海底管道外防腐檢測(cè)技術(shù)綜述
發(fā)布時(shí)間：
2020-11-27
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海底管道最經(jīng)濟(jì)有效的外部腐蝕控制措施是涂層防護(hù)和陰極保護(hù)。有兩種原因?qū)е峦繉咏饘俑g。一是涂層本身存在缺陷，如針孔等；二是在運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行過(guò)程中涂層被損壞，使金屬暴露于腐蝕環(huán)境。這些缺陷導(dǎo)致大陰極小陽(yáng)極現(xiàn)象，加速涂層破損處腐蝕（圖 1）。
目前海底管道采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)，但如果犧牲陽(yáng)極存在設(shè)計(jì)缺陷、管道延壽都會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極消耗后過(guò)早失去作用（圖 2），因此需要定期進(jìn)行檢測(cè)或更換。而如何檢測(cè)海底管道的外防腐狀況是預(yù)防管道發(fā)生外部腐蝕或泄漏的關(guān)鍵。
1 國(guó)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)主要采用聲學(xué)調(diào)查設(shè)備對(duì)管道路由位置、埋設(shè)狀況及周邊地形地貌進(jìn)行定期檢測(cè)，無(wú)法判斷管道的陰極保護(hù)狀況。南海一些非掩埋深水管道，水下能見(jiàn)度較高，通過(guò)潛水員或ROV（水下機(jī)器人）定期檢測(cè)位于海床面管道上的陽(yáng)極，來(lái)了解和掌握海底管道陽(yáng)極工作狀態(tài)（圖 3）。
海底管道陽(yáng)極檢測(cè)技術(shù)包括外觀檢查和電位測(cè)量。外觀檢查包括以下幾方面：①犧牲陽(yáng)極的安裝情況；②犧牲陽(yáng)極的消耗情況；③犧牲陽(yáng)極的電連接情況；④犧牲陽(yáng)極附著海生物情況。清理陽(yáng)極表面后，還應(yīng)檢查其表面是否發(fā)生鈍化、是否遭受不規(guī)則腐蝕 以及海生物的影響。測(cè)量選定陽(yáng)極電位，判斷陽(yáng)極是否在設(shè)計(jì)消耗范圍內(nèi)，因?yàn)殛?yáng)極鈍化和海生物附著都會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極保護(hù)電位超出正常范圍。上述接觸式電位測(cè)量技術(shù)，僅能提供測(cè)量點(diǎn)的電位，不能提供連續(xù)的電勢(shì)分布，而且需要清理測(cè)量點(diǎn)陽(yáng)極表面，測(cè)量的數(shù)據(jù)不能為陽(yáng)極電流輸出和剩余壽命提供依據(jù)。
目前，國(guó)內(nèi)海底管道陽(yáng)極檢測(cè)技術(shù)僅局限于非埋設(shè)海底管道設(shè)施。對(duì)掩埋的海底管道，傳統(tǒng)的接觸式陽(yáng)極檢測(cè)技術(shù)受查找和開(kāi)挖難度以及水下能見(jiàn)度的影響無(wú)法有效開(kāi)展，導(dǎo)致該領(lǐng)域一直處于檢測(cè)盲區(qū)。通過(guò)分析近幾年海底管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，部分海底管道確實(shí)存在不同程度的外部腐蝕，主要是由于涂層和陽(yáng)極失效所導(dǎo)致的。因此，海底管道外防腐檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前急需解決的技術(shù)難題。
2 國(guó)內(nèi)外新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外在海底管道安全檢測(cè)技術(shù)方面起步較早，有很多技術(shù)值得我們學(xué)習(xí)和借鑒，除傳統(tǒng)的接觸式海底管道陽(yáng)極檢測(cè)技術(shù)外，一些新的管道外防腐檢測(cè)技術(shù)已成功應(yīng)用到海洋領(lǐng)域，如金屬磁記憶法、電位分布測(cè)量法和電場(chǎng)梯度測(cè)量法等。
（1）金屬磁記憶法
金屬磁記憶法由俄羅斯杜波夫教授在20世紀(jì)90年代初提出，杜波夫教授用特制的磁力檢測(cè)計(jì)檢測(cè)了鐵磁構(gòu)件的表面應(yīng)力集中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出磁記憶的產(chǎn)生是金屬磁現(xiàn)象物理本質(zhì)和材料位錯(cuò)過(guò)程導(dǎo)致的。通過(guò)磁記憶檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)缺陷甚至材料組織的不均勻性（圖 4）。對(duì)于管道，即管道的缺陷（制造缺陷、焊接缺陷、機(jī)械缺陷和腐蝕缺陷等）會(huì)引起管道應(yīng)力局部增大，導(dǎo)致該位置磁特性發(fā)生相應(yīng)變化，這種變化通過(guò)磁力計(jì)可以探測(cè)到。
目前，該技術(shù)在陸地管道得到了推廣應(yīng)用，國(guó)外也有海底管道應(yīng)用案例，但是公開(kāi)信息不多。
