油氣管道在通過河流、連片水塘、高速公路、海灣等特殊地理環(huán)境時，最優(yōu)的方式是水平定向鉆穿越（HDD）。隨著水平定向鉆技術(shù)的發(fā)展，穿越管道的管徑、長度和穿越深度等記錄不斷被刷新，穿越的地質(zhì)環(huán)境也越來越嚴(yán)苛。同樣隨著管道技術(shù)的發(fā)展，油氣輸送管道的直徑越來越大，管壁越來越厚，管道自重也越來越大，直徑1422mm管道達(dá)到約1t/m，這些參數(shù)的增大對水平定向鉆技術(shù)的要求也越來越高，如保持穿越管道防腐蝕層完整性。

為最大限度降低管道腐蝕穿孔引起的環(huán)境破壞和財(cái)產(chǎn)損失，穿越管道防腐蝕層質(zhì)量的評價技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，且越來越受重視。本文對國內(nèi)外幾種水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量評價方法進(jìn)行了介紹，希望為編制相應(yīng)的國家規(guī)范做準(zhǔn)備。

1  評價方法分類

目前，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量的評價方法進(jìn)行了規(guī)定。根據(jù)測試過程中所測電位的不同，這些方法分為“ON（通電）電位測試法”和“OFF（斷電）電位測試法”。

01 ON電位測試法

該方法通過向被測管道施加陰極測試電流，使管道的ON電位偏移達(dá)到要求，然后根據(jù)電流和電位的變化計(jì)算管道防腐蝕層的絕緣電阻率或單位電流密度。其要點(diǎn)是測試管道通電后的管/地ON電位。ON電位測試法有俄羅斯ΓOCT 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層絕緣電阻率法和澳大利亞/新西蘭等國采用的單位電流密度法。

■ 防腐蝕層絕緣電阻率法

防腐蝕層絕緣電阻率法主要應(yīng)用于中俄原油管道項(xiàng)目、中亞塔國項(xiàng)目、中亞哈國項(xiàng)目的水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量評價中。

ON電位測試防腐蝕層絕緣電阻率法的測試接線如圖1所示。

圖1 主動齒輪與從動齒輪嚙合圖片

1.管道；2.未經(jīng)防腐蝕處理的管頭；3.電纜；4.直流供電電源；5.臨時輔助陽極地床；6.安培表；7.可調(diào)電阻器；8.伏特表；9.銅/飽和硫酸銅參比電極

測試步驟分為以下四步：

（1）切斷被測管道的所有外部電連接，測量管道兩端的管/地自然腐蝕電位和土壤電阻率。

（2）按圖1所示連接測試儀器和儀表。其中，臨時輔助陽極地床與被測管道的距離不小于100m。開啟電源，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，直至管/地ON電位較自然腐蝕電位的偏移量大于0.7V。

（3）測量管道兩端的管/地ON電位，記錄對應(yīng)的測試電流值。

（4）按下式計(jì)算被測管道的防腐蝕層絕緣電阻率，對防腐蝕層質(zhì)量進(jìn)行評價。

式中：RT為管道防腐蝕層絕緣電阻率，Ω·m2；RP為陽極地床分流電阻率，Ω·m2；ρ為土壤電阻率，Ω·m；D為管道直徑，m；H為管道的埋深，m；R為鋼管的縱向電阻，Ω/m；L為管道長度，m；ΔU為電位偏移量，V；I為測試電流，A。

ON電位測試防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則為：

（1）對于兩層、三層聚烯烴防腐蝕層和熱收縮聚烯烴材料防腐蝕層，其絕緣電阻率應(yīng)不小于30×104Ω·m2；

（2）對于液體環(huán)氧防腐蝕層和熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐蝕層，其絕緣電阻率應(yīng)不小于10×104Ω·m2；

（3）對于瀝青類防腐蝕層，其絕緣電阻率應(yīng)不小于5×104Ω·m2。

■ 單位電流密度法

該方法主要應(yīng)用于澳大利亞或新西蘭等國家的項(xiàng)目上，但還沒有成形標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用較少，國內(nèi)也沒有引入，部分項(xiàng)目文件上有簡單的應(yīng)用介紹。

