外腐蝕直接評(píng)價(jià)在城市燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用

摘 要

管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)(ECDA)是進(jìn)行城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼闹匾侄?。論述了ECDA的4個(gè)基本步驟——預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)、直接檢測(cè)、后評(píng)價(jià)。結(jié)合華南某市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的實(shí)際情況,將ECDA應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿缹?shí)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(jù)。

摘要:管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)(ECDA)是進(jìn)行城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼闹匾侄?。論述了ECDA的4個(gè)基本步驟——預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)、直接檢測(cè)、后評(píng)價(jià)。結(jié)合華南某市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的實(shí)際情況,將ECDA應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿缹?shí)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(jù)。
關(guān)鍵詞:城市燃?xì)夤艿?;外腐蝕直接評(píng)價(jià);完整性管理;檢測(cè);外防腐層;陰極保護(hù)
Application of External Corrosion Direct Assessment to City Gas Pipeline
ZHOU Ting-he,PENG Shi-ni,LI Fan
AbstractThe 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 wordscity gas pipeline;external corrosion direct assessment;integrity management;inspection;external anticorrosive coating;cathodic protection
1 概述
    在實(shí)施城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼倪^(guò)程中,管道檢測(cè)是其中的重要環(huán)節(jié),檢測(cè)技術(shù)的水平如何直接決定著完整性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。美國(guó)管道安全局提供了4種可供選擇的檢測(cè)技術(shù)[1、2]:內(nèi)檢測(cè)、壓力試驗(yàn)、直接評(píng)價(jià)(包括外腐蝕直接評(píng)價(jià)和內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià))和其他能夠評(píng)價(jià)管道現(xiàn)狀的技術(shù),其中外腐蝕直接評(píng)價(jià)方法作為一套科學(xué)而規(guī)范的外腐蝕及防護(hù)檢測(cè)評(píng)價(jià)手段得到了廣泛的應(yīng)用[3]。
   管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)(External Corrosion Direct Assessment,ECDA)是結(jié)合當(dāng)前各種埋地管道檢測(cè)工具,基于檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確地定位外腐蝕、評(píng)價(jià)并降低外腐蝕對(duì)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(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)、直接檢測(cè)和后評(píng)價(jià)4個(gè)基本步驟。本文依據(jù)美國(guó)腐蝕協(xié)會(huì)(NACE)的推薦標(biāo)準(zhǔn)《管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)方法》[4],通過(guò)在華南某市中壓燃?xì)夤艿赖膶?shí)際應(yīng)用,探討ECDA在國(guó)內(nèi)燃?xì)夤艿劳飧g直接評(píng)價(jià)中的適用性。
2 預(yù)評(píng)價(jià)
    在預(yù)評(píng)價(jià)階段,評(píng)價(jià)人員收集、整合并分析大量的相關(guān)數(shù)據(jù),確定ECDA對(duì)所要評(píng)價(jià)的管道是否可行,選擇間接檢測(cè)工具,劃分ECDA區(qū)。
   ① 數(shù)據(jù)收集
   充足的數(shù)據(jù)資料是進(jìn)行ECDA的前提。在該階段,需要收集被評(píng)價(jià)管段的歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)、管道基本物性參數(shù),其中包括:管體相關(guān)數(shù)據(jù)、管道施工相關(guān)數(shù)據(jù)、管道沿線的土壤及環(huán)境數(shù)據(jù)、管道腐蝕控制相關(guān)數(shù)據(jù)、管道歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)收集的完整程度和準(zhǔn)確性將直接影響到間接檢測(cè)工具的選取和ECDA區(qū)的劃分,從而進(jìn)一步影響到數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。收集的數(shù)據(jù)要滿足開(kāi)展ECDA所必須的最少數(shù)據(jù)需求并確定其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
