核電廠埋地管防腐蝕層缺陷的定位與尺寸檢測(cè)

黃紅科，章強(qiáng)，魏松林，劉朝，張江濤，張鋒，但體純，龔怒，肖調(diào)兵

（1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，海鹽 314300）

防腐蝕層和陰極保護(hù)系統(tǒng)是防止埋地管腐蝕失效的有效屏障，防腐蝕層老化檢測(cè)是有效控制防腐蝕層老化降質(zhì)失效、保障埋地管正常運(yùn)行的重要措施，美國(guó)核管會(huì)在核電廠通用經(jīng)驗(yàn)反饋報(bào)告中對(duì)埋地管防腐蝕層的管理作了明確規(guī)定［1］。核電廠地下埋地管線(xiàn)龐雜，考慮到大量開(kāi)挖檢測(cè)可能會(huì)對(duì)核電廠的安全運(yùn)行造成不利影響，需建立非開(kāi)挖或少開(kāi)挖的埋地管防腐蝕層檢測(cè)技術(shù)。美國(guó)電力研究院在多份技術(shù)報(bào)告中建議采用直流電位梯度法開(kāi)展埋地管防腐蝕層和陰極保護(hù)的檢測(cè)［2-3］，美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)也已經(jīng)將直流電位梯度法作為一種間接檢查方法列入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。

國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了埋地管防腐蝕層缺陷周?chē)帢O保護(hù)電流分布規(guī)律的探索工作，這些工作主要是基于土壤箱試驗(yàn)的理論研究［4］，而用直流電位梯度法開(kāi)展防腐蝕層破損定量檢測(cè)的研究報(bào)道較少。

本工作建立了室外真實(shí)埋地管試驗(yàn)場(chǎng)，模擬核電廠埋地管服役環(huán)境，研究地表電位差與防腐蝕層缺陷位置及尺寸的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量地表電位差實(shí)現(xiàn)對(duì)埋地管防腐蝕層缺陷定位和尺寸檢測(cè)，進(jìn)而為建立非開(kāi)挖或少開(kāi)挖的防腐蝕層檢測(cè)方法提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

如圖1所示，A 為防腐蝕層缺陷的中心位置，M為A 正上方地表上的位置，B為地表上與M 點(diǎn)有電位差的點(diǎn)，R為等電位差的若干點(diǎn)圍成的圓的半徑，即地表等電位差線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)等勢(shì)線(xiàn)半徑）。當(dāng)防腐蝕層發(fā)生破損后，從陽(yáng)極地床發(fā)出的陰極保護(hù)電流經(jīng)土壤從防腐蝕層破損點(diǎn)流入埋地管，理論上形成一個(gè)漏斗形等電勢(shì)場(chǎng)，圖中箭頭方向?yàn)殡娏鞣较?。在土壤表面，M 點(diǎn)的電位最低，距離M 點(diǎn)越遠(yuǎn)，電位逐漸升高。在M 點(diǎn)設(shè)置一個(gè)參比電極1，在距離M 點(diǎn)為x的某點(diǎn)設(shè)置參比電極2，可測(cè)量地表電位差，如圖2所示，電壓表負(fù)極連接參比電極1（缺陷正上方M 點(diǎn)），電壓表正極連接參比電極2。在地表通過(guò)測(cè)量可繪制出地表等電位差線(xiàn)，根據(jù)試驗(yàn)需要調(diào)整x，開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。

圖1 防腐蝕層缺陷周?chē)寥离妱?shì)場(chǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil electric potential field around the anti-corrosion coating defect

圖2 地表電位差測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of ground surface potential difference test

根據(jù)陰極保護(hù)下埋地管防腐蝕層缺陷周?chē)妶?chǎng)的相關(guān)理論，防腐蝕層缺陷尺寸可用式（1）表示：

式中：D為防腐蝕層缺陷直徑；t為管道埋深；ΔU為缺陷正上方M 點(diǎn)周?chē)滁c(diǎn)B（隨距離x的變動(dòng)而變動(dòng)）到缺陷正上方M 點(diǎn)的地表電位差；ΔE為缺陷上方M 點(diǎn)的通斷電電位差，即土壤電位降。

