海底管道在海洋油氣資源開發中承擔著傳輸運送油氣的重要責任，其運行狀態與運行壽命不僅關系到油氣開發企業運營經濟效益，與企業發展也有一定關聯。開展海底管道施工時，涂刷防腐涂層是降低管道腐蝕危害的重要舉措，為了保證防腐涂層防護作用的長期發揮，還需要開展高水平的腐蝕防護狀態檢測，目前我國已經擁有多項管道內檢測與外檢測技術，海底管道檢測單位與相關作業人員應重點考慮如何實現海底管道腐蝕防護狀態檢測方法的高效應用。
圖片來源：管道保護
海底管道腐蝕檢測技術
01 海底管道內檢測技術
對海底管道進行內部檢測，應用較多的技術類型包括渦流檢測、漏磁檢測以及超聲波檢測等，應用期間還須結合具體的技術應用進行針對性分析。
1 渦流檢測技術
這種技術在海底管道檢測中，可以對輸氣或輸液管道進行準確檢測。首先需要向用于檢測的渦流式檢測器結構的初級線圈內輸入微弱電流，會引發海底管道受到電磁感應后產生渦流，檢測人員通過檢測次級線圈完成檢測任務。如果管道管壁出現質量問題，初級線圈就會表現出異常磁通量，引發磁力線出現相應變化，次級線圈原有的磁通量平衡狀態就會被打破，就會有對應電壓產生。如果管壁存在任何問題，兩側就會維持磁通量平衡，也不會有電壓產生。所以，要檢測管道是否存在問題，只要對電壓變化動態進行監測即可判定。這種檢測技術雖然有效性較好，但是技術本身有許多限制性因素，不宜大范圍推廣。一般陸地管道檢測中經常采用這種技術，檢測海底管道期間應用較少，原因在于它應用期間的數據采集無法確保足夠的信號分辨率，傳輸速率無法適應檢測工作需要。而且它的應用流程還存在較大缺陷，至今行業沒有這方面的統一性標準，因此它適用的檢測范圍只有極少數幾種產品規格，無法對所有類型的管道開展檢測。再加上海底管道檢測非常困難，應用這項技術開展檢測，有些設備不能用于海底檢測。
2 超聲檢測技術
這種技術是利用對海底管道進行超聲波發射，采集發射期間內部和外部反射用時的差值，進而對管道進行質量問題判斷，檢測是否存在管壁變薄、管道腐蝕以及變形等危害。這種技術應用的檢測器包括超聲波、電池、傳感以及數據等模塊，其裝置組成包括動力源、萬向節、信號發射及接收裝置，存儲器以及里程輪等。利用超聲檢測技術檢測海底管道缺陷，屬于一種直接方式，能夠進行很準確的缺陷量化，它的局限性在于檢測常規裂紋或管壁厚度期間，只對液體輸送管道適用，而檢測輸氣管道還須通過電磁超聲波檢測器或者段塞法進行。
3 漏磁檢測技術
這種技術投入應用的時間最長，技術應用和操作已經達到非常成熟的地步，應用的設備也比較固定。它實現海底管道檢測主要是借助漏磁原理，通過檢測判定管道損壞或腐蝕的程度，在管道檢測的體積型缺陷中非常適用。它的檢測裝置由動力源、磁鐵回路、記錄設施、萬向節、傳感器以及里程輪等組成，對油氣管道都能進行有效檢測，檢測過程不對傳感器和管壁進行耦合介質的特殊要求。這種技術目前在國內得到廣泛應用，是經過中海油驗證的有效技術，利用漏磁檢測技術對管壁變薄情況進行檢測，檢測結果和現場實際相一致，其有效性可見一斑，同時檢測單位對結果也非常滿意。而且，中海油在應用這項技術期間持續投入研發與優化，目前已經構建起系列化的檢測設備系統。
02 海底管道外檢測技術
1 淺海檢測技術
這種技術適用的檢測海域深度通常在≤80 m的范圍，也叫近海海域。這種作業環境條件不錯，之前的早期檢測技術應用還不成熟，檢測方法就是由潛水員攜帶檢測器直接檢測。通常潛水員適宜的下潛檢測深度接近50 m，負責對海底管道外壁進行生物附著、管道沉積以及安裝的犧牲陽極是否可靠等內容開展檢測，這種方式雖然傳統，但是非常有效，所以直到今天還在沿用，檢測成效符合預期。統計資料顯示，近些年利用這種方式進行海底管道檢測，已經排查出多起質量危害，并且均得到及時處置。它的技術缺陷是非常危險，有超高的檢測強度，對海洋環境因素特別敏感，局限性較大。
2 深海外檢測技術
這種技術適用的檢測海域深度通常都超過了200 m，它的檢測作業主要是利用潛水器完成。這種檢測技術首次用于海底管道檢測的海域是墨西哥灣，在科學技術快速發展的當今，人們已經可以利用遙控潛水器完成深海外檢測任務。把光學儀器以及檢測器安裝于潛水器上就可以實施管道外檢測，利用對遙控機械設施進行合理操作配合檢測作業，檢測數據實時向計算機終端傳輸，完成匯總和測算分析，實施包括目視、磁粉、超聲波以及射線等在內的檢測作業內容。
海底管道腐蝕防護檢測
用于對埋地管道進行外部腐蝕檢測的技術類型比較多，包括組合電位測試、短間歇電位檢查法、直流電壓梯度法以及Person檢測法等，都是常用的技術類型。如果要檢測海底管道目前的防腐蝕狀況，由于作業環境條件的特殊性，適用的檢測技術不多，通常對管道表面保護電位進行檢測來進行。