ON電位測試單位電流密度法的測試接線如圖2所示。

圖2 單位電流密度法測試接線示意圖

1.直流供電電源；2.電流通斷器；3.直流電壓表；4.直流電流表；5.臨時陽極地床；6.銅/飽和硫酸銅參比電極

測試步驟為：

（1）切斷被測管道的所有外部電連接，測量管道兩端的管/地自然腐蝕電位。

（2）按圖2所示連接測試儀器和儀表。其中，臨時輔助陽極地床與被測管道的距離不小于100m。開啟電源，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使管/地ON電位較自然腐蝕電位的偏移量大于1000mV。

（3）測量管道兩端的管/地ON電位，記錄對應(yīng)的測試電流值。

（4）按下式計(jì)算被測管道的單位電流密度，對防腐蝕層質(zhì)量進(jìn)行評價。

式中：J為單位電流密度即每1000mV的ON電位變化時引起的電流密度變化，μA/（m2·mV）；I為測試電流，μA；Ua,on為a點(diǎn)ON電位，mV（相對于銅/飽和硫酸銅參比電極CSE，下同）；Ub,on為b點(diǎn)ON電位，mV；Ua,自為a點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；Ub,自為b點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；D為管道直徑，m；L為管道長度，m。

ON電位測試單位電流密度法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則為：每1000mV ON電位變化，單位電流密度不大于1μA/（m2·mV）時，管道防腐蝕層質(zhì)量合格，反之，管道防腐蝕層質(zhì)量不合格。

02 OFF電位測試法

OFF電位測試法通過向被測管道施加陰極測試電流，使被測管道的OFF電位達(dá)到要求，再根據(jù)電位和電流的比值計(jì)算被測管段的防腐蝕層絕緣電阻率、電導(dǎo)率或單位電流密度。該方法的要點(diǎn)是測試管道通電后的管/地OFF電位，極化時間應(yīng)足夠。

OFF電位測試法有NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層電導(dǎo)率法、國內(nèi)幾個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層絕緣電阻率法及澳大利亞/新西蘭等國使用的單位電流密度法。

■ 防腐蝕層電導(dǎo)率法

防腐蝕層電導(dǎo)率法是現(xiàn)行水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量評價中應(yīng)用最廣泛的方法，國際管道研究委員會（PRCI）對此方法的評分高達(dá)83分，排名第一。OFF電位測試防腐蝕層電導(dǎo)率法的測試接線也如圖2所示，測試步驟為：

（1）切斷被測試管道的所有外部電連接，測量管道兩端的管/地自然腐蝕電位和土壤電阻率。

（2）按圖2所示連接測試儀器和儀表。其中，臨時輔助陽極地床與被測管道的距離不小于100m。開啟電源，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使管/地的OFF電位不低于-1100mV。

（3）測量管道兩端的管/地ON電位和OFF電位，記錄對應(yīng)的測試電流值。

（4）按下式計(jì)算被測管道的標(biāo)稱防腐蝕層電導(dǎo)率，對防腐蝕層質(zhì)量進(jìn)行評價。

式中：G為防腐蝕層電導(dǎo)率，S/m2；Gn為防腐蝕層標(biāo)稱電導(dǎo)率（在電阻率為1000Ω·cm土壤中），S/m2；I為測試電流，A；Ua,on為a點(diǎn)ON電位，V；Ub,on為b點(diǎn)ON電位，V；Ua,off為a點(diǎn)OFF電位，V；Ub,off為b點(diǎn)OFF電位，V；D為管道直徑，m；L為管道長度，m；ρa(bǔ)為a點(diǎn)處的土壤電阻率，Ω·cm；ρb為b點(diǎn)處的土壤電阻率，Ω·cm。

OFF電位測試防腐蝕層電導(dǎo)率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則如表1所示。

表1 防腐蝕層電導(dǎo)率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則

■ 防腐蝕層絕緣電阻率法

國內(nèi)用于水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量測試和評價的主要規(guī)范是GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》？SY/T 6968-2013《油氣輸送管道工程水平定向鉆穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》和SY/T 7368-2017《穿越管道防腐技術(shù)規(guī)范》？這3個標(biāo)準(zhǔn)均參照NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)編制，因此測試的接線方式、測試步驟和計(jì)算公式均與NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)相同。表2為防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則。將防腐蝕層絕緣電阻率轉(zhuǎn)換為防腐蝕層標(biāo)稱電導(dǎo)率，結(jié)果也列于表2中。