2013年，我國(guó)中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司在中海油海底管道800米環(huán)路實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水下金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)，獲得了成功。 2014年該技術(shù)成功應(yīng)用于渤海某海底管道，為國(guó)內(nèi)掩埋海底管道非接觸式檢測(cè)技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)。
但是金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)已經(jīng)發(fā)生外壁腐蝕的海底管道來(lái)間接評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，無(wú)法對(duì)管道涂層和陽(yáng)極狀況進(jìn)行直接評(píng)價(jià)。
（2）電位分布測(cè)量法
管道沿線電位分布測(cè)量，即密間隔電位測(cè)試（Close Interval Potential Survey， CIPS）是判斷管道陰極保護(hù)有效性的主要技術(shù)，在陸上埋地管道檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，國(guó)外也已經(jīng)應(yīng)用在海底管道領(lǐng)域，檢測(cè)示意如圖 5所示。
檢測(cè)時(shí)，測(cè)量船上搭載的自動(dòng)電位記錄儀的一端留有帶絕緣層的金屬導(dǎo)線與平臺(tái)立管絕緣法蘭以下的管道進(jìn)行電連接，另一端與搭載在水下拖魚(yú)或ROV上的測(cè)量電極相連接，從而構(gòu)成電位測(cè)量回路。由測(cè)量船控制拖魚(yú)或ROV沿管道路由上方進(jìn)行巡檢，實(shí)現(xiàn)海底管道沿線電位分布測(cè)量，典型的電位分布數(shù)據(jù)曲線如圖 6中曲線 2所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)比表 1和表 2，判斷管道的陰極保護(hù)是否有效。
電 位 分 布 測(cè) 量 技 術(shù) 國(guó) 內(nèi) 相 關(guān) 標(biāo) 準(zhǔn) 包 括 G B /T 21448–2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、 GB/T 21246–2016《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》、 SY/T0087.1–2018《鋼制管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)》等。
電位分布測(cè)量法不適合接點(diǎn)相距較遠(yuǎn)的管道。因而除非海底管道距離平臺(tái)或登陸端較近，否則不具備適用條件。
（3）電場(chǎng)梯度測(cè)量法
電場(chǎng)梯度測(cè)量法也稱為直流電位梯度測(cè)量法（Direct Current Voltage Gradient， DCVG），是目前應(yīng)用比較廣泛的陸上埋地管道外防腐層檢測(cè)技術(shù)之一，屬于非接觸檢測(cè)技術(shù)，已寫(xiě)入國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0087.1–2018《鋼制管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)》。
將其用于海底管道檢測(cè)原理為：在施加了陰極保護(hù)的海底管道上，如果管道防腐層有破損，陰保電流將通過(guò)海水介質(zhì)到達(dá)防腐層存在破損的金屬管道處，在破損處區(qū)域形成電位梯度場(chǎng)，如圖 7所示。電流越大、距離防腐層破損點(diǎn)越近，電位梯度越集中。
測(cè)量時(shí)，測(cè)量船下放ROV，并控制ROV沿管道上方巡檢，由ROV上攜帶的CTC電極測(cè)量并記錄海底管道沿線電場(chǎng)梯度數(shù)值，如圖 8所示。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制電場(chǎng)梯度數(shù)值VS測(cè)試距離數(shù)據(jù)曲線（圖 6中曲線 1），從而判斷管道外防腐層缺陷位置、大小，以及犧牲陽(yáng)極的位置。
采用遠(yuǎn)參比電極及CTC電極系統(tǒng)還可以同時(shí)測(cè)量/計(jì)算管道沿線的電位分布及電場(chǎng)梯度（圖 9）， ROV水下一次行進(jìn)即可獲取多組數(shù)據(jù)。通過(guò)電位分布數(shù)據(jù)及電場(chǎng)梯度數(shù)據(jù)的對(duì)比與驗(yàn)證，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
3 結(jié)束語(yǔ)
國(guó)家對(duì)海底管道安全和海洋環(huán)境保護(hù)高度重視，對(duì)管道安全管理提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)海底管道缺乏有效的檢測(cè)技術(shù)，需要研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)和政府一起聯(lián)合推進(jìn)管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道的全面檢測(cè)，從而為能源安全和海洋環(huán)境安全提供保障。
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