該式是基于若干假設(shè)條件下的理論模型，影響土壤環(huán)境的因素很多，實(shí)際土壤環(huán)境難以達(dá)到理論假設(shè)的條件。

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)和試驗(yàn)條件

為模擬核電廠埋地管現(xiàn)場(chǎng)服役環(huán)境，建立了試驗(yàn)場(chǎng)，如圖3所示。敷設(shè)多根尺寸與核電廠常用埋地管相當(dāng)?shù)穆竦毓?，長(zhǎng)度為30～80 m，并排間距為3～5 m。選擇環(huán)氧樹(shù)脂（1號(hào)管）、3PE（三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯，2號(hào)管）和四油三布（3號(hào)管）三種典型核電廠埋地管用防腐蝕層材料，按照工藝規(guī)范涂敷在管道上。三種防腐蝕層的絕緣電阻率從大到小依次為3PE、環(huán)氧樹(shù)脂、四油三布。圖中4 號(hào)管遠(yuǎn)離1～3號(hào)管道，每根埋地管上預(yù)制了直徑分別為50，80，113 mm 的防腐蝕層缺陷，分別位于管道的8，14，22 m 處，其布置示意圖見(jiàn)圖4。試驗(yàn)場(chǎng)安裝了恒電位儀、電流調(diào)節(jié)器、深井陽(yáng)極，恒電位儀向管道提供陰極保護(hù)電流，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制每根管道的斷開(kāi)或接入，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器控制陰極保護(hù)電流的大小。

圖3 埋地管試驗(yàn)場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of buried pipe test site

圖4 埋地管防腐蝕層預(yù)制缺陷示意圖Fig.4 Schematic diagram of anticorrosion coating prefabricated defects on buried pipe

2 防腐蝕層缺陷定位

2.1 并行管道對(duì)地表電位差的影響

防腐蝕層缺陷定位可通過(guò)檢測(cè)地表電位實(shí)現(xiàn)，地表電位最高點(diǎn)為防腐蝕層缺陷位置。核電廠廠區(qū)埋地管并排運(yùn)行，地表電場(chǎng)較為復(fù)雜，這對(duì)電位差的檢測(cè)有所干擾。為了研究并行管道對(duì)地表電場(chǎng)的影響，分別在2號(hào)管道單獨(dú)運(yùn)行和全部管道并行兩種工況下開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，控制陰極保護(hù)電流為20 m A，沿2號(hào)管道以0.2 m 的間隔測(cè)量管道上方的地表電位。如圖5所示，兩種工況下，缺陷越大，地表電位越大，且在兩個(gè)較大的缺陷處均呈現(xiàn)出明顯的電位波峰。單管運(yùn)行工況下，缺陷位置的地表電位波峰更高，更易于識(shí)別缺陷，這是因?yàn)樵诙喙苓\(yùn)行工況下，多根管道的陰極保護(hù)電流進(jìn)入土壤并相互影響，形成相對(duì)均勻的地電位場(chǎng)。綜上所述，通過(guò)地表電位可準(zhǔn)確識(shí)別單管運(yùn)行工況下的防腐蝕層缺陷位置，缺陷越大，地表電位的波峰越高，多管運(yùn)行工況下缺陷定位識(shí)別度有所降低。實(shí)際檢測(cè)中，可通過(guò)斷開(kāi)并排相鄰管道的陰極保護(hù)電流提高缺陷定位檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖5 單管運(yùn)行和多管并行工況下地表電位的變化Fig.5 Changes of ground surface potential under the working condition of single pipe operation and multiple pipes operation in parallel

