摘　要：根據多年檢測地下管道外防腐層的實(shí)踐經(jīng)驗，系統地論述了地下管道外防腐層檢測前沿的幾種理論方法。通過(guò)對這些理論方法和檢測技術(shù)的分析，以期能對我國油氣等埋地管網(wǎng)腐蝕評價(jià)的技術(shù)規范制定、實(shí)際管道腐蝕檢測的實(shí)施、埋地管網(wǎng)腐蝕評價(jià)起到指導和借鑒作用。

　　關(guān)鍵詞：外防腐層直接檢測和評價(jià)；交流電流法；直流電壓法

　　1、埋地鋼管的腐蝕類(lèi)型

　�、俟艿纼雀�蝕

　　這類(lèi)腐蝕影響因素相對來(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：如果所運輸的天然氣的濕度和含硫較高時(shí)，管道內就容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。對于這類(lèi)腐蝕的機理研究比較成熟，管道內腐蝕所造成的結果也基本上可預知，因此處理方法也規范。比如通過(guò)除濕和脫硫，或增加緩蝕劑就可消除或減緩內腐蝕的發(fā)生。近年來(lái)隨著(zhù)管道業(yè)主對管道運行管理的加強以及對輸送介質(zhì)的嚴格要求，內腐蝕在很大程度上得到了控制。目前國內外長(cháng)輸油氣管道腐蝕控制主要發(fā)展方向是在外防腐方面，因而管道檢測也重點(diǎn)針對因外腐蝕造成的涂層缺陷及管道缺陷。

　�、诠艿劳飧�蝕

　　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，管道埋設的土壤環(huán)境腐蝕。

　�、酃艿赖膽�力腐蝕破裂

　　管道在拉應力和特定的腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應力脆性破裂現象稱(chēng)為應力腐蝕破裂（StressCorrosionCracking，SCC），它不僅能影響到管道內腐蝕，也能影響到管道外腐蝕。關(guān)于應力腐蝕，有資料表明，截至1993年底，國內某輸氣公司的輸氣干線(xiàn)共發(fā)生硫化物應力腐蝕事故78起，其中某分公司的輸氣干線(xiàn)共發(fā)生硫化物應力腐蝕破裂事故28起，僅1979年8月至1987年3月間就發(fā)生12次硫化物應力腐蝕的爆管事故，經(jīng)濟損失超過(guò)700×104元。據國外某國11家公司對1985年至1995年間油氣管道事故的統計，應力腐蝕破裂占17％。該國某公司自1977年以來(lái)，天然氣和液體管道系統發(fā)生應力腐蝕破壞事故22起，其中包括12起破裂和10起泄漏事故。這些應力腐蝕為近中性應力腐蝕，是由于聚乙烯外防護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采用了雙重措施，即外防腐層和陰極保護。外防腐層是第一道屏障，對埋地鋼管腐蝕起到約95％以上的防護作用，一旦發(fā)生局部破損或剝離，就必須保證陰極保護（CathodicProtection，CP）電流的暢通，達到防護效果。隨著(zhù)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管道的保護作用。而且使用CP應注意它的負作用，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)極溶解或引起應力腐蝕破裂。

　　3、外防腐層破損的直接檢測和評價(jià)

　　外防腐層破損直接檢測和評價(jià)技術(shù)ECDA（ExternalCorrosionDirectAssessment）是在對埋地鋼管不開(kāi)挖的前提下，采用專(zhuān)用設備和檢測方法在地面非接觸性地對外防腐層破損缺陷定位，從而對管道的腐蝕狀況和管道運行的安全風(fēng)險進(jìn)行評估。國外對這個(gè)領(lǐng)域的研究比較早，已經(jīng)制定了相應的技術(shù)規范，從而形成了比較完善的知識體系，比如國際防腐蝕工程師協(xié)會(huì )（NACE）標準RP0502—2002和美國天然氣協(xié)會(huì )（INGAA）對ECDA作了詳細的要求和規定，因此具有很強的可操作性。

