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定向鉆穿越段管道陰極保護效果檢測及影響因素分析

2021-08-11 10:36:06 作者：李平來源：腐蝕與防護分享至：

管道采用定向鉆方式施工時，在回拖過程中，特別是在巖石地層中，常出現孔洞不圓滑、控向精度較低等問題，會導致防腐蝕層發生破損，有時甚至會露出金屬管體，這種損傷一般是不可修復的。定向鉆穿越段管道不可避免會發生防腐蝕層破損，因此，保證定向鉆穿越段管道陰極保護的有效性，防止其發生腐蝕尤其重要。

針對定向鉆管道陰極保護有效性的檢測方法，國內外開展了大量研究工作，但目前尚不能直接檢測定向鉆管道的保護電位，多采用在定向鉆兩側鉆制深井放置試片，或采用防腐蝕層面電阻率/電導率測試方法對定向鉆管道的陰保情況和防腐蝕層狀況進行間接評價。

某管道公司共有456處管道為定向鉆穿越管道，其陰保有效性的評價工作是該公司的重要工作之一。下面技術人員將采用多種方法對其中一處定向鉆穿越段管道的陰極保護有效性進行檢測評價，并采用數值模擬計算技術，對定向鉆管道的陰極保護效果及影響因素進行研究，以期為類似管道的陰保效果評價提供借鑒。

1 定向鉆管道基本情況

圖1 定向鉆穿越段管道與陰極保護站相對位置示意圖

如圖1所示，本工作中定向鉆管道的穿越段長度約為630m，穿越類型為河流，定向鉆穿越段管道最大埋深為10.5m，防腐蝕層為3PE，非定向鉆段管道的防腐蝕層為FBE，管徑為559mm。

管道采用外加電流陰極保護方式，定向鉆段管道在36和37號測試樁中間，管段的入土點距離36號測試樁約為62m，出土點距離37號測試樁約為108m。

此管道在33和133號測試樁位置分別設置了陰保站1和陰保站2。陰保站1的恒電位儀輸出電壓為6.02V，輸出電流為6.10A，陰保電位為-1220mV；陰保站2的恒電位儀輸出電壓為3.58V，輸出電流為1.10A，陰保電位為-1150mV。

2 測試方法

密間隔電位法

采用密間隔電位法測試36~37號測試樁間管道的通斷電電位（測量位置為人員可達位置），陰保站1和陰保站2位置的恒電位儀安裝同步斷路器，斷路器設置通12s斷3s，在36號測試樁位置，將參比電極（銅/硫酸銅參比電極）放置在管道正上方，采用萬用表紅表筆接管道，黑表筆接參比電極，每隔10m測試一組通電電位和斷電電位，如圖2所示。

圖2 密間隔電位測試示意圖

極化試片法

通過極化試片法測得的斷電電位是極化試片從管道上斷開瞬間的電位。在36和37號測試樁位置測試試片的通斷電電位，測試方法見圖3。

圖3 極化試片法測試示意圖

在管道周圍埋設裸露面積為6.5cm2的極化試片，試片通過測試樁管道線與管道連接，極化24h后，采用銅/飽和硫酸銅參比電極（CSE）和萬用表，測試極化試片連接時管道的通電電位和極化試片從管道上斷開后試片的斷電電位。

3 測試結果

密間隔電位法

圖4 密間隔電位法測得定向鉆管道的通斷電電位分布圖

由圖4可見：此段管道的通電電位為-1.18~-1.11V（相對于CSE，下同），斷電電位為-1.15~-1.07V。此段管道的通斷電電位整體分布較均勻。定向鉆穿越管段入土點位置的通電電位為-1.15V，斷電電位為-1.12V，出土點位置的通電電位為-1.13V，斷電電位為-1.09V，出入土點的通斷電電位接近。在定向鉆穿越段管道上方人員可達位置，測得斷電電位也均達到-1.07V，其中，穿越池塘和河流的兩段長約200m的管段無法測得通斷電電位。密間隔電位法測試的斷電電位是管道上陰極保護系統瞬間斷電時的管地電位，代表參比電極周圍管道上破損點的綜合電位。通過密間隔電位法測得此定向鉆穿越段管道的電位均約為-1.10V，表明此段管道上破損點的綜合電位能符合陰極保護電位的準則（通電電位低于-850mV）。

極化試片法

36號測試樁處試片的通電電位-1.140V，斷電電位-1.112V，試片電流密度0.306A/m2；37號測試樁處試片的通電電位-1.151V，斷電電位-1.106V，試片電流密度0.227A/m2。

可見兩個測試樁試片的斷電電位能達到約-1.10V，測試結果與密間隔電位法測得結果接近。在36號和37號測試樁附近面積為6.5cm2的防腐蝕層破損點位置的極化電位均能達到-1.10V，能達到有效的保護狀態。

土壤電阻率測試

土壤電阻率是陰極保護數值模擬的重要參數，采用溫納四極法測試穿越段管道附近不同深度土壤的電阻率，結果顯示0~10m深處的平均土壤電阻率為1.26~2.51Ω·m，土壤電阻率整體較低，分層土壤電阻率測試結果顯示，8~10m深處的土壤電阻率最低，為0.5Ω·m。