2.2 防腐蝕層種類(lèi)對(duì)缺陷地表電位的影響

在陰極保護(hù)電流相同的條件下，不同防腐蝕層的絕緣電阻率不同，其缺陷周?chē)牡仉娢粓?chǎng)也不同。試驗(yàn)中陰極保護(hù)正常開(kāi)啟并維持管地電位在合理保護(hù)區(qū)間內(nèi)，陰極保護(hù)電流相同，沿管道方向測(cè)得管道上方的地表電位。由圖6可知，1～3號(hào)埋地管在缺陷處均呈現(xiàn)出地表電位波峰，與2.1中的試驗(yàn)規(guī)律相似，缺陷越大，地表電位波峰越高。對(duì)比3根埋地管，2號(hào)管道的地表電位最大，1號(hào)管道的次之，3號(hào)管道的最小。這是因?yàn)橥旰玫姆栏g層也會(huì)存在均勻微弱的電流泄漏，防腐蝕層絕緣電阻率越高，電流泄漏就越少（缺陷上方地表電位越大，與其他位置形成出的地表電位差也就越大）。綜上所述，防腐蝕層的絕緣電阻率越大，缺陷上方地表電位越大，越適宜通過(guò)直流電位梯度法對(duì)防腐蝕層缺陷進(jìn)行定位。

圖6 3根埋地管上方地表電位的變化Fig.6 Changes of ground surface potential of 3 buried pipes

3 防腐蝕層缺陷的尺寸檢測(cè)

3.1 缺陷上方地表電位差等勢(shì)線(xiàn)整體形貌

基于1.1節(jié)的試驗(yàn)原理，通過(guò)測(cè)量缺陷上方以M 點(diǎn)為圓心的周?chē)乇黼娢徊瞀，觀察等勢(shì)線(xiàn)的實(shí)際形貌及分布規(guī)律。保持陰極保護(hù)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，控制1號(hào)管、2號(hào)管、3號(hào)管的陰極保護(hù)電流相等，以M 點(diǎn)為圓心，沿不同角度分別測(cè)量確定12個(gè)等電位差為10，20，30 m V 的點(diǎn)，將12個(gè)等電位差的點(diǎn)用線(xiàn)圍成圓，在某管道3個(gè)缺陷位置處分別開(kāi)展試驗(yàn)。

由圖7可知，等勢(shì)線(xiàn)以缺陷正上方為圓心，并未呈現(xiàn)出理論上規(guī)則的圓形，但近似于圓形。部分等勢(shì)點(diǎn)偏離導(dǎo)致等勢(shì)線(xiàn)不規(guī)則，且缺陷越大，等勢(shì)線(xiàn)越規(guī)則。這表明，以缺陷正上方M 點(diǎn)為中心，缺陷周邊形成近似圓形的等勢(shì)線(xiàn)，由于土壤電阻率不可能絕對(duì)均勻，導(dǎo)致等勢(shì)線(xiàn)不規(guī)則。另外，缺陷越大，從缺陷處流入的電流越大，地電場(chǎng)電流密度越大，受土壤影響越小，等勢(shì)線(xiàn)越規(guī)則。

圖7 不同直徑的防腐蝕層缺陷上方地表等勢(shì)線(xiàn)形貌Fig.7 Ground surface equipotential line morphology above the anti-corrosion coating defect with different diameters

3.2 缺陷上方與遠(yuǎn)大地地表電位差的分布規(guī)律

保持陰極保護(hù)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，控制1號(hào)管、2號(hào)管、3號(hào)管的陰極保護(hù)電流相等，以防腐蝕層缺陷正上方M 點(diǎn)為圓心，測(cè)量缺陷周?chē)?～5 m范圍內(nèi)地表電位與缺陷上方M 點(diǎn)的地表電位差，以此反映地表電位差的分布規(guī)律。由圖8可知，距離缺陷越遠(yuǎn)，地表電位差越趨于穩(wěn)定，單位距離內(nèi)電位差越大，缺陷越大，相等距離的電位差越大；反之，缺陷越小，相等電位差點(diǎn)離缺陷的距離越小。

圖8 不同直徑缺陷上方地表電位差的分布Fig.8 Distribution of the ground surface potential difference above the defects with different diameters

3.3 防腐蝕層缺陷大小與地表電位差的關(guān)系

與上述試驗(yàn)相同，保持每根埋地管的陰極保護(hù)電流相同，測(cè)量地表電位差，擬合地表電位差與缺陷直徑的關(guān)系。為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，取與缺陷正上方M 點(diǎn)距離為1 m 的圓周上12個(gè)等間隔點(diǎn)的測(cè)量值均值。

