埋地燃气钢管安全评估检测技术探讨及实践

2012-02-07阳泉市煤气公司吕志斌赵晓峰俞铮

上海煤气 2012年3期

阳泉市煤气公司吕志斌赵晓峰俞铮

山东正元地理信息工程有限责任公司雷斌

0 前言

2011年，按照《山西省城镇燃气管网安全评估报告编制提纲》的要求，阳泉市煤气公司会同山东正元地理信息工程有限责任公司，完成了《阳泉市煤气公司埋地燃气管网安全运行评估报告》，作为阳泉市煤气公司的项目负责人，就该项工作的前期考察学习及实际编制检测经验，对燃气管网安全评估检测技术总结讨论如下，供燃气同行借鉴。

1 检测项目及方法

1.1 管道防腐层绝缘性能评估

目前，国内外对防腐层检测多采用电磁法，从原理上具体可分为电压梯度法和电流梯度法两种方法。本文论述的检测方法为多频管中电流法，使用的仪器是英雷迪生产的 RD-PCM管道电流测试仪。由三部分组成，如图1所示：

图1 RD-PCM管道电流测试仪示意

仪器发射功率：150 W；发射频率：4 Hz、8 Hz、 128 Hz和640 Hz；量程：100 mA、300 mA、600 mA和1 000 mA。

接收机配有磁力仪(磁靴)用于检测近直流的发射频率；A形架用来进行破损点定位。

多频管中电流法有以下特点：在非开挖的情况下对管道进行检测，不但可以对检测管道进行探测，而且还可以准确的查出破损点的位置；利用该法算出的管道防腐层绝缘电阻是该段管道的防腐层绝缘电阻(Ω·m2)的平均值；两种检测方法(电流梯度法和地面电场法)相互印证；管道探测、防腐层检测可同时进行，测量方法简便适于野外作业，测量的数据可用微机进行处理。

管道防腐层绝缘性能是衡量防腐层质量好坏的重要标志，测试时由RD-PCM管道电流测绘仪的发射机向目标管线上发射低频的检测电流，电流沿管道流动并随着距离增加而有规律地率减，在防腐层较差的管段，电流流失较大。测试过程中，沿管道上方地面上用 RD-PCM接收机测量一组电流值I，逐点记录检测点距离Xi及电流值Ii，将此数据输入计算机便可进行计算处理。多频管中电流法计算方法如下：

式中：Y—电流变化率；

IdB—X点的电流，A；

a—率减系数；

X—测量点到原点的距离，m；

Ф—管道外径，mm；

P—管壁厚度，mm；

ρ—管道钢材的电阻率，Ω·m；

f—检测电流频率，Hz；

R—管道纵向电阻，Ω；

Rg—防腐层绝缘电阻，Ω·m2；

C—管地分布电容，μF/m；

L—管道自感，mH/m。

从(1)、(2)两式可看出：通过测量管道电流及距离就可以计算出防腐层的绝缘电阻。

我国《埋地钢质管道沥青防腐层大修理技术规定》(SY/T 5918—2004)，对计算结果参照表一进行防腐层质量评价，见表1。

表1 管道外防腐层绝缘电阻值的质量分级

1.2 防腐层破损点检测

对破损点采用RD-PCM管道电流测绘仪配合A型架进行精确定位。先用RD-PCM管道电流测绘仪的发射机对管道施加低频电流信号，用RD-PCM管道电流测绘仪接收机的“FF”功能配合A型架进行破损点的定位。当电流施加到埋地钢质管道上时，在其周围会产生一正比于该电流的交变电磁场。当管线的防腐层出现破损时，检测信号电流会在破损点上因流入大地有额外的损耗，形成地面电场，电流读数会突然跌落，出现较大的梯度变化，说明出现管道故障：防腐层破损或与其它金属管线搭接。此时应加密测量点，为进一步确定破损点所在管道的具体部位，需要借助地面电场法(泊松法)来实现。

工作时，沿管道方向逐步检测，将A型架的地极插入土壤中进行读数，PCM接收机将自动调节信号水平，计算电流方向和分贝(dB)读数。PCM接收机面板上的电流方向即指示破损点的方向。若PCM接收机面板上的电流方向在第一个位置是向前的；而第二个位置PCM接收机面板上的电流方向是向后的，在排除分支和管线搭接的情况后，说明在这两个位置之间存在破损点。以更小的间隔进行检测，直到找到电流方向的变化点、分贝(dB)读数最低的位置。此时可以肯定破损点就在A型架的中间位置，便可进行破损点的精确定位工作。