這種檢測的傳統作業方式，通常是把一根地線一頭與管道和平臺接近交接點的部位進行連接，另外一頭與電位計連接，再把一個參比電極連接到電位計的另一頭。檢測期間把參比電極與海底管道無限接近，注意二者不得接觸，記錄電位數據，并比對行業規范的標準臨界保護電位數據，就能估測出當前管道防腐蝕狀況的實際工況。
這種技術優點是操作簡便易行，缺陷是測試超長海底管道時的地線達不到作業所需長度，而且如果海底管道埋設很深，這種技術就不能檢測。
利用非接觸式檢測方法可對遠距離參比電極進行簡便易行的電位差測試，它規避了地線長度限制因素，需要測試兩種電場參數，一是遠地參比電極標定電位，二是遠近兩種參比電極環境存在到電位差。
⑴ 在檢測遠近兩種參比電極的電位差時，選取靈敏電位計和參比電極各兩個，對海底管道陰極保護系統環境電位差進行檢測。期間選擇離管道比較遠的某處海水，設置成0電位梯度區域，以懸浮設施裝入參比電極放于該處，即構成遠地參比電極電位，位置非常穩定。下潛設施裝入一個參比電極，放于海底管道電位動態變化的區域后開始沿著管道前移，進而測得管道防腐蝕狀況近地參比電極電位的動態變化數據。前移期間以靈敏電位計對二參比電極的環境電位差進行同步跟蹤記錄，最終獲得全部海底管道區域介質電位的具體分布情況。
⑵ 在測試遠地參比電極標定電位時，通過近地檢測設施攜帶的探針，于檢測前接觸犧牲陽極或者海底管道，構成地線，通過電位計測得遠地參比電極和管道存在的相互電位差。此刻遠地參比電極放于0電位梯度區，測得的管道電位數據非常穩定，就視為遠地參比電極標定電位。
海底管道電位分布數值模擬
1 模型參數
利用邊界元方法的數值模擬軟件，在其他工程中應用良好。對海底管道進行仿真模擬時采取了下列參數：以某處海底輸油管道為例，總長接近37.5 km，管道以X60鋼材制成，管道通過犧牲陽極達到陰極保護的目的，整套管道鋪設完成后以海泥掩埋。鋁合金材質的鐲式犧牲陽極保持75.2 m的間距，管徑762 mm，犧牲陽極在管道上進行包裹，有0.8 m的內徑和1.2 m的外徑，沿海管1 m長。海水的電導率是5 S/m，海泥的電導率是1.5 S/m，模擬的管道1.5 m埋深，模擬時對管長進行了截取，長度964.6 m，包括13個犧牲陽極。
2 數值模擬模型及工況設計
為了確保計算模型有足夠的長度，模型中的海水網格是8 m的大網格，除此之外的區域全部是1 m的小網格，模型以深色代表海泥，淺色代表海水，海底管道以白色代表，位于中間，管道全部以海泥掩埋，為海泥環境，埋深從泥沙面向下深達1.5 m。該區段海底管道有下列工況：海底管道正常運行期間，全部陽極保持正常運行；只有一個失效陽極；一半陽極在正常運行；海底管道保護系統不利工況是：只對中間一個陽極進行有效工況模擬。
3 數值模擬結果
① 海管正常運行期間
a.全部陽極保持正常運行（圖1）?？拷鼱奚枠O的區域存在比較大的電場梯度，離犧牲陽極很遠的區域只有很小的電位差。由靠近泥面部位至200 m水面部位，電位差≤3 mV，與管道離得越遠，電位分布越接近一致，電位梯度也變得更??；
圖1 陽極均正常工作時電位分布數值曲線
b.只有一個失效陽極（圖2）。該失效陽極所在區域具體電位數據較之其他區域要小，但是全部海底管道的保護狀態良好，這種工況時電位分布的整體規律基本等同于全部陽極保持正常運行時的工況。泥面上方的電位整體數據幾乎一樣，差值≤3 mV，而且該失效陽極位于管道中間，泥面近處區域和管道表面沒有采集到這個部位的電位峰值，即證實此處的犧牲陽極已經失去效力；
圖2 只有一個陽極失去作用時電位分布數值曲線
c.只有一半陽極正常運行（圖3）。這種模擬工況是疊加了兩種比較特殊的電場，對整體電位值進行監測，證實其變化的明顯程度。正常運行的犧牲陽極所在區域電位平均值比失效陽極所在區域要高。整體來講，泥面近處存在比較大的電場梯度，其他高度時存在幾乎一樣的電位值。原因在于犧牲陽極正常運行時生成的保護電流能夠流至失效陽極所在區域。
圖3 只有1/2陽極正常工作時電位分布數值曲線
② 海管欠保護時
這種狀態下，除了靠近陽極的區域存在比較大的電位梯度，其他區域到電位整體數據幾乎一樣（圖4）。因為要求保護的海底管道面積太大，電位值實際上已經超過了保護電位的極限數據，犧牲陽極生成了最大的電流值，靠近陽極所在區域的電位梯度此時也處于最大值。
圖4 單陽極有效電位分布數值曲線
結語
對于海洋油氣資源開發企業來說，保證海底管道持續正常運行和延長管道使用年限的意義非常重大，受所處環境的影響，海底管道防腐涂層一旦出現防護能力缺陷，海底管道就會受到腐蝕侵害，出現快速老化等問題，從而縮短其運行壽命，所以海洋油氣資源開發企業應高度重視海底管道腐蝕防護狀態檢測，相關部門也需要切實加大管道腐蝕防護狀態檢測和評估技術研究。
作者：劉慧勇，中海油（天津）管道工程技術有限公司 工程師，主要研究方向為海管內外檢測技術設備驗證評價。
來源：化工設計通訊、溪流之海洋人生