由圖9、圖10及表1可知，地表電位差與通斷電電位差之比和地表電位差均與防腐蝕層缺陷直徑呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系，擬合優(yōu)度均高于98%。其中，圖9中曲線(xiàn)平均擬合優(yōu)度高于圖10中的，這表明地表電位差與通斷電電位差之比的方法略?xún)?yōu)于直流電位梯度法。另外，三種防腐蝕層管道的曲線(xiàn)擬合優(yōu)度中2號(hào)管道的最高，1號(hào)管道的次之，3號(hào)管道的最低。這是由于防腐蝕層絕緣電阻率越大，其均勻微小的泄漏電流對(duì)缺陷位置電位場(chǎng)的影響就越小，防腐蝕層缺陷周?chē)娢粓?chǎng)越規(guī)律，這一結(jié)論與與2.2節(jié)的相同。綜上所述，可通過(guò)測(cè)量地表電位差，并開(kāi)挖少數(shù)缺陷，建立地表電位差與防腐蝕層缺陷直徑的關(guān)系模型，用于檢測(cè)其他防腐蝕層缺陷的直徑。

表1 圖9和圖10中曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度分析Tab.1 Analysis of fit goodness of the curves in Figure 9 and Figure 10

圖9 地表電位差與通斷電電位差的比值與缺陷直徑的關(guān)系Fig.9 Relationship between the ratio of ground surface potential difference to on-off potential difference and the defect diameter

圖10 地表電位差與缺陷直徑的關(guān)系Fig.10 Relationship between surface potential difference and defect diameter

3.4 防腐蝕層缺陷直徑與地表等勢(shì)線(xiàn)半徑的關(guān)系

與3.3節(jié)中的試驗(yàn)條件相同，保持3根管道的陰極保護(hù)電流相同，以防腐蝕層缺陷正上方M 點(diǎn)為圓心，分別測(cè)量并繪制10，20，30 m V 等勢(shì)線(xiàn)，以等勢(shì)線(xiàn)圍成的圓的半徑為等勢(shì)線(xiàn)半徑，為減小誤差，取等勢(shì)線(xiàn)上12個(gè)點(diǎn)到圓心的距離的平均值為等勢(shì)線(xiàn)半徑。在每個(gè)缺陷上方均開(kāi)展相同的試驗(yàn)并獲取數(shù)據(jù)。

由圖11、表2和表3分析可知，等勢(shì)線(xiàn)半徑與防腐蝕層缺陷直徑呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系，擬合優(yōu)度均高于95%，平均擬合優(yōu)度達(dá)97.55%。通過(guò)開(kāi)挖可測(cè)量少數(shù)防腐蝕層缺陷直徑、地表等勢(shì)線(xiàn)半徑，并建立地表等勢(shì)線(xiàn)半徑與防腐蝕層缺陷直徑的關(guān)系模型，通過(guò)地表電位差和等勢(shì)線(xiàn)半徑的測(cè)量也可計(jì)算埋地管防腐蝕層缺陷的直徑。

表2 圖11中曲線(xiàn)的擬合優(yōu)度分析Tab.2 Analysis of fit goodness of the curves in Figure 11

表3 通斷電電位數(shù)據(jù)Tab.3 On-off potential data

圖11 缺陷上方地表等勢(shì)線(xiàn)半徑與缺陷直徑的關(guān)系Fig.11 Relationship between the radius of surface equipotential line above defect and the diameter of defect

