雜散電流干擾下管道CIPS/DCVG組合檢測(cè)實(shí)踐

趙晉云，滕延平，張 豐，王巨洪，冷旭躍，羅志國(guó)

（1.中國(guó)石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油管道公司大連輸油氣分公司，遼寧瓦房店 116300）

0 引言

外腐蝕直接評(píng)價(jià)方法 （ECDA）可以評(píng)價(jià)外腐蝕對(duì)管道完整性的危害[1]。應(yīng)用ECDA技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是由間接檢測(cè)獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，常用的間接檢測(cè)方法有管中電流衰減法 （PCM）、密間隔電位法 （CIPS）、直流電位梯度法 （DCVG）和皮爾遜法等。

密間隔電位測(cè)試 （CIPS）是目前檢驗(yàn)管道陰極保護(hù)水平和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的最有效辦法。CIPS檢測(cè)能夠同時(shí)測(cè)量管道沿線的通電電位和斷電電位，這個(gè)斷電電位是消除了土壤IR降的真實(shí)管地電位，可以有效評(píng)價(jià)整條管道的陰極保護(hù)效果。當(dāng)管道防腐層破損時(shí)，電流通過(guò)管道破損點(diǎn)向土壤中流失，由于土壤電阻的存在，因此在破損點(diǎn)周圍的土壤中形成電位梯度。除了高接觸電阻或嚴(yán)重雜散電流干擾情況外，幾乎在所有地區(qū)，DCVG測(cè)試可以成功識(shí)別、定位涂層缺陷位置和估計(jì)涂層缺陷的大小，但不能指示陰極保護(hù)水平[2]。NACE SP0207-2007《埋地或水下管道CIPS與DCVG檢測(cè)操作規(guī)程》[3]給出了加強(qiáng)測(cè)量法的定義，即同時(shí)測(cè)量管地電位與垂直方向上土壤電位梯度的技術(shù)，可識(shí)別防腐層缺陷，并能夠計(jì)算出缺陷處消除了IR降后的電位。兩者有效結(jié)合使用，可以同時(shí)得到同一位置處兩種方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)兩種數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)解釋，更有利于涂層缺陷或陰極保護(hù)水平的判別。但是當(dāng)雜散電流或地電流引起管地電位波動(dòng)時(shí)，很難正確解釋檢測(cè)結(jié)果[4]。

鐵大線管道于1975年正式投產(chǎn)輸油，長(zhǎng)期低輸量運(yùn)行，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)內(nèi)檢測(cè)，迫切需要開(kāi)展外腐蝕直接評(píng)價(jià)工作來(lái)確定管道腐蝕控制情況。鐵大線鞍山—大石橋管段既與鞍大線管道近距離平行，又受到并行的哈大電氣化鐵路的干擾，且該管段沿線地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，多次穿過(guò)城郊區(qū)、河流、公路和鐵路。在這樣復(fù)雜環(huán)境下開(kāi)展ECDA相關(guān)工作，如何保證其檢測(cè)結(jié)果能真實(shí)反映管道實(shí)際陰極保護(hù)效果和防腐層缺陷情況，是值得研討的重要課題。

1 檢測(cè)過(guò)程

鐵大線管道全線采用石油瀝青防腐層和外加電流陰極保護(hù)進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，少量防腐層大修段和改線段為聚乙烯冷纏帶或聚烯烴防腐層。本檢測(cè)管段選在鞍山站與大石橋站間T176#～T226#測(cè)試樁之間，鞍山站、大石橋站及海城河的陰保間均設(shè)有恒電位儀對(duì)該段管道進(jìn)行保護(hù)，該管段沿線安裝有13個(gè)排流裝置進(jìn)行雜散電流排流保護(hù)。鐵大線穿越海城河處，在南岸和北岸均采用電絕緣設(shè)施，并在北岸安裝有恒電位儀保護(hù)穿越段管道。并行的鞍大線采取了并聯(lián)陰極保護(hù)的方式，并與鐵大線約每2 km采用均壓線連接。鞍大線在海河穿越處沒(méi)有進(jìn)行電絕緣，但由于與鐵大線之間跨接線的作用，使鐵大線的南端與北端處于電連接。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，確定了以CIPS/DCVG檢測(cè)為主，雷迪RD-PCM檢測(cè)為輔的檢測(cè)方案?？紤]同步瞬間中斷所有的電流，可以測(cè)量管道真實(shí)的極化電位，即使難以達(dá)到這種理想情況，也可以減小測(cè)量誤差以獲取足夠準(zhǔn)確的測(cè)量值。測(cè)試前，在鞍山站、海城河和大石橋站恒電位儀輸出端串接GPS同步斷流器，從而周期性中斷所有電流，并調(diào)節(jié)要中斷的恒電位儀，增加其電流輸出，從而提供更大的電壓梯度[5]，以便更好地識(shí)別涂層缺陷。設(shè)定電流中斷器周期為1 s，300 ms斷；設(shè)置恒電位儀每天從早上6點(diǎn)至晚上8點(diǎn)通斷，晚上則保持穩(wěn)定的電流輸出，減少管道去極化。測(cè)試時(shí)，無(wú)需中斷管道沿線的雜散電流排流裝置。

