电压降法在水平定向钻穿越管道外涂层评价中的应用研究

尹 安 刘兆鹏 于海昆 王 亮 马光皎 王翔东

（青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

油气管道途径铁路、高速公路、大中型江河等复杂地况时，经常采用水平定向钻机将穿越管段按照设计轨迹通过障碍物的水平定向钻穿越（HDD）敷设。地下障碍物如碎石、砾岩难免会磨损和刮伤管道防腐层，甚至造成贯穿性损伤，暴露管道本体，从而导致外涂层防腐性能的降低或失效，增加管道腐蚀风险和安全隐患。

受常规防腐层检测方法应用条件的限制，国内外对水平定向钻穿越管道外涂层评价主要通过电流-电位法、电流密度法等馈电试验方法。GB 50254-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》6.3.6规定：穿越施工完成后需要对穿越段外涂层电导率进行测试，测试宜在穿越完成15d后且穿越段管道与主管线连接前进行；新建管线穿越段外涂层标称电导率不应大于200μS/m2或外涂层绝缘电阻率不应小于5000Ω·m2，同时应加强阴极保护并在两端追加必要的阴极保护措施[1]。

当穿越段管道两端连头之后，保护面积增大，管线整体达到保护电位所需的馈电电流远大于穿越段管道阴极极化电流。通过电压降法可以计算管道穿越点、出土点管中电流的大小，变化值为穿越段管道达到阴极保护电位需要的极化电流。

1 电流-电位法

电流-电位法又称馈电试验法，即在穿越管段一端设置临时阴极保护系统，给管道施加馈电电流并控制穿越两端断电电位在-0.85～-1.05V之间，通过测试两端电流的衰减和电位的变化来计算管道穿越段外涂层的绝缘电阻率。

1.1 测试步骤

电流-电位法测试水平定向钻穿越管道外涂层绝缘电阻率接线如图1所示，测试步骤分为以下五步：

（1）馈电位置选择。馈电点距测试点应大于300m，断开所有与穿越管道电连接的牺牲阳极、接地体，测试穿越两端的自腐蚀电位和土壤电阻率；

（2）测试设施安装。每处测试点设置极化探头或便携参比电极1支，若无可用的测试阀井，管道上另需焊接测试线；

（3）临时阴极保护系统安装。辅助阳极距离管道不小于100米，接地电阻尽量小，必要时采取降阻措施。电源正极接阳极地床，负极接管道，临时电源采用2支12V蓄电池或汽油发电机，根据实际电流大小安装电阻调节器；

（4）管道电位极化。接通临时阴极保护电源并调节输出电流，确保电流输出稳定，管道充分极化，通电点没有过保护，Ua,b off 控制在-0.85～ -1.05V之间；

（5）馈电参数记录。记录电源输出电流、测试点通断电电位，重复3次。

1.2 计算过程[2]

（1）依据图1，测试点a和b的电位变化按下公式计算：

图1 电流-电位法测试水平定向钻穿越管道外涂层绝缘电阻率接线示意图

（2）电位变化比按下式计算：

1）当电位变化比k在0.625～1.6之间时，采用通用法计算评价。两端电位变化的算术平均值认为是管道穿越段的平均电位变化，按下式计算：

2）当电位变化比k不在0.625～1.6之间时，采用电位或者电流衰减方法评价，计算式如下：

电位衰减法：

电流衰减法：

式中：L为测试点a和b之间的距离（m）；α为所测管段的衰减系数。

管段穿越段的电导按下式计算：

式中：r为单位长度管段的纵向电阻（Ω）；g为所测管段漏失电导（S）；α为所测管段的衰减 系数；

（3）平均电导按下式计算：

式中：G为穿越段管道涂层的平均电导（S/m2）；A为穿越段管道的表面积πdL（m2），L为管道穿越长度（m）；

（4）穿越段管底深度的平均土壤电阻率按下式计算：

（5）标称电导率的计算

在1000Ω·cm特定土壤电阻率中的涂层电导率，为标称电导率，计算式如下：

式中：Gn为标称电导率（μS/m2）；G为穿越段涂层的单位平均电导（S/m2）；

（6）外涂层绝缘电阻率R1000的计算

式中：R1000为外涂层绝缘电阻率（Ω·m2）。

1.3 外涂层质量评级标准

依据标准NACE TM 0102-2002《Measurement of Protective Coating Electrical Conductance on Underground Pipelines》和GB 50424-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》规定，外涂层质量评估分级如表1 所示。

表1 标称电导率/绝缘电阻率与外涂层质量比照表

2 电流密度法

被保护结构物单位面积上流入的电流，称为保护电流密度；达到最小保护电位-0.85V（CSE）所需的阴极极化电流密度称之为最小保护电流密度[3]。外涂层绝缘电阻率越大，所需要的保护电流越少，电流密度越小。反之当管道存在金属搭接、绝缘法兰（接头）失效、防腐层破损、外涂层劣化等腐蚀问题时，达到保护电位需要较多的极化电流，电流密度越大。电流密度法测试水平定向钻穿越管道外涂层绝缘电阻率接线如图2所示。

图2 电流密度法测试水平定向钻穿越管道外涂层绝缘电阻率接线示意图

2.1 计算过程

（1）保护电流密度计算公式为：

（2）极化电位偏移100mV时，保护电流密度计算公式为：

式中：J为电流密度（μA/m2）；J100mV为极化电位偏移100mV电流密度μA/（m2·mV）；I为极化电流（μA）；L为穿越距离（m）；D为管道直径（m）；Uoff为断电电位（mV）；U自为自腐蚀电位（mV）。

