定向鉆穿越段管道陰極保護(hù)效果的檢測及影響因素

李 平

(國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運有限公司，徐州 221008)

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(xiàn)孔洞不圓滑、控向精度較低等問題，會導(dǎo)致防腐蝕層發(fā)生破損，有時甚至?xí)冻鼋饘俟荏w，這種損傷一般是不可修復(fù)的[1-2]。定向鉆穿越段管道不可避免會發(fā)生防腐蝕層破損，因此，保證定向鉆穿越段管道陰極保護(hù)的有效性，防止其發(fā)生腐蝕尤其重要[3-4]。

針對定向鉆管道陰極保護(hù)有效性的檢測方法，國內(nèi)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(hù)電位，多采用在定向鉆兩側(cè)鉆制深井放置試片，或采用防腐蝕層面電阻率/電導(dǎo)率測試方法對定向鉆管道的陰保情況和防腐蝕層狀況進(jìn)行間接評價[6-9]。

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。本工作采用多種方法對其中一處定向鉆穿越段管道的陰極保護(hù)有效性進(jìn)行檢測評價，并采用數(shù)值模擬計算技術(shù)，對定向鉆管道的陰極保護(hù)效果及影響因素進(jìn)行研究。以期為類似管道的陰保效果評價提供借鑒。

1 定向鉆管道的基本情況

如圖1所示，本工作中定向鉆管道的穿越段長度約為630 m，穿越類型為河流，定向鉆穿越段管道最大埋深為10.5 m，防腐蝕層為3PE，非定向鉆段管道的防腐蝕層為FBE，管徑為559 mm。管道采用外加電流陰極保護(hù)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62 m，出土點距離37號測試樁約為108 m。此管道在33和133號測試樁位置分別設(shè)置了陰保站，2個陰保站的恒電位儀運行情況見表1。

表1 恒電位儀運行情況表Tab. 1 Operation of constant potential instrument

圖1 定向鉆穿越段管道與陰極保護(hù)站相對位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of relative position of pipeline and cathodic protection station in directional drilling crossing section

2 測試方法

2.1 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(dá)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(shè)置通12 s斷3 s，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10 m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Fig. 2 Schematic diagram of close-interval potential survey

2.2 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。在管道周圍埋設(shè)裸露面積為6.5 cm2的極化試片，試片通過測試樁管道線與管道連接，極化24 h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。

圖3 極化試片法測試示意圖Fig. 3 Schematic diagram of coupon test method

3 結(jié)果與討論

3.1 密間隔電位法測試結(jié)果

由圖4可見：此段管道的通電電位為-1.18 V～-1.11V(相對于CSE，下同)，斷電電位為-1.15～-1.07 V。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-1.15 V，斷電電位為-1.12 V，出土點位置的通電電位為-1.13 V，斷電電位為-1.09 V，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(dá)位置，測得斷電電位也均達(dá)到-1.07 V，其中，穿越池塘和河流的兩段長約200 m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(hù)系統(tǒng)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-1.10 V，表明此段管道上破損點的綜合電位能符合陰極保護(hù)電位的準(zhǔn)則(通電電位低于-850 mV)。

圖4 密間隔電位法測得定向鉆管道的通斷電電位分布圖Fig. 4 On-off potential distribution of directional drilling pipeline tested by close-interval potential survey

3.2 極化試片法測試結(jié)果

由表2可見：2個測試樁試片的斷電電位能達(dá)到約-1.10 V，測試結(jié)果與密間隔電位法測得結(jié)果接近，測試結(jié)果表明，在36號和37號測試樁附近面積為6.5 cm2的防腐蝕層破損點位置的極化電位均能達(dá)到-1.10 V，能達(dá)到有效的保護(hù)狀態(tài)。

表2 36和37號測試樁處試片的通斷電電位Tab. 2 On-off potentials of test pieces at test piles 36 and 37

3.3 土壤電阻率測試結(jié)果

土壤電阻率是陰極保護(hù)數(shù)值模擬的重要參數(shù)，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。由表3可見：0～10 m深處的平均土壤電阻率為1.26～2.51 Ω·m，土壤電阻率整體較低，分層土壤電阻率測試結(jié)果顯示，8～10 m深處的土壤電阻率最低，為0.5 Ω·m。

表3 土壤電阻率測試結(jié)果Tab. 3 Test results of soil resistivity

3.4 數(shù)值模擬計算結(jié)果

基于數(shù)值模擬計算技術(shù)，利用已有的管道基本參數(shù)和土壤電阻率測試結(jié)果，采用Beasy軟件對定向鉆穿越位置管道的極化電位進(jìn)行數(shù)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(jié)果表明，此段管道的電位整體均約為-1.10 V，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。