檢測(cè)時(shí)，前面一人使用RD-PCM檢測(cè)儀以25 m間距探測(cè)管道位置和埋深，其后兩名測(cè)試人員采用加拿大陰極技術(shù)公司的 HEXCORDER MILLENNIUM測(cè)試儀器同時(shí)進(jìn)行管地電位和土壤縱向電位梯度組合測(cè)試，這兩名測(cè)試人員相距5～6 m，測(cè)試時(shí)應(yīng)保證始終有探杖置于管道正上方并且前后移動(dòng)，每隔1～2 m間距，待4個(gè)探杖與地面充分接觸并顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再手動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。 通電電位 （Von）、 斷電電位 （Voff）、 電位梯度出現(xiàn)異常要進(jìn)行判斷分析。如確認(rèn)由破損點(diǎn)引起，則停止向前檢測(cè)，對(duì)疑似破損點(diǎn)再采用DCVG技術(shù)進(jìn)行精確定位。隨著測(cè)試人員接近破損點(diǎn)，縱向電位梯度先增大；在測(cè)試人員沿管路繼續(xù)前行時(shí)，縱向電位梯度減小后又達(dá)到反向最大；隨著測(cè)試人員遠(yuǎn)離破損點(diǎn)，縱向電位梯度又恢復(fù)到零，即在破損點(diǎn)前后出現(xiàn)一個(gè)波峰和波谷[6]。

在動(dòng)態(tài)雜散電流影響管道的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行雜散電流校正以提供管道真實(shí)瞬間斷電電位。在雜散電流區(qū)至少設(shè)置兩個(gè)智能記錄器，其間距不超過(guò)2 km，同步記錄附近測(cè)試樁處雜散電流和地電流對(duì)管地電位的影響，利用這些數(shù)據(jù)對(duì)CIPS數(shù)據(jù)中動(dòng)態(tài)雜散電流電位偏移進(jìn)行校正。為使補(bǔ)償有效，智能記錄器的設(shè)置完全與測(cè)試主機(jī)相同，兩者記錄電位要精確同步。所有測(cè)試數(shù)據(jù)都標(biāo)有UTC時(shí)間。

2 數(shù)據(jù)處理和分析

將CIPS/DCVG檢測(cè)結(jié)果和智能記錄儀記錄的管地電位通過(guò)超級(jí)終端下載到計(jì)算機(jī)，將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL表格進(jìn)行處理。

首先處理智能記錄儀記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)試樁上管地電位 （P/Son、P/Soff）的平均值及各時(shí)刻相對(duì)平均值偏差△P/Son、△P/Soff，用以修正CIPS結(jié)果。圖1為智能數(shù)據(jù)記錄儀在T187#測(cè)試樁處測(cè)得的管地電位?？梢钥吹接捎谠摴芏闻c哈大電氣化鐵路平行，存在較嚴(yán)重的雜散電流干擾，管地電位波動(dòng)比較大。

利用EXCEL表格中的Lookup函數(shù)功能，用CIPS測(cè)量結(jié)果中的通電電位和斷電電位減去智能數(shù)據(jù)記錄儀中對(duì)應(yīng)的相同UTC時(shí)間的電位偏差△P/Son、△P/Soff，得到管道真實(shí)的Von和Voff，即完成了管地電位的校正。圖2和圖3分別給出T187#～T186#段校正前后的CIPS/DCVG測(cè)試曲線，主縱軸為通/斷管地電位，副縱軸為電位梯度，圖中最下面曲線為電位梯度曲線。圖2中測(cè)試曲線，由于受到雜散電流干擾，通/斷電電位波動(dòng)較大，難以判斷陰極保護(hù)水平和防腐層缺陷情況。

圖3為T187#～T186#段校正后的管地電位，電位曲線較平滑，消除了大部分雜散電流等因素對(duì)管地電位的干擾，有利于防腐層缺陷點(diǎn)的識(shí)別。圖中顯示T187#-136 m和T187#-158 m兩處，通/斷電電位均正向偏移，均未達(dá)到-850 mV準(zhǔn)則，陰極保護(hù)不足。兩處電位梯度均呈現(xiàn)先負(fù)向增大后減小到零，又正向增大再減小，判定有防腐層破損點(diǎn)2處，其IR%為分別為31%和28.8%。根據(jù)NACE RP0502標(biāo)準(zhǔn)，將間接檢測(cè)結(jié)果指示按嚴(yán)重性進(jìn)行分類，兩處破損點(diǎn)處的斷電電位均正于陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則，并結(jié)合IR%大小，最終兩處均列為中等指示。

