直流電位梯度法識別站場埋地管防腐層缺陷的影響因素

黃紅科 魏松林 章 強 劉 朝 張 鋒 徐元東 王 振 趙博康

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

作為一種非開挖檢測技術(shù)，國際相關(guān)標準實踐[1-3]或技術(shù)報告[4]中已明確要求或建議采用直流電位梯度法開展埋地管防腐層狀態(tài)檢測。該技術(shù)的應用原理是陰極保護電流在土壤中的傳播規(guī)律，電流從防腐層破損點流入埋地管，防腐層破損位置點的陰極保護電位相比于未發(fā)生破損的位置點發(fā)生明顯偏移，通過沿管線電位的變化識別防腐層缺陷，通過沿管線檢測電位的變化識別防腐層缺陷并評估狀態(tài)。相關(guān)文獻[5-13]顯示，我國已開展此技術(shù)相關(guān)研究或工程應用，但多采用室內(nèi)小型單管試驗模型，應用對象也以長輸管線居多。相比而言，站場埋地管陰極保護地電場更為復雜，在站場環(huán)境應用直流電位梯度法檢測埋地管防腐層的實踐中，其準確性一直是一項難題，國內(nèi)針對此方法在在站場中的應用研究相對較少，試驗研究多采用土壤箱模型或有限元理論分析模型[14,15]。在站場環(huán)境中，由于多條管線并排敷設，開挖實施難度更大，防腐層非開挖檢測技術(shù)的應用價值和意義更高。本文聚焦于防腐層破損缺陷非開挖檢測識別，用真實工業(yè)管道建立戶外多管并行的站場試驗環(huán)境，模擬典型應用場景，采用控制變量法，研究埋地管地表電位梯度分布規(guī)律，根據(jù)試驗檢測獲取的地表電位梯度結(jié)果分析不同影響因素對防腐層缺陷識別的影響，為實施站場埋地管防腐層缺陷非開挖檢測識別并提高該技術(shù)準確性提供參考。

1 試驗場和試驗條件

本文建立了站場埋地管試驗場，示意圖如圖1所示。試驗場中并排敷設了多根埋地管，其中1#～3#埋地管埋深均為1m，長度均為30m，4#埋地管埋深1.5m，長度80m。選擇環(huán)氧樹脂、3PE、四油三布三種典型防腐層材料，按照規(guī)范的涂敷工藝在管道上制備了防腐層。1#、2#、3#三根埋地管上均預制了直徑為50mm、80mm、113mm的圓形防腐層缺陷，分別位于管道的8m、14m、22m位置處，標記為缺陷2-A、2-B、2-C。此外，2#埋地管附近還間隔埋設了三個缺陷模擬試片，試片為圓餅形狀，試片直徑為50mm、80mm、113mm，分別標記為試片2（a）、2（b）、2（c）。試片材料與管道相同，試片緊貼于埋地管進行埋設布置。試片的一面裸露，其它表面均用防腐層涂覆，通過絕緣導線和開關(guān)與管道相連，由開關(guān)控制試片是否與埋地管連接，以此控制是否投入試驗。試驗場安裝了恒電位儀、電流調(diào)節(jié)器、深井陽極，為試驗埋地管提供陰極保護電流。試驗中，恒電位儀向管道提供陰極保護電流，通過開關(guān)可控制每根管道的斷開或投入，可根據(jù)試驗需要通過電流調(diào)節(jié)器控制陰極保護電流大小。

圖1 埋地管試驗場示意圖

2 試驗方法

本文主要涉及埋地管地表電位梯度ΔU測量、防腐層缺陷上方地表等勢線測量繪制、 缺陷上方ΔU的波動值計算。相關(guān)方法如下：

（1）地表電位梯度ΔU測量。本文所指地表電位梯度ΔU是指埋地管上方地表電位與遠大地某固定點的地表電位差。測量方法示意如圖2所示，當陰極保護系統(tǒng)調(diào)到預定狀態(tài)后，將一個參比電極（圖中遠大地參比電極）置于離試驗場足夠遠的遠大地位置固定不動，將另一個參比電極（圖中移動電極）置于管線正上方地表，電壓表正極接移動電極，負極接遠大地參比電極，電壓表測得的數(shù)值即為地表電位梯度ΔU。試驗中，從管道地表一端開始，以0.2m的間隔沿管線向另一端移動，每移動一次測量一次ΔU數(shù)值，記錄測量位置點，并以此數(shù)據(jù)為輸入繪制密間隔電位梯度ΔU曲線圖（如本文圖4、圖11等）；