數值模擬計算

基于數值模擬計算技術，利用已有的管道基本參數和土壤電阻率測試結果，采用Beasy軟件對定向鉆穿越位置管道的極化電位進行數值模擬，分析本工作中定向鉆穿越段無法測試管段的陰保效果。結果表明，此段管道的電位整體均約為-1.10V，穿越池塘和河流段管道的電位沒有明顯的衰減，和穿越段前后的接近。

4 穿越段管道陰極保護效果影響因素

為了研究穿越段管道陰極保護電位的影響因素，采用數值模擬軟件，建立定向鉆穿越管道的理論模型，模型的各項參數如圖5所示，通過改變試驗條件，計算管道防腐蝕層質量、土壤電阻率、管道埋深等參數對陰保電位的影響。

圖5 定向鉆穿越工程管道示意圖

非穿越段與穿越段管道的服役環境是不同的。非穿越段管道多服役于土壤環境，電阻率較大；穿越段管道多服役于河水或河泥環境，電阻率較小。因此本工作建立了電阻率分層模型，非穿越段管道所處環境的電阻率為100Ω·m，穿越段的為1Ω·m；各段管道的防腐蝕層在理想情況下為3PE涂層，并且是完好不發生破損的；采用的陰保方式為外加電流，通電點位置設置電位為-1150mV，利用Beasy軟件進行數值模擬計算，管道陰保電位分布模擬結果如圖6所示。

圖6 管道電位分布模擬結果

由圖6可見：管道電位為-1135.6~1150mV，達到了-850mV 的保護要求。近陽極附近的管道電位最負，隨著與陽極距離的增加，電位值逐漸正移。在穿越段，因為土壤電阻率不同，管道電位負向偏移，但是整體分布均勻。

管道防腐蝕層性能的影響

根據經驗，管道防腐蝕層的性能是影響管道陰保電位分布非常重要的因素，且定向鉆穿越段管道的防腐蝕層極易受到損壞，是本工作關注的重點。因此，本工作考察了穿越段管道防腐蝕層性能差異對管道電位分布的影響。

計算模型不變，環境介質電阻率仍為分層模型：非穿越段的為100Ω·m，穿越段的為1Ω·m。管道防腐蝕層狀況如下：非穿越段管道防腐蝕層為3PE涂層且無破損，穿越段管道防腐蝕層破損率為0.001%~20%，陰極保護系統采用恒電位控制（最負點控制電位均保持在-1150mV）。

圖7 穿越段管道防腐蝕層破損率對管道電位分布的影響（模擬計算結果）

由圖7可見：隨著管道防腐層破損率的增大，管道電位分布越來越不均勻，電位發生正向偏移，保護效果下降。當破損率小于2%時，管道電位均達到了-850mV的要求；當破損率為5%~20%時，均只有一段管道達到保護，經計算保護距離分別為1.75，0.95，0.75km。穿越段管道電位隨著防腐蝕層破損率的增加越來越正。在保證最負點電位恒定的情況下，穿越段管道防腐蝕層性能變差，會對管道上電流的分布產生明顯影響，這會導致防腐蝕層性能較好部分管道的保護電位分布相當不均勻。

土壤電阻率的影響

模型不變，土壤電阻率仍采用分層模型，管道防腐蝕層狀況分以下三種情況：

①管道整體為3PE防腐蝕層無破損；

②非穿越段管道為3PE無破損、穿越段的為2%防腐蝕層破損率；

③非穿越段管道防腐蝕層破損率為0.1%、穿越段管道防腐蝕層破損率為2%。

本工作考察了陰保電源系統采用恒電位（最負點控制電位為-1150mV）控制下，管道電位分布隨著土壤電阻率變化的情況，土壤電阻率設為1Ω·m和5Ω·m。

（a）防腐蝕層狀況① （b）防腐蝕層狀況②

（c）防腐蝕層狀況③

圖8 穿越段土壤電阻率對管道電位分布影響的計算結果

由圖8可見：當管道防腐蝕層性能整體較好時，改變土壤電阻率幾乎不引起管道電位發生變化。當穿越段管道防腐蝕層的質量下降，隨著土壤電阻率的增大，管道電位分布的不均勻性增加，非穿越段管道的電位變負，而穿越段管道的電位變正，這是不同質量防腐蝕層聯合保護的結果。

圖9 陰極保護系統等效電路圖

通常來說，涂層性能良好，涂層電阻較大，如圖9所示，Ra為陽極極化電阻，Rx為土壤介質電阻，R1為好涂層電阻，Rc1為其極化電阻，R2為差涂層電阻，Rc2為差涂層極化電阻。由于R1+Rc1遠大于R2+Rc2，所以隨著Rx的增大，（R1+Rc1+Ra+Rx）/（R2+Rc2+Ra+Rx）的值將減小，則流經R1+Rc1+Ra+Rx的電流將增大。因此，完好防腐蝕層的管道電位將變負，而破損防腐蝕層因電流減小，管道電位變正。隨著穿越段土壤電阻率的增加，防腐蝕層完好或破損管道的管道電位分布都越來越不均勻，且當管道防腐蝕層性能整體較差時，隨著土壤電阻率的增大，穿越段管道的管道電位變正。

穿越段管道埋深的影響

本工作中，穿越段管道的最大埋深分別取8，10，15ｍ，其他參數不變。各段管道的防腐蝕層均為無破損3PE涂層，非穿越段管道服役環境的電阻率為100Ω·m，穿越段的電阻率為1Ω·m。計算時，保持陰保系統的輸出電流不變。