1.3 管道沿线腐蚀环境检测

腐蚀检测主要包括两方面的内容：环境腐蚀能力评价和研究对象的腐蚀状况评价。前者根据研究对象所处环境不同，又可分为大气环境、土壤环境和海水(工业水)环境。后者根据检测地点不同，又可分为现场检测和实验室模拟实验。常用检测方法主要有：直接观察法、无损检测法和在线检测法。

埋地管线外壁遭受的腐蚀主要为土壤和环境的腐蚀。为此，埋地钢质管道的腐蚀检测主要包括：

1.3.1 土壤基本性质调查

对土壤基本性质的调查，可从宏观上评判管道遭受的自然腐蚀情况。对土壤腐蚀性的调查主要包括以下几个方面：

(1)土壤离子成分的分析。对土壤常规离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、CO32-和HCO3-)成分的分析，首先在现场取原土并密封，带回实验室后采用火焰原子吸收分析阳离子，用常规化学分析方法分析阴离子。

(2)土壤类型归类。将现场取回的土壤样品分粒，并进行归类。

(3)土壤pH测试。在实验室或现场采用校正过的pH计、玻璃电极和饱和甘汞电极进行测试。

(4)土壤含水量测试。将现场密封取回的土壤样品，采用失重法进行测试。

(5)土壤电阻率计算。土壤电阻率采用等间距四电极法，通过测定接地电阻来计算电阻率。

土壤物理化学性质影响金属腐蚀的途径或作用机理是相当错综复杂的，它的含水量、含盐量、pH值、电阻率、细菌、透气性等因素，都互相依存，互相作用，综合影响概括见表2：

表2 土壤诸因素对钢铁金属腐蚀作用的影响

1.3.2 杂散电流(电位梯度)分布情况

对埋于地下的金属管道而言，更严重的损害来自于杂散电流的电腐蚀效应。杂散电流由土壤流入管道部分是阴极，由管道流向土壤的部分是阳极，电腐蚀总是发生在金属与电解质存在的阳极区，阳极电腐蚀对金属的破坏作用相当严重，能引起管道锈蚀、腐烂穿孔，据科学测算，1 A的直流杂散电流在一根钢管上流进流出，一年内将导致大约10 kg的金属流失。直流杂散电流危害最大，交流杂散电流的腐蚀随频率增加而减小，50 Hz交流电的危害大约相当于相同强度直流电的1%。对杂散电流的方向和大小作一调查，有助于确定管道的腐蚀严重区。应对管线区附近存在的建筑物，尤其是杂散电流源进行调查。

对杂散电流的测量采用电位梯度法，直角三点法和圆周法是常用的测量方法。可以测量土壤中沿管道方向的电位差，也可以测量管道上电位的变化情况。电位差的测量在现场进行，电位梯度的计算由内业完成。

根据我国有关行业标准，电位梯度约0.5 mV/m时即认为有杂散电流的影响，电位梯度大于2.5 mV/m时认为有较严重的杂散电流影响，应该采取排流措施。

1.4 管道阴保现状检测

1.4.1 工作原理

金属在土壤中腐蚀主要为电化学过程。因金属晶粒不均匀、晶界缺陷等造成其化学不均匀性，加上土壤的电化学腐蚀环境，使得在金属—土壤相界面上形成多个腐蚀原电池，造成局部阳极为铁的溶解反应，局部阴极为氧的去极化反应：

阳极过程：Fe→Fe2++2e

阴极过程：O2+2H2O+4e→4OH-

对钢质管道进行阴极保护，是通过外加阴极电流或与一个腐蚀电位低于铁自然电位的金属(如常用的镁阳极)偶接，将管道电位降至低于局部微阳极开路电位从而抑制腐蚀的发生。

1.4.2 工作方法

管道对地电位是表征管道遭受腐蚀情况的最直观参数。进行管地电位测试时，采用便携式Cu/CuSO4参比电极(以下简称硫酸铜电极，用CSE表示)作为参比电极。所有测试连接点必须保证电接触良好，测量导线应采用铜芯绝缘屏蔽软线。

便携式参比电极在使用前应去掉电极头表面的胶皮帽，将电极头半透膜浸入用棉布袋包装的湿润牺牲阳极填包料或湿润氯化钠细颗粒中。将装有便携式牺牲阳极的棉布袋埋于管道测试点附近的潮湿土壤中，埋设深度应大于2 cm，且接触良好。