    該市中壓管道的相關(guān)數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)[4]中介紹的形式進(jìn)行收集,數(shù)據(jù)來(lái)源主要有:a.通過(guò)該市港華燃?xì)庥邢薰臼占艿赖脑O(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及維護(hù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù);b.向公司工作人員咨詢獲取相關(guān)數(shù)據(jù);c.沿管道收集管道及周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。為了保證管道數(shù)據(jù)的完整性,便于燃?xì)夤艿赖耐暾怨芾?,?yīng)及時(shí)更新、整合以上收集的數(shù)據(jù),保存為電子版本并及時(shí)錄入到完整性管理數(shù)據(jù)庫(kù)或GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
   ② 間接檢測(cè)方法的選擇
   外腐蝕直接評(píng)價(jià)方法的實(shí)施需要間接檢測(cè)方法作為技術(shù)支持。間接檢測(cè)方法的選擇原則是能沿管道方向可靠地檢測(cè)到防腐層缺陷和可能發(fā)生腐蝕的部位。常用的檢測(cè)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(cè)方法的適用能力見(jiàn)表1。表1中,代碼1表示可檢出小的防腐層破損點(diǎn)(孤立的,面積一般小于600mm2),它們一般不會(huì)引起管道陰極保護(hù)電位的波動(dòng);代碼2表示可檢出大的防腐層破損點(diǎn)(孤立或連續(xù)),它們一般會(huì)引起管道陰極保護(hù)電位的波動(dòng);代碼3表示不能應(yīng)用此方法,或者說(shuō),在無(wú)附加考慮條件時(shí)不能應(yīng)用此方法。
    當(dāng)管道沿線環(huán)境有較大變化時(shí),為提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性,需在整個(gè)管段上使用兩種或更多種功能互補(bǔ)的間接檢測(cè)方法[8]。通過(guò)分析比較各檢測(cè)方法及其組合方案的優(yōu)缺點(diǎn)后,采用C-SCAN 2010型地下管道防腐層檢測(cè)儀和SL-2088型地下管道防腐層探測(cè)檢漏儀兩種檢測(cè)儀器對(duì)管道防腐層進(jìn)行檢測(cè)。
   ③ 劃分ECDA區(qū)
   ECDA區(qū)的劃分是根據(jù)管道物理特征、腐蝕歷史狀態(tài)、土壤狀況、陰極保護(hù)狀況以及可以使用的間接檢測(cè)方法等將管道劃分成若干個(gè)相似的段區(qū)。該階段劃分的ECDA區(qū)是初步的,可以根據(jù)間接檢測(cè)和直接檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行修改及細(xì)化調(diào)整。在該市中壓燃?xì)夤艿赖耐飧g直接評(píng)價(jià)過(guò)程中,根據(jù)管道沿線土壤環(huán)境特征、陰極保護(hù)系統(tǒng)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(gè)ECDA區(qū)。
表1 間接檢測(cè)方法的適用能力
環(huán)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(diǎn)
2
1,2
1
2
裸管的陽(yáng)極區(qū)
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(gòu)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(wú)套管穿越
2
1,2
1,2
2
帶套管管道
3
3
3
3
深埋區(qū)
2
2
2
2
3 間接檢測(cè)
    間接檢測(cè)是在不開(kāi)挖、不影響管道正常運(yùn)行的情況下對(duì)埋地管道進(jìn)行檢測(cè),其目的是識(shí)別和確定防腐層缺陷和其他異常點(diǎn)的嚴(yán)重程度,確定管道上已經(jīng)發(fā)生、正在發(fā)生或可能發(fā)生腐蝕的區(qū)域。通過(guò)間接檢測(cè)可以達(dá)到以下目的:①全面檢測(cè)外防腐層的現(xiàn)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(píng)價(jià)其完整性狀況;②全面掌握陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,對(duì)其保護(hù)水平(管道是否獲得全面、合適的陰極保護(hù),是否存在欠保護(hù)或過(guò)保護(hù)情況)給予評(píng)價(jià)。
3.1 外防腐層檢測(cè)
    防腐層絕緣電阻率是評(píng)價(jià)防腐層質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo),絕緣電阻率越高,防腐層具有的屏蔽能力越好,其防護(hù)效果也越好。以C-SCAN 2010為主要檢測(cè)儀,分段測(cè)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(zhì)量狀況;并結(jié)合SL-2088檢測(cè)的結(jié)果,對(duì)管道防腐層缺陷進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、分類與定位。最后將兩種儀器的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