3 開(kāi)挖驗(yàn)證

項(xiàng)目組對(duì)以上兩處均進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證。

T187#-136 m位于五道河防洪堤內(nèi)田地邊，開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有大塊水泥支撐物即固定墩，無(wú)法進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。其他多處檢測(cè)到的防腐層缺陷處開(kāi)挖也發(fā)現(xiàn)為水泥支墩，說(shuō)明水泥支墩處防腐層質(zhì)量差。

對(duì)T187#-158 m進(jìn)行了開(kāi)挖檢查，該處土壤電阻率處于20～50 Ω·m內(nèi)，土壤電阻率中等偏??；土壤pH值為6.4，略呈酸性；土壤含水量為18%，土壤含鹽量為1.64‰，含鹽量高；管材自腐蝕電位為-579 mV，氧化還原電位為362 mV，細(xì)菌腐蝕傾向輕微，管道暴露后用近參比法和地表參比法分別測(cè)得管道保護(hù)電位為-0.913 V和-0.895 V，土壤腐蝕性中等。該處防腐層原為三油三布普通級(jí)石油瀝青防腐層，開(kāi)挖段管頂防腐層無(wú)明顯破損，部分無(wú)聚氯乙烯工業(yè)膜，管體中下部防腐層周圍土壤環(huán)境中存在白色結(jié)晶物，管體防腐層整體老化破損嚴(yán)重，部分位置厚度不符合最小厚度 （4 mm）要求。使用3 kV電壓進(jìn)行電火花檢測(cè)，出現(xiàn)普遍擊穿現(xiàn)象。防腐層清除后，管體呈現(xiàn)大面積均勻腐蝕，有紅褐色腐蝕產(chǎn)物，初步判定為Fe2O3和Fe3O4。徹底清除防腐層后未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑，為均勻腐蝕。管體最小剩余厚度為8.73 mm，大于設(shè)計(jì)厚度 （9 mm）的90%，腐蝕程度屬于I級(jí)，即腐蝕很小，不需要維修，可以繼續(xù)使用。

開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)于受雜散電流干擾影響的鐵大線管道，采用的CIPS/DCVG組合檢測(cè)方法有效，防腐層缺陷定位準(zhǔn)確，且該管體外腐蝕危害輕。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)于陰極保護(hù)不足管段，應(yīng)調(diào)節(jié)恒電位儀工作參數(shù)，使管道達(dá)到最低保護(hù)電位要求，防腐層改造時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮陰極保護(hù)不足段管道。

（2）CIPS/DCVG組合檢測(cè)可以全面檢測(cè)外防腐層的狀況和有效評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的效果，確定和識(shí)別由防腐層缺陷或破損造成的陰極保護(hù)不足的位置，便于評(píng)價(jià)管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)完整性情況，為管道的維護(hù)、維修與監(jiān)控提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。

（3）在雜散電流干擾地區(qū)，利用智能記錄儀記錄的數(shù)據(jù)對(duì)CIPS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，能有效排除雜散電流對(duì)CIPS檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，獲得更加準(zhǔn)確的極化電位從而可用于評(píng)價(jià)陰極保護(hù)水平，并結(jié)合電位梯度有效判別防腐層破損點(diǎn)的位置和大小。

[1]NACE RP0502-2002，Pipeline External Corrosion Direct Assessment Methodology[S].

[2]Peter Nicholson.Combined CIPS and DCVG Surveys for Improved Data Correlation[A].NACE Corrosion 2007[C].Nashville,TN:NACE，2007.Paper 07181.

[3]NACE SP 0207-2007，Performing Close-Interval Potential Surveys and DC Surface Potential Gradient Surveys on Buried or Submerged Metallic Pipelines[S].

[4]Peter Nicholson.Correcting CIPS Surveys for Stray and Telluric Current Interference[A].NACE Corrosion 2007[C].Nashville,TN:NACE，2007.Paper 07182.

[5]涂明躍，葛艾天.陜京管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)（ECDA）實(shí)踐[J].腐蝕與防護(hù)，2007，（7）:369-372.

[6]Segall S M,Eng P.Use of an Integrated CIPS/DCVG Survey in the ECDA Process[A].NACE Corrosion 2007[C].Nashville,TN:NACE，2007.Paper 06193.