将电压表调至适宜的量程，电压表的两条输入线分别与管道测试点和便携式参比电极的导线相连，读取稳定电压值。连续测定3次，其差值应不大于0.01 V，作好记录，并注明该电位值的地点。

应用高精度毫伏表和参比电极，利用管道测试桩或出露点对施加阴极保护的管道(测保护电位)或未施加阴极保护的管道(测自然电位)电位进行测定，以得出管道对地的电位值，从而确定施加阴极保护管道的保护情况(过保护或欠保护)或确定未施加阴极保护管道的腐蚀倾向(腐蚀或未腐蚀)。

1.4.3 技术要求

根据《钢质管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准》(SY/T 0087—1995)有关规定，管线的保护电位在-0.85 V以下即认为达到了有效的阴极保护。

(1)管地电位(保护电位)：测试点为所有的出露点及测试桩，采用参比电极法测量。

(2)牺性阳极开路电位：在牺性阳极处将管道与牺性阳极断开，采用参比电极法测量。

(3)自然电位：直接测量埋在土壤中相同材质钢片，相对饱和Cu/CuSO4参比电极的电位。

1.5 漏气检测

1.5.1 漏气检测的工作原理

管道中的气体，在一定压力下从漏点冲出，沿一定的空隙(尤其是大的构造)向周围扩散，并到达地面。通过燃气检测仪与 PGC气相色谱仪，对地面渗出气体的性质、成份进行分析、对比，即可确定是否存在漏气及漏气点的大致位置。结合防腐层破损点的测量定位进一步打孔、验证即可准确确定漏气点的位置。

1.5.2 漏气点检测方法

传统的燃气管网巡检方法是沿燃气管道方向进行巡视，采取听、看、摸、闻、查等方法，借助地面塌陷、裂痕、水面冒泡、树草枯萎、积雪表面黄斑等异常现象进行分析判断是否存在燃气泄漏，或用感觉器官判断有无燃气异味、燃气泄出声响等情况判断燃气泄漏，另外就是通过对燃气管道及其两侧一定范围内的各类窨井、地下空间进行燃气泄漏检测，分析判断燃气的泄漏。

现代燃气管网巡检理念和方法发生了根本性的变化，即由过去的被动式检查转变为现在的主动式检测，从检测计划、检测仪器、检测队伍等各方面加以保证。本次阳泉市煤气公司的燃气管网漏气检测配置了专业检测组，在管道定位检测、防腐层破损点定位检测的基础上，用手推式燃气管道检漏仪，沿着燃气管道行进，对燃气管网进行了普查，收到了很好的效果。

1.5.3 气点定位的工作方法

在手推式燃气管道检漏仪进行检测中，探头吸盘紧贴地面采集气体，如果有报警信号，将探头迎风，报警消失，若反复几次都是如此，即可初步确定该地有大量不明气体或燃气泄漏疑似点存在。

利用 PGC气相色谱仪对气体进行进一步检测分析排查，确认气体属性及浓度，便可知该处是否有燃气泄漏。

在防腐层破损点检测定位的基础上，利用燃气检测仪沿着防腐层破损点在地面上投影位置的周围进行打孔(地面板结可打孔，也可寻找地面天然缝隙、孔洞)，打孔后封闭开口处，待孔内气体积聚一定时间后，用燃气检测仪检测浓度，寻找浓度最高点，如果浓度最高点与防腐层破损点位置一致，即可判断该点为漏气点，从而进行开挖维修。

1.6 管体检测

1.6.1 管道剩余厚度检测

管道剩余厚度测定方法较多，超声波测量厚度已被广泛应用，且具有较高的精度。超声波测量厚度的原理与光波测量原理相似，探头发射的超声波脉冲到达被测物体并在物体中传播，到达材料分界面时被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。在采样点测得管道的剩余厚度，与管道公称厚度比较，得出管道的内腐蚀状况及管道的腐蚀速率。

1.6.2 管道强度检测

管道剩余强度是管道风险评估中的重要指标。通过对管道进行开挖，现场用硬度计进行管道硬度测试以确定管道抗拉强度，通过对管道抗拉强度进行评估，可以计算出当前管道可承受的压力情况，在管材比较均匀，无特殊损伤的情况下可根据下列公式计算：

钢管压力=(钢管材质抗拉强度×2×壁厚)/(管道外径×安全系数)

2 检测结果及技术分析

阳泉市煤气公司为了做好本次燃气管网安全评估工作，委托山东正元地理信息工程有限公司对市区埋设年代在 20年以上的中低压燃气管网进行了检测及综合评价工作。主要检测任务是对管道的外防腐层进行绝缘电阻测试、防腐破损点检测及管道防腐状况综合评估、管道泄漏点检测，并对管网整改提出建设性意见，以采取有效措施确保燃气管网安全运行。