圖2 地表電位梯度ΔU測量方法示意圖

圖4 單管運行與多管運行條下地表電位梯度ΔU曲線對比

圖11 單管運行不同電流條件下地表電位梯度ΔU曲線對比

（2）防腐層缺陷地表等勢線的測量繪制。方法示意如圖3所示，以缺陷正上方C點為中心點，將與電壓表負極相連的參比電極置于該點固定不動，將另一支參比電極接電壓表正極，如圖3所示，沿虛線半徑箭頭方向移動該參比電極，找出10mV等勢點A，同樣的方法，沿圓周每間隔30度角度找出一個10mV等勢點，沿圓周一圈共確定12個等勢點，連接12個等勢點構(gòu)成10mV等勢線，試驗中，每個等勢點插上標記簽，用線連接等勢點圍成等勢線，根據(jù)試驗需要，同樣的方法，找出20mV、30mV等勢點和等勢線。等勢線形貌照片如圖5～圖7所示。測量中心點C到等勢點的距離，通過繪圖軟件繪制出等勢線圖（如圖8～圖10等所示）；

圖3 缺陷上方地表等勢線的測量繪制方法示意圖

圖5 單管運行20mA電流條件下缺陷上方等勢線形貌照片

圖7 單管運行20mA電流試片接入條件下缺陷上方等勢線形貌照片

圖8 單管運行20mA電流條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖（從左至右為2-A2-B2-C）

圖10 單管運行20mA電流試片接入條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖（從左至右為2-A2-B2-C）

（3）缺陷上方ΔU的波動值計算。本文所指ΔU的波動是指按照1）中所述方法以密間隔的方式測量ΔU過程中，所測得的防腐層缺陷上方電位梯度ΔU相比于防腐層完好位置點的ΔU變化，具體表現(xiàn)為ΔU曲線中的波谷。為分析缺陷上方地表電位梯度ΔU的波動，在按圖2所示測量ΔU過程中，取未達缺陷前1m處的ΔU值和經(jīng)過缺陷后1m處的ΔU值與缺陷正上方ΔU值的差值的平均值，作為缺陷上方ΔU的波動值。相關(guān)值結(jié)果如表1～表3所示。ΔU的波動值越大，缺陷識別度越高。

表1 單管運行與多管運行地表電位梯度ΔU值波動的比較

表3 不同電流條件下地表電位梯度ΔU值波動的比較

3 試驗結(jié)果

3.1 并行管線對防腐層缺陷檢測識別的影響

站場埋地管的基本特點是多條管道并排運行，陰極保護電流從土壤流入管道的過程中相互影響，其形成的陰極保護地電場與單管運行有較大差別，對通過地表電位梯度識別防腐層缺陷產(chǎn)生影響。在控制其他條件相同的情況下，本文對單管運行和多管運行作了對比試驗。以2#管道為試驗對象，保持其陰極保護電流為20mA不變，分別在陰極保護電流僅接入2#管道和所有管道全接入的兩種工況條件下，按照第2章所述的方法測量地表電位梯度ΔU，沿管線ΔU曲線圖如圖4所示，測量并繪制缺陷上方10mV、20mV、30mV等線，單管運行和多管運行條件下的等勢線形貌照片分別如圖5和圖6所示。為更清晰觀察形貌，按照第2章所述方法繪制出等勢線形貌圖如圖8和圖9所示。觀察圖4可知，地表電位梯度ΔU在缺陷上方形成一定的波動幅度，缺陷越大，波動越大，計算獲得的ΔU值的波動值如表1所示。根據(jù)圖4，對應于相同缺陷，單管運行時，由缺陷而產(chǎn)生的ΔU值波谷較較大，根據(jù)表1，單管運行條件下產(chǎn)生的ΔU值波動幅值也更大，缺陷更易識別。如圖5所示，多管運行時，ΔU曲線上很難識別出缺陷2-A，這在工程實踐中的可能導致缺陷漏檢。對比圖5和圖6的照片，以及圖8和圖9的等勢線可知，整體上看，缺陷地表的等勢線均未形成理論上的規(guī)則圓形，這是由于土壤電阻率不可能絕對均勻所致，但等勢線總體呈圓形形貌，單管運行時，等勢線更規(guī)則。以上都說明，多管運行時，不同管道的陰極保護地電場相互影響，通過地表電位梯度識別防腐層缺陷時，其識別度明顯降低。因此，建議在站場通過直流電位梯度法識別防腐層缺陷時，盡可能斷開并行管線的陰極保護電流，提高檢測防腐層缺陷的識別度和準確性。

