密間距電位檢測(cè)技術(shù)(CIPS)在陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

曹生虎 湯天遴 桑紹雷

(北京普斯維斯防腐科技有限公司，北京 100102)

0 引言

埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)有效性的傳統(tǒng)檢測(cè)方法是在管道測(cè)試樁位置采用地表法進(jìn)行管地電位測(cè)量，通過測(cè)得的管道對(duì)大地的電位差來判斷管道電位是否介于技術(shù)規(guī)范要求的-0.85～-1.2V之間。一般使用高阻抗數(shù)字萬用表和飽和Cu/CuSO4參比電極，在管道測(cè)試樁處進(jìn)行電位測(cè)量。該檢測(cè)方法的最大問題在于檢測(cè)結(jié)果只能對(duì)測(cè)試樁附近很短的距離有效(一般不超過3m)，而管道測(cè)試樁按照技術(shù)規(guī)范要求一般按照間距1km進(jìn)行布置(環(huán)境復(fù)雜區(qū)域可能加密)，這使得采用地表法檢測(cè)的管地電位來判斷整條管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性明顯不科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。同時(shí)對(duì)管道沿線的某些局部影響因素，如距離測(cè)試樁很近的較大防腐層缺陷可以對(duì)測(cè)試樁的檢測(cè)讀數(shù)產(chǎn)生較大的影響，對(duì)于距離測(cè)試樁較遠(yuǎn)管道上的諸如金屬搭接等故障無法通過數(shù)據(jù)反映出來。由此可見，通過傳統(tǒng)方法檢測(cè)測(cè)試樁管的電位得出管道防護(hù)方面的信息是有局限性的。為打破只能在測(cè)試樁上陰極保護(hù)電位的檢測(cè)限制，大約在50年前歐洲出現(xiàn)了管道密間距電位檢測(cè)技術(shù)。在檢測(cè)過程中，用一根長(zhǎng)導(dǎo)線通過某個(gè)測(cè)試樁上測(cè)試線與管道相連，沿著管線路由以小間距測(cè)量管地電位。由于整條管道的金屬管體可以看做個(gè)等電位體，這樣可測(cè)出管道路由上任意點(diǎn)的陰極保護(hù)電位數(shù)值，進(jìn)而得到整條管線上陰極保護(hù)電位的分布情況，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)防范措施。CIPS檢測(cè)設(shè)備是使用一個(gè)具有數(shù)據(jù)記錄功能的靈敏毫伏表替換常規(guī)的萬用表，對(duì)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)加以記錄，并配合數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

1 密間距電位測(cè)量(CIPS)法技術(shù)原理

密間距電位測(cè)量是在有陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道上，通過測(cè)量管道的管地電位沿管道的變化(一般每隔1-5米測(cè)量一個(gè)點(diǎn))，來分析判斷防腐層的狀況和陰極保護(hù)系統(tǒng)是否有效。陰極保護(hù)電流(CP)加載到管道上時(shí)，通過管道、防腐層和土壤構(gòu)成回路。在回路中加入電流中斷器定時(shí)中斷陰極保護(hù)電流，這樣就可以通過GPS 同步測(cè)量。測(cè)量出的電位有通電位(Von)和斷電位(Voff)兩種測(cè)量時(shí)能得到兩種管地電位，分別是陰極保護(hù)系統(tǒng)電源開時(shí)的管地通電位(Von電位)，陰極保護(hù)電流瞬間關(guān)斷電位(Voff電位)，見圖1。

圖1 密間距電位測(cè)量原理圖

日常測(cè)量陰極保護(hù)電位的方法中，使用數(shù)字萬用表和飽和硫酸銅參比電極進(jìn)行測(cè)量。所測(cè)得的電位是管體與地面間的電位差(包含土壤的IR電壓降)，而管道的真實(shí)保護(hù)電位是指管體到與防腐層接觸的土壤之間的電位差。