　　國內實(shí)施管道外防腐層檢測技術(shù)始于20世紀80年代中期，隨著(zhù)改革開(kāi)放，國外的檢測設備大量引進(jìn)。但是對于其理論方法和技術(shù)規范鮮有論述，致使引進(jìn)的先進(jìn)設備并沒(méi)有發(fā)揮應有的效能。筆者認為對理論方法和技術(shù)規范的消化引進(jìn)更重要，它是我們引進(jìn)設備的基礎，也是再創(chuàng )新的基礎。雖然我國也制定了相應的腐蝕控制的標準，CJJ95—2003《城鎮燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規程》、SY/T0063—1999《管道防腐層檢漏試驗方法》，但這些標準只涉及到了防腐層施工和埋設前的質(zhì)量保證，對埋地管道外防腐層破損直接檢測和評價(jià)技術(shù)沒(méi)有詳細規定，而這方面卻又是生產(chǎn)運行中急需解決的問(wèn)題。

　　3.1外防腐層破損直接檢測和評價(jià)的步驟

　　按照國際防腐蝕工程師協(xié)會(huì )（NACE）標準RP0502—2002的要求，ECDA的總體技術(shù)要求是對于腐蝕已經(jīng)發(fā)生、正在發(fā)生和將要發(fā)生的敏感管段能做出預測。在實(shí)際應用時(shí)，為達到此目標，要進(jìn)行如下4個(gè)操作步驟。

　�、兕A評價(jià)（Pre.Assessment）

　　收集敏感管道的歷史資料及管道特征，并對這些資料進(jìn)行評估。在所搜集的管道資料的基礎上，制定ECDA的可行性方案，按相似條件的管段劃分不同的區域，在這些區域內采用的檢測儀器要相同，以保證結果的可比性。

　�、诜墙佑|測量（IndirectInspection）

　　采用2種或2種以上的地面外防腐層破損檢測技術(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），用以檢測管道的腐蝕行為和查找外防腐層的破損點(diǎn)。系統地分析以上方法所取得的數據，得出高風(fēng)險區域的開(kāi)挖修復的準確信息。

　�、壑苯娱_(kāi)挖驗證（DirectExamination）

　　選定開(kāi)挖的現場(chǎng)，實(shí)際識別出破損點(diǎn)，并決定是修復還是更換管道。

　�、芎笤u價(jià)（PostAssessment）

　　對ECDA的以上3個(gè)步驟做出總結，建立起評價(jià)模型，以便指導將來(lái)的管道安全維護。

　　3.2外防腐層破損的檢測方法

　　3.2.1交流電流法

　　交流電流法在國際上通常被稱(chēng)為皮爾遜檢測法（PearsonSurvey）。其基本原理是：當用一個(gè)信號發(fā)射機把特定頻率的交流信號通過(guò)導線(xiàn)施加在金屬管道上時(shí)，這種特定頻率的交流信號就會(huì )沿管道向前傳播，并在無(wú)窮遠處與發(fā)射機的地線(xiàn)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，這樣如果沿程測量管道中的電流信號，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，用儀器在埋設管道的地面上可檢測到這種電流或電位異常，即可發(fā)現管道外防腐層破損點(diǎn)。

　　特別指出的是，皮爾遜檢測是一種檢測方法和基本原理，不是具體的某種設備，把基于以上原理的檢測設備與一種檢測方法混為一談是不恰當的。皮爾遜檢測法最大的特點(diǎn)是向管道施加特定頻率的交流信號，然后在防腐層破損點(diǎn)檢測到電流或者電壓的異常。

　　基于以上原理，不同的廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)出各具特色的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的區別主要在于采用的信號頻率不同和接收天線(xiàn)數目和布局不同，目前主流的檢測設備有以下兩種。