圖6 多管運行20mA電流條件下缺陷上方等勢線形貌照片

圖9 多管運行20mA電流條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖（從左至右為2-A2-B2-C）

圖13 單管運行5mA條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖

（a) 單管運行100mA條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖（未放大）

3.2 陰極保護電流大小對防腐層缺陷檢測識別的影響

站場條件下，由于各種因素的影響，可能導致陰極保護電流的變化。同樣以2#管道為試驗對象，控制其它變量因素不變，分別在電流強度為5mA、20mA、100mA條件下開展對比試驗，三種電流條件下的 防腐層電流密度、陰極保護電位、IR降參數(shù)如表2所示，陰極保護電位和IR降由沿管線平均分布的三個點檢測獲得。單管條件下測得的地表電位差曲線如圖11所示，分析圖11可知，電流越大，缺陷上方電位梯度ΔU曲線波谷越大，缺陷的識別度越高。5mA工況條件下，3個缺陷均很難識別。5mA、20mA、100mA三種電流工況條件下的缺陷上方等勢線形貌分別如圖12～圖14所示，對比3張圖可知，電流越大，缺陷上方等勢線越規(guī)則，相同缺陷的等勢線所圍成的圓的半徑越小，也即相等距離的電位梯度越大。由圖12可知，在5mA電流條件下，3個缺陷均僅有1條等勢線，即10mV等勢線，試驗中無法檢測到20mV和30mV等勢點，且10mV等勢線也極不規(guī)則。100mA條件下，等勢線半徑很小，等勢線之間的間距也很小，說明相等距離間的地表電勢差較大。為便于觀察分析，在圖14（b）中放大顯示了3個缺陷的等勢線形貌，由該圖可知，相比之下，3個缺陷等勢線都較為規(guī)則，說明電流越大，缺陷周圍地電場受環(huán)境影響越小，地電位場分布越規(guī)律，也更易于識別缺陷。表3的數(shù)據(jù)進一步說明，陰極保護電流越大，地表電位梯度ΔU越大，防腐層缺陷的識別度越高。以上均表明，電流強度越大，對通過直流電位梯度法識別缺陷越有利，缺陷的識別度越高。基于此，在通過直流電位梯度法識別防腐層缺陷時，可通過適當增大陰極保護電流的方法提高檢測識別的準確度。同時，為保障陰極保護電流的穩(wěn)定性和安全性，僅在檢測識別防腐層缺陷過程中短時適當提高陰極保護電流，檢測完畢，應進行恢復。

圖12 單管運行5mA條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖

圖14 單管運行100mA條件下缺陷上方等勢線形貌繪圖

表2 不同電流工況條件下的陰極保護參數(shù)

3.3 缺陷數(shù)量及其分布對防腐層缺陷檢測識別的影響

隨著埋地管服役時間越來越長，埋地管防腐層逐漸發(fā)生老化降質(zhì)，其缺陷數(shù)量和分布密度均可能增大。本文研究了缺陷數(shù)量和分布密度增加后對缺陷檢測識別的影響。同樣以2#管為試驗對象，控制其它條件不變，通過接入試驗場中預埋的試片來模擬增加防腐層缺陷數(shù)量和分布密度，試片與防腐層缺陷間隔布置（如圖1所示），針對無試片和接入試片兩種工況條件下開展對比檢測試驗，在20mA和100mA兩種電流條件下開展試驗，獲得的電位梯度ΔU曲線對比圖分別如圖15和圖16所示，缺陷上方等勢線形貌對比分別如圖17和圖18所示，缺陷上方電位梯度ΔU波動幅度對比如表4所示。

圖17 20mA電流條件下有無試片缺陷等勢線對比

圖18 100mA電流條件下有無試片缺陷等勢線對比

根據(jù)圖15和圖16，對比分析無試片和試片接入兩種工況條件下沿管線的ΔU曲線變化。兩圖均表明，試片接入后，防腐層缺陷上方地表ΔU曲線波谷明顯減小，表4進一步從數(shù)據(jù)上說明，缺陷上方地表電位梯度ΔU明顯減小，防腐層缺陷識別度降低。由圖15可知，20mA條件下，試片接入后，沿管線地表電位梯度ΔU趨向平穩(wěn)，通過曲線圖識別防腐層缺陷的難度增加。這是由于試片接入對防腐層缺陷周圍地電場產(chǎn)生影響，進而缺陷與缺陷之間的檢測信號相互產(chǎn)生干擾所致。對比圖15和圖16，在20mA和100mA兩種電流工況下，試片接入對防腐層缺陷的檢測識別的影響呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，由于電流的增大，缺陷上方ΔU增大，防腐層缺陷識別度有所提高。