Voff是陰極保護(hù)電流瞬間關(guān)斷電位，該電位是陰極保護(hù)電流對(duì)管道的“極化電位”，在陰極保護(hù)系統(tǒng)關(guān)閉的瞬間時(shí)土壤中流動(dòng)電流為0，因此Voff電位不含土壤的IR電壓降，所以，Voff電位是實(shí)際有效的保護(hù)電位。目前國(guó)外評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)效果的準(zhǔn)則大部分采用Voff值來判斷(即≤-850mV 有效，-1200mV時(shí)過保護(hù))[1]。國(guó)內(nèi)目前大部分地區(qū)由于受測(cè)量技術(shù)的限制仍沿用Von電位來評(píng)價(jià)保護(hù)效果的居多，這樣就存在一定的偏差，特別是對(duì)防腐層破損及管道在高阻值埋設(shè)區(qū)域的保護(hù)效果出現(xiàn)誤判。

2 CIPS測(cè)量步驟

(1)管道定位。在進(jìn)行CIPS檢測(cè)之前，須用管線定位儀來確定管線路由，同時(shí)采用木樁標(biāo)識(shí)，以確保參比電極始終沿管線頂部進(jìn)行放置。

(2)檢測(cè)前準(zhǔn)備。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前一天需對(duì)CIPS主機(jī)及斷電器進(jìn)行充電，探杖進(jìn)行硫酸銅溶液灌裝。

(3)串接電流中斷器。對(duì)所有為獨(dú)立管道提供陰極保護(hù)電流的陰極保護(hù)站恒電位儀串接電流中斷器，且電流中斷器中斷周期與主機(jī)一致，同時(shí)電流中斷器及主機(jī)架設(shè)GPS衛(wèi)星，以保證所有中斷器與主機(jī)同步中斷；對(duì)存在犧牲陽極保護(hù)的管段，原則上需將犧牲陽極斷開檢測(cè)。

(4)尾線連接。將準(zhǔn)備好的漆包線(一般在0.15mm～0.3mm之間)用小刀或打火機(jī)將外層包漆剔除干凈，與管道測(cè)試樁測(cè)試線進(jìn)行電性連接，確保接觸良好，接頭牢固。

(5)檢測(cè)。雙手持探杖，以80～100步/分為行進(jìn)速度，實(shí)踐證明沿管線正上方以扭秧歌姿勢(shì)行進(jìn)，可以保證探杖與地面充分接觸，避免大量無效數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。檢測(cè)過程中需有專人對(duì)尾線進(jìn)行維護(hù)，避免車輛、植被或人為繃斷。

(6)記錄。在檢測(cè)過程中，詳細(xì)記錄恒電位儀輸出，測(cè)試樁編號(hào)及主機(jī)顯示異常數(shù)據(jù)管段周圍環(huán)境情況，以備后續(xù)分析數(shù)據(jù)，查找異常原因。

(7)分析。檢測(cè)完畢，通過專用軟件將檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，繪制通斷電電位曲線圖，確定電位異常管段，分析原因。見圖2。

3 CIPS在長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)有效性檢測(cè)的應(yīng)用

3.1 管線背景

某管線分兩段，其中一段于1998年投產(chǎn)，采用石油瀝青防腐層，另一段于2004年投產(chǎn)，采用3PE防腐層，管線全長(zhǎng)179Km，大部分處于沙漠地段，管線采用外加電流的陰極保護(hù)方式，其中全線共設(shè)7個(gè)陰極保護(hù)站。

3.2 CIPS檢測(cè)過程中需注意的問題

3.2.1 CIPS通斷時(shí)間

根據(jù)GB21246規(guī)范要求CIPS檢測(cè)過程中典型的通/斷周期宜為：通電800ms，斷電200ms或通電4s，斷電1s或通電12s，斷電3s。本次CIPS檢測(cè)采用的是英國(guó)雷迪公司生產(chǎn)的儀器，采用通電4000ms，斷電1000ms。

在檢測(cè)管線斷電電位過程中，電流中斷后的受斷電脈沖影響，管/地電位會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間波動(dòng)，最終趨于穩(wěn)定。因此在GPS同步中斷模式下測(cè)量整流器OFF電位時(shí)， 需在GPS中斷器關(guān)斷整流器后設(shè)置一段延遲時(shí)間，可增加測(cè)量的準(zhǔn)確度。依據(jù)CIPS檢測(cè)中設(shè)置的OFF時(shí)間，延遲時(shí)間的設(shè)置應(yīng)滿足表1。

