管道采用定向钻方式施工时，在回拖过程中，特别是在岩石地层中，常出现孔洞不圆滑、控向精度较低等问题，会导致防腐蚀层发生破损，有时甚至会露出金属管体，这种损伤一般是不可修复的。定向钻穿越段管道不可避免会发生防腐蚀层破损，因此，保证定向钻穿越段管道阴极保护的有效性，防止其发生腐蚀尤其重要。
针对定向钻管道阴极保护有效性的检测方法，国内外开展了大量研究工作，但目前尚不能直接检测定向钻管道的保护电位，多采用在定向钻两侧钻制深井放置试片，或采用防腐蚀层面电阻率/电导率测试方法对定向钻管道的阴保情况和防腐蚀层状况进行间接评价。
某管道公司共有456处管道为定向钻穿越管道，其阴保有效性的评价工作是该公司的重要工作之一。下面技术人员将采用多种方法对其中一处定向钻穿越段管道的阴极保护有效性进行检测评价，并采用数值模拟计算技术，对定向钻管道的阴极保护效果及影响因素进行研究，以期为类似管道的阴保效果评价提供借鉴。
1定向钻管道基本情况
图1 定向钻穿越段管道与阴极保护站相对位置示意图
如图1所示，本工作中定向钻管道的穿越段长度约为630m，穿越类型为河流，定向钻穿越段管道最大埋深为10.5m，防腐蚀层为3PE，非定向钻段管道的防腐蚀层为FBE，管径为559mm。
管道采用外加电流阴极保护方式，定向钻段管道在36和37号测试桩中间，管段的入土点距离36号测试桩约为62m，出土点距离37号测试桩约为108m。
此管道在33和133号测试桩位置分别设置了阴保站1和阴保站2。阴保站1的恒电位仪输出电压为6.02V，输出电流为6.10A，阴保电位为-1220mV；阴保站2的恒电位仪输出电压为3.58V，输出电流为1.10A，阴保电位为-1150mV。
2测试方法
密间隔电位法
采用密间隔电位法测试36~37号测试桩间管道的通断电电位（测量位置为人员可达位置），阴保站1和阴保站2位置的恒电位仪安装同步断路器，断路器设置通12s断3s，在36号测试桩位置，将参比电极（铜/硫酸铜参比电极）放置在管道正上方，采用万用表红表笔接管道，黑表笔接参比电极，每隔10m测试一组通电电位和断电电位，如图2所示。
图2 密间隔电位测试示意图
极化试片法
通过极化试片法测得的断电电位是极化试片从管道上断开瞬间的电位。在36和37号测试桩位置测试试片的通断电电位，测试方法见图3。
图3 极化试片法测试示意图
在管道周围埋设裸露面积为6.5cm2的极化试片，试片通过测试桩管道线与管道连接，极化24h后，采用铜/饱和硫酸铜参比电极(CSE)和万用表，测试极化试片连接时管道的通电电位和极化试片从管道上断开后试片的断电电位。
3测试结果
密间隔电位法
图4 密间隔电位法测得定向钻管道的通断电电位分布图
由图4可见：此段管道的通电电位为-1.18~-1.11V（相对于CSE，下同），断电电位为-1.15~-1.07V。此段管道的通断电电位整体分布较均匀。定向钻穿越管段入土点位置的通电电位为-1.15V，断电电位为-1.12V，出土点位置的通电电位为-1.13V，断电电位为-1.09V，出入土点的通断电电位接近。在定向钻穿越段管道上方人员可达位置，测得断电电位也均达到-1.07V，其中，穿越池塘和河流的两段长约200m的管段无法测得通断电电位。密间隔电位法测试的断电电位是管道上阴极保护系统瞬间断电时的管地电位，代表参比电极周围管道上破损点的综合电位。通过密间隔电位法测得此定向钻穿越段管道的电位均约为-1.10V，表明此段管道上破损点的综合电位能符合阴极保护电位的准则（通电电位低于-850mV）。
极化试片法
36号测试桩处试片的通电电位-1.140V，断电电位-1.112V，试片电流密度0.306A/m2；37号测试桩处试片的通电电位-1.151V，断电电位-1.106V，试片电流密度0.227A/m2。
可见两个测试桩试片的断电电位能达到约-1.10V，测试结果与密间隔电位法测得结果接近。在36号和37号测试桩附近面积为6.5cm2的防腐蚀层破损点位置的极化电位均能达到-1.10V，能达到有效的保护状态。
土壤电阻率测试
土壤电阻率是阴极保护数值模拟的重要参数，采用温纳四极法测试穿越段管道附近不同深度土壤的电阻率，结果显示0~10m深处的平均土壤电阻率为1.26~2.51Ω·m，土壤电阻率整体较低，分层土壤电阻率测试结果显示，8~10m深处的土壤电阻率最低，为0.5Ω·m。
数值模拟计算
基于数值模拟计算技术，利用已有的管道基本参数和土壤电阻率测试结果，采用Beasy软件对定向钻穿越位置管道的极化电位进行数值模拟，分析本工作中定向钻穿越段无法测试管段的阴保效果。结果表明，此段管道的电位整体均约为-1.10V，穿越池塘和河流段管道的电位没有明显的衰减，和穿越段前后的接近。
4
穿越段管道阴极保护效果影响因素
为了研究穿越段管道阴极保护电位的影响因素，采用数值模拟软件，建立定向钻穿越管道的理论模型，模型的各项参数如图5所示，通过改变试验条件，计算管道防腐蚀层质量、土壤电阻率、管道埋深等参数对阴保电位的影响。