圖15 單管運行20mA條件下有無試片地表電位梯度ΔU曲線對比

圖16 單管運行100mA條件下有無試片地表電位梯度ΔU曲線對比

表4 有無試片缺陷上方地表電位梯度ΔU波動幅度對比

根據(jù)圖17和圖18，對比無試片和試片接入兩種工況條件下缺陷上方等勢線變化，并由此分析缺陷之間信號的掩蓋和干擾。試片接入后，相比于無試片的試驗工況，等勢線均向不規(guī)則的趨勢發(fā)展。無試片工況下，20mA和100mA試驗條件下，均能檢測出10mV、20mV、30mV三圈等勢線。而在試片接入后，在20mA條件下，較小的缺陷2-A和缺陷2-B均只能檢測到10mV和20mV兩圈等勢線，在100mA的條件下，最小缺陷2-A的等勢線無法形成完整閉環(huán)。再結(jié)合圖15和圖16進行分析，在同一管道上，當缺陷數(shù)量增加后，缺陷的電位梯度ΔU曲線趨向平穩(wěn)，難以識別小缺陷的波谷，導致無法從檢測數(shù)據(jù)和圖形中準確獲取小缺陷位置，甚至無法發(fā)現(xiàn)缺陷，從檢測結(jié)果圖中僅能清晰識別大缺陷。綜合以上等勢線變化和ΔU曲線變化分析結(jié)果表明，缺陷數(shù)量增加后，鄰近的缺陷之間的檢測信號存在相互干擾，大缺陷的檢測信號對小缺陷的檢測信號形成了一定的干擾和掩蓋，導致小缺陷的識別度降低。因此，在工程檢測中，檢測出大缺陷的同時，應加強對大缺陷周圍的檢測結(jié)果的分析，充分與首次檢測結(jié)果對比，提高小缺陷的檢出率。

以上分析表明，防腐層缺陷數(shù)量和密度增加后，將對直流電位梯度法檢測識別防腐層缺陷產(chǎn)生不利影響，且大缺陷的檢測信號對小缺陷的檢測信號形成一定的干擾和掩蓋，防腐層缺陷尤其是小缺陷的識別度明顯降低。因此，在采用直流電位梯度法檢測防腐層缺陷的工程實踐中，防腐層質(zhì)量越好，其檢測效果越好，建議從埋地管服役初期即開始實施檢測，持續(xù)定期檢測，通過對比及時發(fā)現(xiàn)缺陷，提高檢測的準確性。

4 結(jié)語

基于本文的系列試驗研究，有關(guān)采用直流電位梯度法檢測識別防腐層缺陷，得出結(jié)論及形成的建議如下：

（1）站場環(huán)境中，由于并行埋地管的陰極保護電流相互影響，導致防腐層檢測識別度降低。建議在檢測實踐中，盡可能斷開臨近并行埋地管的陰極保護電流，提高防腐層缺陷非開挖檢測識別的準確性；

（2）其它環(huán)境參數(shù)不變，陰極保護電流增大時，防腐層缺陷上方地電位分布更加規(guī)律，防腐層缺陷上方地表電位梯度ΔU波動變大，缺陷的識別度增加。建議在檢測實踐中，可適當提高陰極保護電流，以提高防腐層缺陷識別度和缺陷檢測率。同時，基于陰保系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，檢測完畢應恢復到正常狀態(tài)；

（3）其它參數(shù)不變，當防腐層缺陷數(shù)量和分布密度增加時，防腐層缺陷上方地電位分布規(guī)律性減弱，防腐層缺陷上方地表電位梯度ΔU波動幅度變小，同時鄰近缺陷之間檢測信號存在相互干擾，大缺陷對小缺陷的檢測信號也存在干擾和掩蓋，缺陷識別度降低。建議在工程實踐中，從埋地管新投入服役就開始實施防腐層缺陷檢測識別，通過定期檢測對比及時識別防腐層狀態(tài)變化，提高防腐層缺陷識別準確性；

（4）影響防腐層缺陷檢測檢測識別的還有其它因素，如土壤電阻率的不均勻分布和雜散干擾等，這些均有待進一步持續(xù)研究探索。