3.5 穿越段管道陰極保護(hù)效果的影響因素

為了研究穿越段管道陰極保護(hù)電位的影響因素，采用數(shù)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(shù)如圖5所示，通過改變試驗條件，計算管道防腐蝕層質(zhì)量、土壤電阻率、管道埋深等參數(shù)對陰保電位的影響。

圖5 定向鉆穿越工程管道示意圖Fig. 5 Pipeline diagram of directional drilling crossing project

非穿越段與穿越段管道的服役環(huán)境是不同的。非穿越段管道多服役于土壤環(huán)境，電阻率較大；穿越段管道多服役于河水或河泥環(huán)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(huán)境的電阻率為100 Ω·m，穿越段的為1 Ω·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(fā)生破損的；采用的陰保方式為外加電流，通電點位置設(shè)置電位為-1 150 mV，利用Beasy軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，管道陰保電位分布模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 管道電位分布模擬結(jié)果Fig. 6 Simulation results of pipeline potential distribution

由圖6可見：管道電位為-1 135.6～1 150 mV，達(dá)到了-850 mV的保護(hù)要求。近陽極附近的管道電位最負(fù)，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(fù)向偏移，但是整體分布均勻。

3.5.1 管道防腐蝕層性能的影響

根據(jù)經(jīng)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(guān)注的重點[5]。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(huán)境介質(zhì)電阻率仍為分層模型：非穿越段的為100 Ω·m，穿越段的為1 Ω·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(hù)系統(tǒng)采用恒電位控制(最負(fù)點控制電位均保持在-1 150 mV)。

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(fā)生正向偏移，保護(hù)效果下降。當(dāng)破損率小于2%時，管道電位均達(dá)到了-850 mV 的要求；當(dāng)破損率為5%～20%時，均只有一段管道達(dá)到保護(hù)，經(jīng)計算保護(hù)距離分別為1.75,0.95,0.75 km。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(fù)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(chǎn)生明顯影響，這會導(dǎo)致防腐蝕層性能較好部分管道的保護(hù)電位分布相當(dāng)不均勻。

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(jié)果)Fig. 7 Effect of damage rate of anticorrosive layer of crossing pipeline on potential distribution of pipeline (Result of simulation calculation)

3.5.2 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(tǒng)采用恒電位(最負(fù)點控制電位為-1 150 mV)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(shè)為1 Ω·m和5 Ω·m。

由圖8可見：當(dāng)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(fā)生變化。當(dāng)穿越段管道防腐蝕層的質(zhì)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(fù)，而穿越段管道的電位變正，這是不同質(zhì)量防腐蝕層聯(lián)合保護(hù)的結(jié)果。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(zhì)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(yuǎn)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(jīng)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(fù)，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(dāng)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。

(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9 陰極保護(hù)系統(tǒng)等效電路圖Fig. 9 Equivalent circuit diagram of cathodic protection system

3.5.3 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8，10，15 m，其他參數(shù)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(huán)境的電阻率為100 Ω·m，穿越段的電阻率為1 Ω·m。計算時，保持陰保系統(tǒng)的輸出電流不變。

由圖10可見：隨著穿越段管道埋深的增大，管道電位分布幾乎沒有發(fā)生變化。

圖10 穿越段管道埋深對管道電位分布影響的計算結(jié)果Fig. 10 Calculation results of the influence of pipeline buried depth on pipeline potential distribution in crossing section

4 結(jié)論

(1) 密間隔電位法和試片法測試結(jié)果均顯示，本工作定向鉆穿越段管道的斷電電位約為-1.0 V，管道的陰極保護(hù)效果良好，穿越段管道的管道電位分布較均勻，電位衰減小。

(2) 穿越段管道防腐蝕層破損率越大，管道電位分布越不均勻，管道電位越正，管道整體的保護(hù)效果越差。隨著防腐蝕層破損率的增加，穿越段管道的管道電位正移，會對管道上電流的分布產(chǎn)生明顯影響，導(dǎo)致防腐蝕層性能較好的部分管道保護(hù)電位分布相當(dāng)不均勻。

(3) 隨著穿越段土壤電阻率的增加，管道整體電位的分布越來越不均勻，當(dāng)穿越段管道的防腐蝕層質(zhì)量較差時，土壤電阻率的增加會造成管道電位正向偏移。