表2 防腐蝕層絕緣電阻率法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則

■ 單位電流密度法

香港長洲島供水管道工程的水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層評價采用了此方法。OFF電位測試單位電流密度法的測試接線同樣如圖２所示，測試步驟與NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層電導(dǎo)率法相同。

管道極化電位每變化100mV時，單位電流密度計(jì)算如下式所示：

式中：J為單位電流密度即每100mV OFF電位變化引起的電流密度變化，μA/（m2·mV）；I為測試電流，μA；Ua,off為a點(diǎn)OFF電位，mV；Ub,off為b點(diǎn)OFF電位，mV；Ua,自為a點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；Ub,自為b點(diǎn)自然腐蝕電位，mV；D為管道直徑，m；L為管道長度，m。

OFF電位測試單位電流密度法的管道防腐蝕層質(zhì)量評價準(zhǔn)則為：每100mV OFF電位變化，單位電流密度值不大于0.1μA/（m2·mV）時，管道防腐蝕層質(zhì)量合格；反之為不合格。

2  評價方法的難點(diǎn)和存在問題

01 測試方法的有效性

水平定向鉆穿越管道防腐蝕層的質(zhì)量評價方法均來源于淺埋大開挖方式施工管道的防腐蝕層質(zhì)量評價方法。

管道淺埋時，埋設(shè)深度為1.5m時一般僅存在單一類型的土壤層，且在1~2km的水平距離上，管道所經(jīng)過的地質(zhì)情況基本相同，土壤電阻率沒有大的變化，因此測試電流沿管道軸向在管道周圍的土壤中均勻分散流通。這種均勻的土壤不會對測試電流的流動路徑和分布產(chǎn)生大的影響，測試電流均勻流到管道表面。這樣即使只測試管道兩端的電位，也可以假設(shè)中間未測試段管道的電位也是按照均勻衰減規(guī)律分布的，這樣就可利用兩個端點(diǎn)的測試數(shù)值來確定中間未測試管段的數(shù)值，保證了測試方法的有效性。

但水平定向鉆穿越管道的埋設(shè)深度遠(yuǎn)超過1.5m，已知的穿越深度可深達(dá)110m，管道穿越段在短距離內(nèi)可能通過水域、沼澤、黏土、砂巖或花崗巖等各種電阻率差別非常大的地層，這種急劇變化的介質(zhì)層將極大影響測試電流在各種電阻率介質(zhì)中的流動，進(jìn)而影響電流在管道上的分布。測試電流將由均勻流通變?yōu)閮H通過低電阻率通道流通，高電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段可能沒有測試電流到達(dá)，而低電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段得到了更多的測試電流。這導(dǎo)致高電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段沒有極化或僅部分極化，而低電阻率介質(zhì)內(nèi)的管段過度極化。整個管段的極化將不再遵循均勻衰減的規(guī)律，管道兩端的電位將不能用于假定推測中間未測試管道的電位。

因此，對于采用定向鉆穿越方式施工的管道，在利用此測試方法進(jìn)行防腐蝕層質(zhì)量評價時，應(yīng)對測試方法的有效性進(jìn)行分析。PRCI已有研究表明，這種測試方法在土壤電阻率變化劇烈時，極大的影響管道的軸向電位分布。

02 土壤電阻率的影響

在以NACE TM0102-2000 標(biāo)準(zhǔn)為代表的OFF電位測試方法（包括GB 50424-2015、SY/T 6968-2013和SY/T 7368-2017）中，土壤電阻率對測試結(jié)果有非常大的影響，甚至?xí)蔀樵u價結(jié)果的決定性因素。

比如某咸水海灘穿越管道在不考慮土壤電阻率時，防腐蝕層絕緣電阻率僅為81Ω·m2，根據(jù)評價準(zhǔn)則為“差”級；但由于咸水的電阻率極低，僅為0.2Ω·m，當(dāng)換算為標(biāo)稱防腐蝕層絕緣電阻率（10Ω·m）后，為4050Ω·m2，可評價為“良”級。防腐蝕層的質(zhì)量等級由于土壤電阻率的介入而發(fā)生了劇烈的變化。