3.5 基于少量開(kāi)挖的防腐蝕層缺陷直徑校核計(jì)算

對(duì)基于ΔU／ΔE、ΔU、R與埋地管防腐蝕層缺陷直徑的線(xiàn)性關(guān)系建立的校核計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，為減少埋地管開(kāi)挖工作，可開(kāi)挖少量缺陷，通過(guò)計(jì)算獲得線(xiàn)性系數(shù)，結(jié)合地表測(cè)量的ΔU、ΔE、R等值，采用校核計(jì)算的方法在未開(kāi)挖情況下獲得其他防腐蝕層缺陷的直徑。由于埋地管防腐蝕層缺陷面積已知，將試驗(yàn)校核計(jì)算獲得的缺陷直徑與實(shí)際缺陷直徑進(jìn)行比較獲得準(zhǔn)確度。對(duì)于3.3至3.4節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)論，分三種方法開(kāi)展校核計(jì)算，每種方法分單缺陷校核和雙缺陷校核兩種情況，這兩種情況分別相當(dāng)于在開(kāi)挖一個(gè)缺陷或開(kāi)挖兩個(gè)缺陷的條件下，通過(guò)ΔU／ΔE、ΔU、R的測(cè)量值，校核計(jì)算獲得其他缺陷的直徑。單缺陷校核時(shí)，將某一缺陷直徑D代入式（1），獲得相應(yīng)參數(shù)后計(jì)算另外兩個(gè)缺陷的直徑并與實(shí)際值進(jìn)行比較。雙缺陷校核時(shí)，選擇某埋地管上的兩個(gè)缺陷建立線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，獲得第三個(gè)缺陷直徑的校核計(jì)算值，并與實(shí)際值進(jìn)行比較。以校核計(jì)算的缺陷直徑與防腐蝕層實(shí)際缺陷直徑的比值作為準(zhǔn)確度，當(dāng)比值小于1時(shí)，以實(shí)際比值為準(zhǔn)確度，當(dāng)比值大于1時(shí)，以2與比值的差值為準(zhǔn)確度。

表4 1號(hào)埋地管防腐蝕層缺陷直徑校核計(jì)算的準(zhǔn)確度Tab.4 Accuracy of diameter checking calculation of No.1 buried pipe anti-corrosion coating defect%

表5 2號(hào)埋地管防腐蝕層缺陷直徑校核計(jì)算的準(zhǔn)確度Tab.5 Accuracy of diameter checking calculation of No.2 buried pipe anti-corrosion coating defect%

表6 3號(hào)埋地管防腐蝕層缺陷直徑校核計(jì)算的準(zhǔn)確度Tab.6 Accuracy of diameter checking calculation of no.3 buried pipe anti-corrosion coating defect%

4 結(jié)論

影響陰極保護(hù)電位分布的因素較為復(fù)雜，土壤電阻率、陰極保護(hù)電流、缺陷位置分布等都可能對(duì)陰極保護(hù)電位場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)防腐蝕層缺陷定位和尺寸定量檢測(cè)產(chǎn)生影響。應(yīng)用直流電位梯度法開(kāi)展核電廠陰極保護(hù)條件下埋地管防腐蝕層的檢測(cè)，得出如下結(jié)論：

（1）可通過(guò)沿管線(xiàn)測(cè)量地表電位差并繪制曲線(xiàn)的方法識(shí)別防腐蝕層缺陷位置，缺陷越大，識(shí)別度越高。核電廠廠區(qū)環(huán)境中并行管線(xiàn)對(duì)防腐蝕層缺陷的定位檢測(cè)有一定影響，通過(guò)斷開(kāi)并行管線(xiàn)與陰極保護(hù)系統(tǒng)的連接，可提高防腐蝕層缺陷定位的準(zhǔn)確性。

（2）地表電位差與缺陷上方通斷電電位差的比值、地表電位差和地表等勢(shì)線(xiàn)半徑均與防腐蝕層缺陷直徑呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性關(guān)系，擬合優(yōu)度均高于95%，可通過(guò)建立線(xiàn)性關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)在非開(kāi)挖或少開(kāi)挖條件下的防腐蝕層缺陷直徑檢測(cè)。

（4）對(duì)于防腐蝕層缺陷的定位和尺寸檢測(cè)，防腐蝕層絕緣電阻率越大，檢測(cè)準(zhǔn)確度越高，越適用于通過(guò)直流電位梯度法開(kāi)展防腐蝕層缺陷檢測(cè)。三種核電廠典型埋地管防腐蝕層中，2號(hào)管道的準(zhǔn)確度最高，1號(hào)管道的次之，3號(hào)管道的最低。為提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，有必要在埋地管新投入服役環(huán)境時(shí)開(kāi)展一次檢測(cè)，得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于與后續(xù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

（5）綜合前述研究結(jié)論，采用直流電位梯度法大大降低了開(kāi)挖量，開(kāi)展核電廠廠區(qū)埋地管防腐蝕層缺陷定位和尺寸檢測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境的差異和數(shù)據(jù)特征，對(duì)檢測(cè)得到的計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化。