2.2 电流密度评级标准

HDD管道最小保护电流密度（断电-0.85V/CSE）与外涂层质量评级如表2所示。

3 电压降法

电流沿管道纵向传输过程中呈不断衰减趋势。管道纵向电阻越小、外涂层对地散流电阻越大，所需的保护电流越少，阴极保护范围越广。完全绝缘的外涂层是不存在的，电流在涂层材料中流动会产生电压降，ab段回路电阻为该管段电压降与管内电流的比值。由于埋地阳极地床接地电阻较小，回路电阻大致为ab管段的外涂层电阻。电压降法测量接线如图3所示。

图3 电压降法测量接线示意图

3.1 适用条件

电压降法适用于具有良好外涂层的管道，被测管段ab之间不得有法兰盘、接地体、牺牲阳极、分流支管，并且已知管径、壁厚、长度、管材电阻 率[4]。穿越端Lab、出土端Lcd间距不小于30m，测试点之间的电位差不小于50μV。

3.2 计算过程

管内电流计算公式为：

式中：Iab为ab段管内电流（A）；Uab为ab段电压降（V）；D为管道外径（mm）；δ为管道壁厚（mm）；ρ为管材电阻率（Ω·mm2/m）；Lab—ab段管道长度（m）；

IHDD为HDD管内电流（A）；I穿越为ab段管内电流（A）；I出土为cd段管内电流（A）。

对测量区间有影响的保护电源应安装同步断续器，给管道提供一个通12s、断3s的保护电流，可采用“瞬间断电法”测量各测试点的通断电电位。否则需要在测试点处安装极化探头，采用“极化探头法”测试。电压降法测试水平定向钻穿越管道管内电流接线如图4所示。

图4 电压降法测试水平定向钻穿越管道管内电流接线示意图

4 工程实例

某高压天然气管道材质为L360螺旋埋弧焊钢管，规格为Φ323×8mm，三层聚乙烯（3LPE）结构加强级防腐层，管道敷设已有9年，水平定向钻穿越黄河。穿越管段长1.8km，管道埋深18m，深度超过仪器的检测范围，常规的检测方法无法评估管道外涂层的防腐性能。

在黄河北岸（N）安装临时外加电流阴极保护系统进行馈电试验，按照1.1步骤对黄河穿越段的外涂层绝缘电阻率测试评估，测试点设置如图5所示。

图5 黄河穿越管段外涂层绝缘电阻率测试点分布图

通过深坑开挖测定电流分流大小，测试结果如下，管道参数如表3所示。

表3 （续）

表3 黄河水平定向钻穿越段管道外涂层参数表

黄河北岸开挖点的间距d1-2长30m，测试点的电位差Ua为0.4mV；黄河南岸开挖点的间距d3-4长38m，测试点的电位差Ub为0.5mV。

穿越点电流大小：

出土点电流大小：

管内电流变化：

电位变化比：

平均电位变化：

平均电导：

平均土壤电阻率：

标称电导率：

外涂层绝缘电阻率：

保护电流密度：

5 评价影响因素

（1）轴向电位

电压降法应用的前提条件是极化电流在单一土壤层中以管道为中心轴向分布，均匀衰减。但由于水平定向钻穿越管道途径河流、砂土层、岩石层等多种介质层环境，这就导致低电阻率土壤中的管道优先极化甚至过度极化，而高电阻率岩石层中的管道极化较慢或部分极化[5]。介质层环境的急剧变化导致极化电流分布不再遵循均匀衰减的规律，穿越段管道水平轴向电位差异较大；

（2）电流屏蔽

水平定向钻穿越高电阻率片岩时，绝缘屏障层会导致部分管道出现电流屏蔽效应。绝缘屏障层与涂层管道之间即使具备水、土壤等电解质环境，测试电流却不能完全通过屏障层到达涂层缺陷位置。电屏蔽导致馈入管道的极化电流值往往比真实值要小，外涂层绝缘电阻率测试值偏大；

（3）土壤电阻率

表征水平定向钻穿越管道外涂层绝缘性能优劣的主要因素是缺陷点的大小和数量[6]。但盐度较高的介质层土壤电阻率极低，换算成标称外涂层绝缘电阻率R1000数值往往几十倍甚至近百倍的增加，成为影响评价结果的关键性因素。另外穿越管道敷设环境通常是泥浆，泥浆的土壤电阻率与地表测试结果偏差很大；

（4）动态杂散电流

动态杂散电流大小和方向随时变化，当水平定向钻穿越管道受其影响时，出入土两端可能是杂散电流流入点（阴极区）、流出点（阳极区）或既有流入又有流出（交变区）。即使同时测试两端的管内电流和管地电位也不能完全消除动态杂散电流的干扰影响，测试值非真实值。

6 结语

（1）通过馈电试验联合电压降法计算可知：黄河水平定向钻穿越管道标称电导20.91μS·m-2，绝缘电阻率47824.01Ω·m2，保护电流密度5.6246μA/m2，外涂层质量评级为“优”，满足GB 50254-2015的要求；

（2）水平定向钻连头之前需要在出土端回拖2个完整管节进行目视检查和电火花检测，外涂层应平滑、无漏点、无贯穿性损伤。水平定向钻穿越管道施工过程中难免存在防腐层损伤，受限于管道埋深较深，外涂层缺陷普遍无法修复，此时应加强区域阴极保护并在两端追加必要的阴极保护措施；

（3）电压降法基于电流-电位馈电试验法，评价影响因素较多，应对测试参数加权处理，保证评价结果的真实、准确。