在ГОСТ 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)的ON電位測試方法中，土壤電阻率對測試結(jié)果存在有限的影響。如某長江穿越管道，測試土壤電阻率為32.5Ω·m時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為89502Ω·m2；當(dāng)土壤電阻率為325Ω·m時，則管道的防腐蝕層絕緣電阻率變?yōu)?8094Ω·m2；當(dāng)土壤電阻率為3.25Ω·m時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為89621Ω·m2。由此可見，土壤電阻對防腐蝕層絕緣電阻率的影響幾乎可以忽略。

03 管/地電位的影響

在ON電位測試法中，ГОСТ 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)要求ON電位較自然腐蝕電位偏移應(yīng)大于0.7V，澳大利亞和新西蘭的單位電流密度法則要求ON電位較自然腐蝕電位偏移應(yīng)大于1.0V。

某穿越黑龍江的管道，采用ГОСТ 51164-1998標(biāo)準(zhǔn)評價，在電位偏移大于0.7V時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率為34.2×104Ω·m2；但在增大測試電流，使電位偏移大于1.0V時，管道的防腐蝕層絕緣電阻率減小為19.7×104Ω·m2，變化量約為33%。

在OFF電位測試法中，NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了OFF電位應(yīng)不低于-1100mV；GB 50424-2015和SY/T 7368-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定OFF電位應(yīng)位于-850~-1050mV；澳大利亞和新西蘭的單位電流密度法則要求OFF電位約為-1100mV。

某長江穿越管道，出？入土點(diǎn)極化電位分別為-994mV和-890mV時，管段的防腐蝕層絕緣電阻率為28370Ω·m2；當(dāng)出？入土點(diǎn)極化電位分別負(fù)向偏移到-1071mV和-1058mV時，管段的防腐蝕層絕緣電阻率減小為16765Ω·m2，變化量超過40%。

評價方法的發(fā)展

目前，水平定向鉆穿越管道外防腐蝕層質(zhì)量的評價方法主要有兩個研究方向。

一個方向是在現(xiàn)有測試方法的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場目視檢測的方法，以提高評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。如有文獻(xiàn)就給出了電流/電位測試法和現(xiàn)場防腐蝕層目測相結(jié)合的判定法。這種綜合評價方法需要管道在回拖結(jié)束后，再多回拖出1~2根管道進(jìn)行管道防腐蝕層外觀的目視檢測。但在實(shí)際操作中，由于回拖鉆機(jī)排放位置的限制，很難做到多回拖1~2根管道。有時為了多拖出管道，甚至采用了其他不得已的施工方法，這種施工方法很可能加劇出土端管道外防腐蝕層的破損程度，反而使得最終防腐蝕層的質(zhì)量評價失實(shí)，違背了這種評價準(zhǔn)則的初衷。

另一個方向是采用有限元法進(jìn)行管道的陰極極化模擬，根據(jù)模擬結(jié)果確定防腐蝕層的真實(shí)狀態(tài)。有文獻(xiàn)采用此方法對某河流穿越管道的外防腐蝕層進(jìn)行了模擬評價，模擬中將整個穿越管道定義為由相同長度單位組成的串聯(lián)組合體，其中每個單位都假定了已知大小、形狀和位置的防腐蝕層缺陷，而且每一個單位均可以隨時激活或停用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：只有當(dāng)假定的缺陷管段靠近出土點(diǎn)和入土點(diǎn)的測試位置時，模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值才存在非常好的一致性；當(dāng)缺陷位于中間最低位置、遠(yuǎn)離出土點(diǎn)和入土點(diǎn)的測試位置時，測試結(jié)果和模擬結(jié)果差別極大。

結(jié)論

（1） 電流/電位法是評價水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量的主要方法。NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)和可操作性得到了世界范圍內(nèi)的共同認(rèn)可。GB 50424-2015、SY/T 6968-2013和SY/T 7368-2017標(biāo)準(zhǔn)均參考NACE TM0102-2002標(biāo)準(zhǔn)編制了水平定向鉆穿越管道防腐蝕層質(zhì)量評價的方法和準(zhǔn)則，適用性高。

（2） 防腐蝕層絕緣電阻率評價的是管道埋地后防腐蝕層質(zhì)量優(yōu)劣的參數(shù)。此參數(shù)大小僅與被測試管段上防腐蝕層缺陷的大小、數(shù)量有關(guān)。土壤電阻率、管/地電位等不應(yīng)成為評價結(jié)果的決定性因素。