　�、貱-掃描設備

　　該設備接收機采用5根垂直陣列天線(xiàn)，提高了管道定位精度，具有自動(dòng)識別干擾信號并提示的能力。C-掃描采用的交流信號是單一的937.5Hz交流信號。

　　該設備能夠方便地確定被測管道位置或防腐層缺陷位置。在測試過(guò)程中自動(dòng)記錄、處理和儲存檢測數據，現場(chǎng)顯示各種檢測曲線(xiàn)，可現場(chǎng)評判防腐層性能，并具備數據結果存儲和進(jìn)一步分析評價(jià)的能力。其缺點(diǎn)是設備價(jià)格昂貴，稍高的信號頻率易受外界電磁雜波的干擾，并且一旦受到干擾，由于設備只有一種頻率，很難避開(kāi)干擾。另外，C-掃描沒(méi)有測量破損點(diǎn)電壓異常的附件。

　�、诠苤须娏鞣�測繪設備

　　管中電流法測繪設備（PipeCurrentMapping，PCM）的最大特點(diǎn)是施加“準直流”的4Hz交流信號作為防腐層破損檢測的測繪信號，并有128/640Hz的定位信號。接收機天線(xiàn)采用經(jīng)典的雙水平天線(xiàn)和單豎直天線(xiàn)，既可按峰值（雙水平天線(xiàn)）也可按零值（單豎直天線(xiàn)）定位。PCM能夠通過(guò)A字架測量破損點(diǎn)的跨步電壓（SetVoltage）異常。PCM具有數據存儲功能，數據可以用國內開(kāi)發(fā)出的相應評價(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FerrophonEL/G1設備。其最大的特點(diǎn)是接收機能夠直接接收陰極保護的信號，因此對有陰極保護的管道定位十分方便。它把1.1kHz交流信號作為防腐層破損檢測的測繪信號，并有42/10kHz的定位信號，接收機天線(xiàn)也是采用經(jīng)典的雙水平天線(xiàn)和單豎直天線(xiàn)，既可按峰值（雙水平天線(xiàn)）也可按零值（單豎直天線(xiàn)）定位。它也能夠通過(guò)A字架測量破損點(diǎn)的跨步電壓異常。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，缺點(diǎn)是數據不能存儲。

　　基于皮爾遜檢測法的設備，由于接收機輕便，檢測速度較快，自帶信號發(fā)射機，可以檢測沒(méi)有陰極保護（CP）的管道，因此目前國內仍較普遍使用，受現場(chǎng)檢測人員的歡迎。但是這些設備使用局限性也很大：操作者的經(jīng)驗技能特別重要，沒(méi)有現場(chǎng)經(jīng)驗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

　　外防腐層破損檢測和管道腐蝕狀態(tài)評價(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)是利用現有的陰極保護直流信號或臨時(shí)向管道施加直流信號，然后在防腐層破損點(diǎn)檢測到管對地極化電壓的異常，從而確定破損點(diǎn)和破損程度。而采用密間隔電位法（CIPS）全面測量，有助于評估管道整體陰極保護的情況。這兩種技術(shù)的結合（DCVG+CIPS）代表了這一領(lǐng)域的發(fā)展方向，也符合國際防腐蝕工程師協(xié)會(huì )（NACE）標準RP0502—2002的基本要求。

　�、倜荛g隔電位測量法

　　密間隔電位法CIPS主要用于測定CP系統的效果，間接反映防腐涂層狀況。CIPS法沿管道以間隔1.0～1.5m采集數據，繪制連續的開(kāi)/關(guān)管地電位曲線(xiàn)圖，反映管道全線(xiàn)陰極保護電位情況。當防腐層某處存在缺陷時(shí)，該處電流密度增大，使保護電位正向偏移，當這種偏移達到一定數量，在地表就可檢測到，當電位（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確位置，實(shí)際上是一種管地電位檢測技術(shù)并非涂層缺陷檢測技術(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)保護具有獨到之處。