    對(duì)17段ECDA區(qū)管段的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)ECDA區(qū)管段外防腐層缺陷程度的評(píng)價(jià)結(jié)果及處理措施列于表2。防腐層破損點(diǎn)共62個(gè),其中防腐層嚴(yán)重破損、已基本失去防腐作用且需要立即進(jìn)行修復(fù)的一類缺陷點(diǎn)有18個(gè),防腐層質(zhì)量很差、與管道之間已發(fā)生嚴(yán)重剝離但仍起到一定的防腐作用、需要在1~2年內(nèi)進(jìn)行修復(fù)的二類缺陷點(diǎn)有20個(gè),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(fù)的三類缺陷點(diǎn)有24個(gè)。
表2 管道防腐層評(píng)價(jià)結(jié)果及處理措施
防腐層絕緣電阻率/(Ω·m2)
≥10000
10000~2000
2000~500
≤500
評(píng)價(jià)等級(jí)
優(yōu)
管道長(zhǎng)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(xiàn)
基本無(wú)老化
老化輕微,無(wú)剝離和損壞,基本完整
老化較嚴(yán)重,有剝離和較嚴(yán)重的透水現(xiàn)象
老化、破損或剝離嚴(yán)重,輕剝即掉
應(yīng)采取的措施
不需要維修、補(bǔ)漏
以2~3年為周期進(jìn)行檢漏開(kāi)挖修補(bǔ)作業(yè)
重點(diǎn)監(jiān)控,有計(jì)劃地安排修復(fù)
結(jié)合破損點(diǎn)定位,近期開(kāi)挖修復(fù)
3.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)
    該市中壓燃?xì)夤艿烙?997年建設(shè)并投入使用,管道采用3PE防腐層并安裝了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)。GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定,施加陰極保護(hù)后,管道陰極保護(hù)電位(相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極,CSE,以下同)應(yīng)為-850~-1200mV。為詳細(xì)地了解陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行10年后的情況,沿線選取了42個(gè)測(cè)試樁測(cè)量陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電位,結(jié)果見(jiàn)表3。其中有64.3%的管段得到有效的陰極保護(hù);23.8%的管段沒(méi)有得到有效的陰極保護(hù);11.9%的管段處于過(guò)保護(hù)狀態(tài),可能因此而引起防腐層剝離甚至導(dǎo)致管道氫脆。
表3 陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
陰極保護(hù)電位/mV
>-850
-850~-1200
<-1200
測(cè)試點(diǎn)數(shù)量/個(gè)
10
27
5
所占比例/%
23.8
64.3
11.9
陰極保護(hù)狀況
欠保護(hù)
得到有效保護(hù)
過(guò)保護(hù)
4 直接檢測(cè)
    直接檢測(cè)的目的是確定間接檢測(cè)結(jié)果的嚴(yán)重程度并進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)管體的腐蝕情況。該階段要進(jìn)行的主要工作有:地面檢測(cè)結(jié)果異常點(diǎn)的處理優(yōu)先級(jí)排序,開(kāi)挖具有腐蝕活動(dòng)的管段、采集數(shù)據(jù)并檢測(cè)外防腐層破損點(diǎn)和管體腐蝕缺陷,剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià),腐蝕原因分析等。
4.1 優(yōu)先級(jí)排序
    對(duì)間接檢測(cè)結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定其中的缺陷點(diǎn)及位置,并根據(jù)其當(dāng)前的嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢(shì)和歷史資料來(lái)確定進(jìn)行直接檢測(cè)的優(yōu)先順序。對(duì)于正在發(fā)生的、隨時(shí)可能對(duì)管道造成威脅的缺陷應(yīng)列為立即維修等級(jí);對(duì)于可能發(fā)生的、暫時(shí)不會(huì)對(duì)管道造成威脅的缺陷列為計(jì)劃維修等級(jí);對(duì)于發(fā)生可能性小、對(duì)管道造成威脅較小的缺陷列為監(jiān)控等級(jí)。
4.2 開(kāi)挖驗(yàn)證
    開(kāi)挖的目的是為了收集足夠的數(shù)據(jù)來(lái)確定管道上可能存在的腐蝕缺陷特征,并驗(yàn)證間接檢測(cè)的有效性。該環(huán)節(jié)是整個(gè)直接評(píng)價(jià)過(guò)程中最困難和昂貴的一環(huán),良好的預(yù)評(píng)價(jià)和間接檢測(cè)結(jié)果可使開(kāi)挖數(shù)量最小化[7]
    依據(jù)間接檢測(cè)結(jié)果和ECDA方法確定的開(kāi)挖檢驗(yàn)先后順序,按照一定的比例在各類缺陷點(diǎn)中共選擇了15個(gè)開(kāi)挖點(diǎn),其中一類缺陷點(diǎn)8個(gè),二類缺陷點(diǎn)3個(gè),三類缺陷點(diǎn)4個(gè)。在開(kāi)挖前后、開(kāi)挖過(guò)程中及剝除防腐層之前,按照ECDA要求進(jìn)行下列工作:測(cè)量管地電位和土壤電阻率、拍攝照片、收集管道完整性評(píng)價(jià)所需的其他數(shù)據(jù)、檢查外防腐層破損狀況、確定外防腐層缺陷類型、測(cè)量外防腐層厚度、評(píng)價(jià)外防護(hù)層粘結(jié)性能、確定腐蝕缺陷尺寸等。