圖2 CIPS檢測(cè)示意圖

表1 斷電時(shí)間與延時(shí)時(shí)間的關(guān)系

3.2.2 保護(hù)電流流失

在檢測(cè)管道某段與4條管線與待檢測(cè)管道呈垂直方位敷設(shè)，該管段CIPS檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)管地電位出現(xiàn)急劇下降，但隨著檢測(cè)距離的延伸管地電位慢慢上升。隨后用PCM管道防腐層檢測(cè)儀對(duì)該段管道進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)輸入點(diǎn)選在靠近管道穿越敷設(shè)的第一個(gè)測(cè)試樁處，PCM檢測(cè)通過管道穿越段信號(hào)迅速下降，且在與待檢測(cè)管道交叉敷設(shè)的一條管道上明顯檢測(cè)處電流信號(hào)，表明該條管道與檢測(cè)管道存在電性搭接。

3.2.3 直流干擾

在檢測(cè)管道某段，有3條采用聯(lián)合陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道與其平行敷設(shè)，且管道間距小于10m。該管段CIPS檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)管地電位急劇攀升，最高通電位達(dá)-2000mV，斷電位達(dá)-1600mV，但隨著檢測(cè)距離的延伸管地電位慢慢下降。經(jīng)過與并行的3條管道管理單位協(xié)商關(guān)閉陰極保護(hù)系統(tǒng)后，檢測(cè)管道通電位降至-1700mV，斷電位降至-1180mV，表明檢測(cè)管道收到其他管道陰極保護(hù)系統(tǒng)影響，見圖3。

圖3 直流干擾段CIPS檢測(cè)結(jié)果示意圖

3.2.4 長(zhǎng)效參比電極失效

管道CIPS檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)一處陰極保護(hù)站內(nèi)恒電位儀顯示的保護(hù)電位與進(jìn)站位置檢測(cè)出的管地電位存在較大差距(達(dá)350mV)，為查找原因，采用便攜式參比電極進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)站內(nèi)埋設(shè)長(zhǎng)效信號(hào)參比電極位置進(jìn)行開挖，采用進(jìn)參比法檢測(cè)，結(jié)果顯示與CIPS檢測(cè)結(jié)果接近，證明恒電位儀長(zhǎng)效信號(hào)參比電極失效。

3.2.5 陽極地床埋設(shè)位置的影響

在CIPS檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)部分管段會(huì)出現(xiàn)通電電位攀升，而斷電電位變化不明顯的情況，但隨著檢測(cè)距離的延伸通電電位逐漸恢復(fù)正常。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)類似管線全部距陽極地床距離相對(duì)較近，土壤中的電力線密度相對(duì)較大，使IR降升高，導(dǎo)致通電電位偏高。

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

由于該管道最早于1998年投產(chǎn)，采用石油瀝青防腐層，防腐層破損情況較多，CIPS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道全線斷電電位 65%處于保護(hù)狀態(tài)。

根據(jù)CIPS檢測(cè)結(jié)果可以看出，該條管線存在陰極保護(hù)電流大量流失的情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)CIPS及PCM檢測(cè)結(jié)果分析，該條管道存在防腐層破損、老化，絕緣接頭(法蘭)漏電、管道搭接等導(dǎo)致陰極保護(hù)電流流失的現(xiàn)象。經(jīng)后續(xù)開挖檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在CIPS檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的管段存在較多機(jī)械損傷防腐層的情況。

4 結(jié)束語

(1)利用CIPS檢測(cè)技術(shù)最直接的可以對(duì)整條埋地管線的陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性給予最準(zhǔn)確的評(píng)判，為后續(xù)系統(tǒng)維護(hù)比較準(zhǔn)確的切入點(diǎn)。

(2)綜合利用CIPS及PCM檢測(cè)技術(shù)，不但可以相互佐證檢測(cè)分析結(jié)果，更能準(zhǔn)確判斷整條管線防腐層、金屬搭接的準(zhǔn)確區(qū)域，還能判斷絕緣接頭(法蘭)漏電等現(xiàn)象。

(3)目前國(guó)內(nèi)對(duì)埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)(ECDA檢測(cè))規(guī)范中已經(jīng)將CIPS檢測(cè)納入為ECDA檢測(cè)評(píng)價(jià)的必選手段，在國(guó)內(nèi)中西部地區(qū)的長(zhǎng)輸埋地管道檢測(cè)中已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

[1]GB/T 21448, 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].