　�、谥绷麟妷禾荻确�

　　直流電壓梯度法（DCVG）是由JohnMulvaney在澳大利亞首先提出，最初應用在通信電纜外護套破損的確定，而后廣泛地應用在埋地鋼管外防腐層破損的直接檢測和評價(jià)領(lǐng)域，至今已經(jīng)有逾30a歷史。其基本原理是當把一個(gè)直流信號（比如陰極保護信號）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.依據土壤的電壓降占管道對地電壓的百分比來(lái)計算涂層缺陷的大小和破損點(diǎn)的嚴重程度，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。其判斷標準為：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)上方的地面上測量?jì)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。

　　為了更容易區分管道上其他直流信號，如長(cháng)線(xiàn)電池、雜散電流以及其他陰極保護系統，應用直流電壓梯度法測量時(shí)，要通過(guò)特殊設計的中斷器，以1/3S（開(kāi)）和2/3S（關(guān)）的比例，向管道施加一種不對稱(chēng)的直流信號。這種直流信號可以從現有的陰極保護系統起點(diǎn)的變壓整流器（T/R）上注入。如果管道不帶陰極保護，則可以在管道的測試中，用電池或直流發(fā)電機臨時(shí)建立這種系統。

　　測量時(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，兩探頭相隔1～2m，沿管道走向每隔一定的距離測量一組數據。如果測量到離防腐層破損點(diǎn)足夠近，就可以檢測到直流電壓梯度，并且越接近破損點(diǎn)，高靈敏度的表頭對開(kāi)/關(guān)（ON/OFF）脈沖電流反應越強烈，越過(guò)最強點(diǎn)后，電壓降逐漸減少，退回以不同的角度重做圓形探測，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檢測設備帶有數據存儲功能和GPS引擎，既能存儲測量數據，也能存儲地理坐標（經(jīng)緯度）數據。所有這些數據都能傳輸到計算機中，專(zhuān)用的分析軟件可直觀(guān)地顯示測量結果和防腐層異常情況。這方面的專(zhuān)業(yè)設備和軟件的開(kāi)發(fā)，是我們今后的一個(gè)發(fā)展方向。

　　DCVG法對于準確確定破損點(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法對管道陰極保護狀態(tài)進(jìn)行測量。

　　現在國際上最前沿的技術(shù)是把直流電壓梯度法和密間隔電位測量法結合起來(lái)使用，即DCVG+CIPS技術(shù)。一旦對選定的管道作一系列這樣的檢測，就能夠對破損點(diǎn)的嚴重程度和整個(gè)管道的腐蝕狀況作一個(gè)評估。

　　4、結論

　�、僦挥袑λ�有的檢測方法有了清晰系統的認識，才能結合實(shí)際選擇合適的方法或者方法組合。每一種檢測技術(shù)都有它的優(yōu)點(diǎn)和局限性，了解各種檢測技術(shù)的局限性有助于現場(chǎng)人員提高檢測效率。選擇那一種技術(shù)最好，完全由用戶(hù)的認識決定。

　�、谌魏螜z測方案的實(shí)施，都需要有科學(xué)的理論指導。希望國外的外防腐層涂層破損直接檢測和評價(jià)技術(shù)能夠對我國相關(guān)技術(shù)規范的修訂起到借鑒作用。只注重設備的引進(jìn)，而不注重相應的技術(shù)方法和規范的引進(jìn)、消化、吸收，設備也不能發(fā)揮應有的作用。

　�、勰壳拔覈�在這一領(lǐng)域基本上處于設備引進(jìn)和應用階段。引進(jìn)、消化和自主創(chuàng )新是趕超國外先進(jìn)水平的必由之路，為此我們期待著(zhù)在自主研發(fā)具有國際水平的檢測設備和開(kāi)發(fā)具有獨立知識產(chǎn)權的埋地管網(wǎng)腐蝕評價(jià)軟件這兩個(gè)方面與業(yè)內同仁進(jìn)行合作創(chuàng )新。