地鐵干擾下管道極化電位測(cè)試方法及應(yīng)用

安建川，張文艷 ，余忠仁

1.中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213 2.中國(guó)石油西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所，四川 成都 610051 3.中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051

引言

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大大加快了城市軌道交通的建設(shè)，地鐵、輕軌等的運(yùn)行產(chǎn)生大量的雜散電流對(duì)埋地管道的干擾作用越來(lái)越強(qiáng)，管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高[1-8]。干擾的存在使傳統(tǒng)管道陰保電位的測(cè)量方法受到更大的限制，所產(chǎn)生的電壓降誤差也愈加變大，即使采用斷電法也無(wú)法消除地鐵雜散電流對(duì)管道的干擾，管道陰保電位的準(zhǔn)確獲取受到較大限制[9-13]。

目前，使用試片來(lái)測(cè)量埋地管道管地電位的方法開(kāi)始得到認(rèn)可并逐步進(jìn)行了應(yīng)用。本文綜合考慮采用試片斷電法進(jìn)行管道管地電位測(cè)量時(shí)，影響測(cè)試準(zhǔn)確性的主要因素[14-17]，為該方法在現(xiàn)場(chǎng)的有效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 測(cè)試方法

1.1 傳統(tǒng)電位檢測(cè)方法及測(cè)試誤差

陰極保護(hù)是埋地管道外防腐的第2 道屏障，陰極保護(hù)極化電位是監(jiān)測(cè)和評(píng)判陰極保護(hù)系統(tǒng)效果的重要參數(shù)。

測(cè)量過(guò)程中，通常測(cè)量的參數(shù)是管道與其臨近土壤中的參比電極的電位差，存在各種電流和電阻產(chǎn)生的電壓降誤差，簡(jiǎn)稱電壓降，包括測(cè)量電流、保護(hù)電流、土壤電阻及涂層缺陷電阻等。為消除電源電流和電阻造成的電壓降測(cè)量誤差，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用GPS 同步中斷法進(jìn)行陰極保護(hù)斷電電位的測(cè)量，即切斷陰極保護(hù)電流后進(jìn)行電位測(cè)量，測(cè)得的電位更接近于真實(shí)電位[18-20]。

在地鐵雜散電流動(dòng)態(tài)干擾的條件下，斷開(kāi)陰保電源，雜散電流仍然存在，故即便采用同步斷電法也無(wú)法消除雜散電流對(duì)管道的干擾，測(cè)得的陰極保護(hù)電位仍包含了由雜散電流導(dǎo)致的不同程度的電壓降。通過(guò)這樣，可以使得陰保電位的測(cè)量方法都受到更大的限制，所產(chǎn)生的電壓降誤差也愈加變大。

1.2 基于試片斷電法的地鐵干擾下陰極保護(hù)電位測(cè)試方法

試片斷電法的提出，主要考慮到地鐵干擾下管道陰極保護(hù)電位呈現(xiàn)頻繁波動(dòng)的特點(diǎn)，解決無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的斷電法獲得管道真實(shí)保護(hù)電位的問(wèn)題。結(jié)合被測(cè)試管道的防腐層質(zhì)量，選用同材質(zhì)不同裸露面積的陰極保護(hù)電位試片，模擬管道防腐層漏點(diǎn)及被測(cè)試管道的保護(hù)狀態(tài)[21-22]，利用試片的瞬間斷開(kāi)電位實(shí)現(xiàn)近似管道斷電電位的測(cè)量。

測(cè)試時(shí)，將與管道同材質(zhì)的試片和硫酸銅參比電極埋在管道測(cè)試點(diǎn)處，試片的埋設(shè)狀態(tài)及材質(zhì)均與管道相同，通過(guò)電纜與管道連接起來(lái)，這樣試片的裸露部分就模擬了管道上同等大小的防腐層漏點(diǎn)。當(dāng)管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)時(shí)，管道被保護(hù)電流極化的同時(shí)，試片受到同等極化，只需測(cè)量試片的瞬時(shí)斷開(kāi)電位，即可代表管道測(cè)量點(diǎn)的斷電電位[23-30]。

以NACE SP 0502--2010（管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)方法）[12]為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為試片的斷電電位近似于管道防腐層漏點(diǎn)處的陰極保護(hù)電位，能夠評(píng)估管道陰極保護(hù)效果，測(cè)試示意圖如圖1 所示。

圖1 干擾測(cè)試接線圖Fig.1 Interference test wiring diagram

測(cè)試中需聯(lián)合采用萬(wàn)用表和數(shù)據(jù)記錄儀UDL-2，進(jìn)行管道極化電位的有效測(cè)試。使用萬(wàn)用表可以短時(shí)間精確地記錄管道電位，數(shù)據(jù)記錄儀UDL-2 可以控制管道與試片測(cè)試回路，使其按照設(shè)定的測(cè)試周期進(jìn)行自動(dòng)通斷，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)管道的通電電位、試片的極化電位等相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷管道受干擾的程度。