本次检测工程检测测管线长度 54.41 km(其中防腐钢管长度40.88 km，铸铁管道长度13.53 km)；实地定位破损点376个；对所有具备检测条件的管道全部进行了外防腐绝缘性能测试；运用手推式燃气管道检漏仪对测区内管道进行了仔细排查，经打孔与开挖验证，共检测出漏气点 19处。以下是部分检测项目及结果：

2.1 管道防腐层缺陷检测结果

该测区燃气管线共发现防腐层破损点376个，从中抽取部分破损点进行了开挖验证。

表3 防腐层破损点统计结果表(部分)

PS500中国农业银行阳泉市支行楼前和PS144氯碱厂宿舍楼开挖情况见图2、3。

图2 PS500中国农业银行阳泉市支行楼前开挖情况

图2 PS144氯碱厂宿舍楼开挖情况

2.2 管道防腐层绝缘性能检测结果

经调查，测区内管段防腐材料绝大部分采用绝缘性能较好的沥青防腐材质，但该沥青质地本身较差，且防腐层厚度较薄(大致在5 ~10 mm之间，最大厚度不超过12 mm)。部分管道焊口采用绝缘效果较差的环氧煤沥青，特别是管道弯头、三通等接口部位防腐不够缜密。

本次检测通过外业对测区内中低压干管进行电流测试，所采集数据经过PCM专业软件评估分析，部分检测结果见表4。

表4 管道分段电流评估分析表(部分)

经统计分析，市区内防腐级别为优、良的管段合计只占 10.4%，也就是说，测区内只有约十分之一的管段能刚好受到外防腐层的有效保护；约有二分之一的管段开始逐渐老化；约十分之二的管道外防腐已基本失去功效，管体处于自然腐蚀阶段。

2.3 腐蚀环境检测结果

2.3.1 土壤电阻率测试数据

表5 管道土壤电阻率数据(部分)

土壤电阻率是表征土壤导电能力的指标。在地下金属管道宏电池腐蚀过程中，极间电位差常常高达数百毫伏，而电极的可极化性大小对于腐蚀电流已不起显著作用，此时腐蚀电流的大小受电阻控制。所以，在其他条件相同的情况下，土壤电阻率愈小，腐蚀电流愈大，则土壤腐蚀性愈强。

市区土壤大多属于回填土，土壤电阻率相差较大，腐蚀性有很大差异。测区土壤电阻率数值基本在20~50 Ω×m，个别超过100 Ω×m，平均在40 Ω×m左右。从整体上考虑，应当采取就低不就高的原则，测区管道所处地段土壤腐蚀性中等。

2.3.2 土壤理化性质分析

在管道沿线随机提取了多个土壤样品，其取土位置为与其编号对应的土壤电阻率测量位置，取样点为原土，在实验室内进行了处理，结果列于表6。

表6 土壤有关理化性质数据(部分)

从土壤样品的分析来看，土壤类型为碳酸盐型和钙型风化土壤，土壤主体为中性偏碱，土壤含水量在15%左右，腐蚀性中等。

2.3.3 管道沿线杂散电流检测

本次杂散电流的测量我们采用电位梯度法，将三支校正过的参比电极(1、2、3)分别按垂直及平行管道方向置于潮湿土壤中，电极距为3 m，分别测定1~2和2~3之间的电位差，然后通过矢量合成的方法得到测试点的空间电位梯度。共测量杂散电流24处，从现场测量结果可以看出，测区燃气管道经过的地区普遍存在杂散电流影响，但大部分地段影响程度较小。

2.4 漏气检测结果

本工程采用SL-908B漏气检测仪，沿管线敷设附近地面进行漏气排查，经对浓度较高的可疑漏气点钻孔或开挖鉴别，共确定泄漏点 19处，并对漏气点进行了修补处理，泄漏点见表7。

表7 泄露点统计表(部分)

因阳泉市地处山西东部黄土高原腹地，属半干旱地区，降水偏少。经破损点开挖发现，测区内管网除了埋地较浅(1.0 m以上)的管段地处湿润的地表，易受土壤外环境腐蚀外，埋地较深(1.5 m以下)的管段因土壤环境干燥，受外环境影响较小。因此，泄漏点多发生在易受外环境腐蚀的埋深较浅的管段，特别是管道穿越下水的地段，起因大都是破损点经长期腐蚀，造成穿孔漏气。