測的有效性。該環節是整個直接評價過程中最困難和昂貴的一環，良好的預評價和間接檢測結果可使開挖數量最小化[7]。
    依據間接檢測結果和ECDA方法確定的開挖檢驗先后順序，按照一定的比例在各類缺陷點中共選擇了15個開挖點，其中一類缺陷點8個，二類缺陷點3個，三類缺陷點4個。在開挖前后、開挖過程中及剝除防腐層之前，按照ECDA要求進行下列工作：測量管地電位和土壤電阻率、拍攝照片、收集管道完整性評價所需的其他數據、檢查外防腐層破損狀況、確定外防腐層缺陷類型、測量外防腐層厚度、評價外防護層粘結性能、確定腐蝕缺陷尺寸等。
    對開挖處的防腐層缺陷點進行相關檢測及分析表明：開挖處防腐層缺陷點的間接檢測準確率為100%。管體質量總體上較好，個別管段有管體腐蝕現象。使用超聲波測厚儀對管道剩余壁厚進行測量，但未見管段壁厚明顯減薄跡象。
4.3 剩余強度評價
    ECDA要求對腐蝕缺陷發生處進行缺陷的剩余強度評價，以確定管道的最大允許工作壓力和當前工作壓力下的臨界缺陷尺寸。計算剩余強度的常用方法有：美國機械工程師協會的推薦標準ASME B31G《腐蝕管道剩余強度評估手冊》及其修訂版RSTRENG和挪威船級社標準DNV RP-F101《腐蝕管道評估的推薦做法》等。
    通過檢測發現，管道的外防腐層整體狀況較好，加上犧牲陽極陰極保護系統的保護，管道腐蝕缺陷較小，管壁腐蝕深度與管道原始壁厚之比小于10%。按照ASME B31G的規定，無須對被檢測管道進行剩余強度評價。
4.4 腐蝕原因分析
    管道沿線土壤電阻率為30.8～234.0Ω·m，平均值為79.7Ω·m，腐蝕性屬“弱-中腐蝕”級別，大部分環境土壤細菌腐蝕傾向為“較弱”級別，且土壤pH值處于偏酸性范圍，土壤存在的腐蝕傷害較小。相對應的埋地鋼質管道平均腐蝕速率為0.05～0.10mm/a，局部(管道表面涂層破損點處)腐蝕速率則大于0.20mm/a。另外，局部腐蝕速率還受其他因素如雜散電流的影響，雜散電流的存在會加劇腐蝕。部分管段陰極保護電位不足，管道得不到有效的保護，也是造成管道腐蝕的重要原因之一。
5 后評價
    后評價是對上述3個步驟作出的總結。通過對間接檢測中發現的防腐層破損點進行開挖維修并驗證間接檢測的準確性；測量開挖點處燃氣管道腐蝕缺陷尺寸，確定管道缺陷的嚴重程度，對管道剩余強度進行評價，預測管道剩余壽命；確定再檢測的時間間隔，根據間接檢測結果制定維修方案。后評價是對整個ECDA過程進行有效性驗證，為燃氣管道完整性管理進行性能測試。
    在該市中壓管道直接檢測過程中，開挖驗證沒有發現腐蝕缺陷并對防腐層缺陷點進行了修復，因此，剩余壽命按照管道設計壽命計算。對于陰極保護電位未達標的管段，須加強保護措施且應定期檢測管道陰極保護狀況，檢測周期不超過0.5年，以監控管道受保護效果；定期調查管道沿線土壤的腐蝕性，調查周期為1年，以監控管道腐蝕狀態；定期進行腐蝕檢測，該中壓燃氣管道已運行逾10年，根據CJJ 95—2003《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》[10]的有關規定，建議下一次防腐層定期檢測周期為3年。
6 結語
    管道外腐蝕直接評價是一種綜合的完整性評價方法，可以根據管道實際情況選擇合適的間接檢測方法，靈活地使用該方法使其在實際應用中不斷發展和完善。它比內檢測、壓力試驗和內腐蝕直接評價方法更適用于城市燃氣管道，但前提是收集大量的真實數據、合理地選擇間接檢測方法。管道外腐蝕直接評價結果可作為城市燃氣管道完整性管理的可靠依據，據此制定管道的維修方案和預防措施。
參考文獻：
[1] HELVE D. Major pipeline outlines its compliance plan for integrity management[J].Pipeline＆Gas Journal，2004，(3)：32-35.
[2] 王蕾，李帆.燃氣輸配管網完整性管理的探討[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：16-19.
[3] 涂明躍，葛艾天.陜京管道外腐蝕直接評價(ECDA)實踐[J].腐蝕與防護，2007，27(7)：369-372.
[4] NACE RP 0502-2002，Pipeline external corrosion assessment methodology[S].
[5] 車立新，孫立國.埋地鋼管外防腐層直接檢測技術與方法[J].煤氣與熱力，2007，27(1)：1-4.
[6] 安慧斌，徐立新，孟憲耀.管道防腐層缺陷檢測方法的綜合應用[J].煤氣與熱力，2004，24(1)：36-39.
[7] 孫彥磊.燃氣管網防腐檢測方法[J].煤氣與熱力，2007，27(8)：57-59.
[8] ASME B3 1.8S-2001，Managing system integrity of gas pipelines(Supplement to ASME B31.4)[S].
[9] GB/T 21448—2008，埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S].
[10] CJJ 95—2003，城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程[S].
 
(本文作者：周廷鶴1 彭世尼2 李帆1 1.港華投資有限公司 廣東深圳 518026；2.重慶大學 城市建設與環境工程學院 重慶 400045)