    對(duì)開(kāi)挖處的防腐層缺陷點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)及分析表明:開(kāi)挖處防腐層缺陷點(diǎn)的間接檢測(cè)準(zhǔn)確率為100%。管體質(zhì)量總體上較好,個(gè)別管段有管體腐蝕現(xiàn)象。使用超聲波測(cè)厚儀對(duì)管道剩余壁厚進(jìn)行測(cè)量,但未見(jiàn)管段壁厚明顯減薄跡象。
4.3 剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)
    ECDA要求對(duì)腐蝕缺陷發(fā)生處進(jìn)行缺陷的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià),以確定管道的最大允許工作壓力和當(dāng)前工作壓力下的臨界缺陷尺寸。計(jì)算剩余強(qiáng)度的常用方法有:美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)ASME B31G《腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)估手冊(cè)》及其修訂版RSTRENG和挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)DNV RP-F101《腐蝕管道評(píng)估的推薦做法》等。
    通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),管道的外防腐層整體狀況較好,加上犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù),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(guī)定,無(wú)須對(duì)被檢測(cè)管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)。
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(jí)別,大部分環(huán)境土壤細(xì)菌腐蝕傾向?yàn)?ldquo;較弱”級(jí)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(duì)應(yīng)的埋地鋼質(zhì)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(diǎn)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(huì)加劇腐蝕。部分管段陰極保護(hù)電位不足,管道得不到有效的保護(hù),也是造成管道腐蝕的重要原因之一。
5 后評(píng)價(jià)
    后評(píng)價(jià)是對(duì)上述3個(gè)步驟作出的總結(jié)。通過(guò)對(duì)間接檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖維修并驗(yàn)證間接檢測(cè)的準(zhǔn)確性;測(cè)量開(kāi)挖點(diǎn)處燃?xì)夤艿栏g缺陷尺寸,確定管道缺陷的嚴(yán)重程度,對(duì)管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)管道剩余壽命;確定再檢測(cè)的時(shí)間間隔,根據(jù)間接檢測(cè)結(jié)果制定維修方案。后評(píng)價(jià)是對(duì)整個(gè)ECDA過(guò)程進(jìn)行有效性驗(yàn)證,為燃?xì)夤艿劳暾怨芾磉M(jìn)行性能測(cè)試。
    在該市中壓管道直接檢測(cè)過(guò)程中,開(kāi)挖驗(yàn)證沒(méi)有發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷并對(duì)防腐層缺陷點(diǎn)進(jìn)行了修復(fù),因此,剩余壽命按照管道設(shè)計(jì)壽命計(jì)算。對(duì)于陰極保護(hù)電位未達(dá)標(biāo)的管段,須加強(qiáng)保護(hù)措施且應(yīng)定期檢測(cè)管道陰極保護(hù)狀況,檢測(cè)周期不超過(guò)0.5年,以監(jiān)控管道受保護(hù)效果;定期調(diào)查管道沿線土壤的腐蝕性,調(diào)查周期為1年,以監(jiān)控管道腐蝕狀態(tài);定期進(jìn)行腐蝕檢測(cè),該中壓燃?xì)夤艿酪堰\(yùn)行逾10年,根據(jù)CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》[10]的有關(guān)規(guī)定,建議下一次防腐層定期檢測(cè)周期為3年。
6 結(jié)語(yǔ)
    管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)是一種綜合的完整性評(píng)價(jià)方法,可以根據(jù)管道實(shí)際情況選擇合適的間接檢測(cè)方法,靈活地使用該方法使其在實(shí)際應(yīng)用中不斷發(fā)展和完善。它比內(nèi)檢測(cè)、壓力試驗(yàn)和內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法更適用于城市燃?xì)夤艿?,但前提是收集大量的真?shí)數(shù)據(jù)、合理地選擇間接檢測(cè)方法。管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)結(jié)果可作為城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼目煽恳罁?jù),據(jù)此制定管道的維修方案和預(yù)防措施。
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(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(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)