图5 定向钻穿越工程管道示意图
非穿越段与穿越段管道的服役环境是不同的。非穿越段管道多服役于土壤环境，电阻率较大；穿越段管道多服役于河水或河泥环境，电阻率较小。因此本工作建立了电阻率分层模型，非穿越段管道所处环境的电阻率为100Ω·m，穿越段的为1Ω·m；各段管道的防腐蚀层在理想情况下为3PE涂层，并且是完好不发生破损的；采用的阴保方式为外加电流，通电点位置设置电位为-1150mV，利用Beasy软件进行数值模拟计算，管道阴保电位分布模拟结果如图6所示。
图6 管道电位分布模拟结果
由图6可见：管道电位为-1135.6~1150mV，达到了-850mV 的保护要求。近阳极附近的管道电位最负，随着与阳极距离的增加，电位值逐渐正移。在穿越段，因为土壤电阻率不同，管道电位负向偏移，但是整体分布均匀。
管道防腐蚀层性能的影响
根据经验，管道防腐蚀层的性能是影响管道阴保电位分布非常重要的因素，且定向钻穿越段管道的防腐蚀层极易受到损坏，是本工作关注的重点。因此，本工作考察了穿越段管道防腐蚀层性能差异对管道电位分布的影响。
计算模型不变，环境介质电阻率仍为分层模型：非穿越段的为100Ω·m，穿越段的为1Ω·m。管道防腐蚀层状况如下：非穿越段管道防腐蚀层为3PE涂层且无破损，穿越段管道防腐蚀层破损率为0.001%~20%，阴极保护系统采用恒电位控制（最负点控制电位均保持在-1150mV）。
图7 穿越段管道防腐蚀层破损率对管道电位分布的影响（模拟计算结果）
由图7可见：随着管道防腐层破损率的增大，管道电位分布越来越不均匀，电位发生正向偏移，保护效果下降。当破损率小于2%时，管道电位均达到了-850mV的要求；当破损率为5%~20%时，均只有一段管道达到保护，经计算保护距离分别为1.75，0.95，0.75km。穿越段管道电位随着防腐蚀层破损率的增加越来越正。在保证最负点电位恒定的情况下，穿越段管道防腐蚀层性能变差，会对管道上电流的分布产生明显影响，这会导致防腐蚀层性能较好部分管道的保护电位分布相当不均匀。
土壤电阻率的影响
模型不变，土壤电阻率仍采用分层模型，管道防腐蚀层状况分以下三种情况：
①管道整体为3PE防腐蚀层无破损；
②非穿越段管道为3PE无破损、穿越段的为2%防腐蚀层破损率；
③非穿越段管道防腐蚀层破损率为0.1%、穿越段管道防腐蚀层破损率为2%。
本工作考察了阴保电源系统采用恒电位（最负点控制电位为-1150mV）控制下，管道电位分布随着土壤电阻率变化的情况，土壤电阻率设为1Ω·m和5Ω·m。
(a) 防腐蚀层状况① (b) 防腐蚀层状况②
(c) 防腐蚀层状况③
图8 穿越段土壤电阻率对管道电位分布影响的计算结果
由图8可见：当管道防腐蚀层性能整体较好时，改变土壤电阻率几乎不引起管道电位发生变化。当穿越段管道防腐蚀层的质量下降，随着土壤电阻率的增大，管道电位分布的不均匀性增加，非穿越段管道的电位变负，而穿越段管道的电位变正，这是不同质量防腐蚀层联合保护的结果。
图9 阴极保护系统等效电路图
通常来说，涂层性能良好，涂层电阻较大，如图9所示，Ra为阳极极化电阻，Rx为土壤介质电阻，R1为好涂层电阻，Rc1为其极化电阻，R2为差涂层电阻，Rc2为差涂层极化电阻。由于R1+Rc1远大于R2+Rc2，所以随着Rx的增大，(R1+Rc1+Ra+Rx)/(R2+Rc2+Ra+Rx)的值将减小，则流经R1+Rc1+Ra+Rx的电流将增大。因此，完好防腐蚀层的管道电位将变负，而破损防腐蚀层因电流减小，管道电位变正。随着穿越段土壤电阻率的增加，防腐蚀层完好或破损管道的管道电位分布都越来越不均匀，且当管道防腐蚀层性能整体较差时，随着土壤电阻率的增大，穿越段管道的管道电位变正。
穿越段管道埋深的影响
本工作中，穿越段管道的最大埋深分别取8，10，15ｍ，其他参数不变。各段管道的防腐蚀层均为无破损3PE涂层，非穿越段管道服役环境的电阻率为100Ω·m，穿越段的电阻率为1Ω·m。计算时，保持阴保系统的输出电流不变。
图10 穿越段管道埋深对管道电位分布影响的计算结果
由图10可见：随着穿越段管道埋深的增大，管道电位分布几乎没有发生变化。
CONCLUSION
结论
1密间隔电位法和试片法测试结果均显示，本工作定向钻穿越段管道的断电电位约为-1.0V，管道的阴极保护效果良好，穿越段管道的管道电位分布较均匀，电位衰减小。
2穿越段管道防腐蚀层破损率越大，管道电位分布越不均匀，管道电位越正，管道整体的保护效果越差。随着防腐蚀层破损率的增加，穿越段管道的管道电位正移，会对管道上电流的分布产生明显影响，导致防腐蚀层性能较好的部分管道保护电位分布相当不均匀。
3随着穿越段土壤电阻率的增加，管道整体电位的分布越来越不均匀，当穿越段管道的防腐蚀层质量较差时，土壤电阻率的增加会造成管道电位正向偏移。