2 測(cè)試準(zhǔn)確性的影響因素

基于試片斷電法的管道極化電位測(cè)試方法可以有效解決傳統(tǒng)斷電法測(cè)試中，無(wú)法斷開(kāi)外部地鐵干擾電流，從而無(wú)法獲得管道真實(shí)保護(hù)電位的問(wèn)題，但在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，受管道建設(shè)時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件等因素限制，該方法無(wú)法嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施，從而導(dǎo)致參差不齊的測(cè)試參數(shù)設(shè)置，最終導(dǎo)致不同的電壓降和較大的測(cè)試誤差。為了獲得地鐵干擾下準(zhǔn)確的管道極化電位，減少測(cè)試誤差，開(kāi)展檢查片極化時(shí)刻、參比與檢查片間距、檢查片埋設(shè)深度和斷電電位延遲時(shí)間等因素對(duì)極化電位影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

2.1 極化時(shí)刻的影響

利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)同一個(gè)檢查片進(jìn)行不同極化時(shí)刻后的通/斷電電位測(cè)試。測(cè)試間隔分別取0.30、0.50、1.00、2.00、3.00、6.00 和24.00 h。

圖2 顯示了極化時(shí)刻對(duì)檢查片斷電電位的影響。圖中紅色數(shù)據(jù)和黑色數(shù)據(jù)分別表示在不同日歷天內(nèi)同一個(gè)位置同一個(gè)時(shí)間段測(cè)得檢查片的斷電電位。假設(shè)檢查片極化24.00 h 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即如圖中黑色數(shù)據(jù)所示。由于地鐵每天的運(yùn)行時(shí)間和頻次相對(duì)固定，因此，可認(rèn)為不同日期同一時(shí)間段檢查片斷電電位規(guī)律一致。

圖2 極化時(shí)刻對(duì)檢查片斷電電位的影響Fig.2 Effect of polarization time on the fragment electric potential

由圖2 可以看出，檢查片極化0.50 h 后，檢查片的斷電電位隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸負(fù)向偏移，當(dāng)極化時(shí)刻達(dá)到2.25 h 后，檢查片極化電位逐漸達(dá)到穩(wěn)定，如圖中白色虛線所示，故認(rèn)為地鐵干擾下檢查片極化達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間應(yīng)在2.25 h 左右。

2.2 檢查片埋設(shè)深度的影響

檢查片與管道同深時(shí)，檢查片測(cè)得的斷電電位為最接近管道的斷電電位，埋設(shè)深度越淺，測(cè)得的斷電電位誤差越大。

在日常測(cè)試中，無(wú)法對(duì)每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行與管道同深檢查片的埋設(shè)，因此，需從滿足管道斷電電位日常測(cè)試便捷性與可行性的角度出發(fā)，尋求一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)試結(jié)果誤差亦可接受的檢查片埋設(shè)深度。

試驗(yàn)將檢查片埋設(shè)深度分別設(shè)置為0.05 m（地表）、0.30 m（日常測(cè)試開(kāi)挖深度易實(shí)現(xiàn)）以及與管道埋深（規(guī)范要求）3 種情況，檢查片面積為6.50 cm2，參比與檢查片間距為0.05 m，與檢查片同深。利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)試不同檢查片埋深下檢查片的通/斷電電位。

圖3 顯示了3 種檢查片埋設(shè)深度下測(cè)得的檢查片斷電電位。由圖可以看出，隨著檢查片埋設(shè)深度的增加，檢查片斷電電位波動(dòng)幅值逐漸減小。同時(shí)，隨著檢查片埋深的增加，檢查片斷電電位逐漸正向偏移。

圖3 檢查片埋深對(duì)其斷電電位的影響Fig.3 Influence of burial depth on polarization potential

以與管道相同埋設(shè)深度的檢測(cè)片測(cè)試所得的斷電電位為基準(zhǔn)，將檢查片埋設(shè)深度為0.05 m 和0.30 m 時(shí)候測(cè)得的斷電電位與其進(jìn)行差值處理。假設(shè)與管道同深處檢查片的斷電電位為V0，埋深為i處檢查片斷電電位為Vi，則斷電電位的差值ΔV=Vi-V0（i=0.05，0.30）。

圖4 顯示了檢查片埋深對(duì)其斷電電位測(cè)試誤差的影響。

圖4 檢查片埋深對(duì)其斷電電位測(cè)試誤差的影響Fig.4 Influence of burial depth on polarization potential test error

當(dāng)檢查片埋設(shè)深度為0.05 m 時(shí)，測(cè)得的檢查片斷電電位與管道同深處檢查片斷電電位的誤差值最大達(dá)到了±220 mV，當(dāng)檢查片埋設(shè)深度達(dá)到0.30 m 時(shí)，測(cè)得檢查片的斷電電位與管道同深處檢查片斷電電位的誤差值不超過(guò)±20 mV，已處于可接受范圍內(nèi)。因此，對(duì)于西南地區(qū)的動(dòng)態(tài)直流干擾測(cè)試，建議檢查片的埋設(shè)深度不應(yīng)低于0.30 m。

2.3 參比與檢查片間距的影響

參比距離檢查片間距為：0.05、0.10、0.50、1.00、5.00、10.00 以及20.00 m。利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)同一個(gè)檢查片進(jìn)行不同參比電位的通/斷電電位測(cè)試。

圖5 顯示了不同參比與檢查片間距下測(cè)得的檢查片斷電電位。取最靠近檢查片的參比（水平間距為0.05 m）為近參比，其測(cè)得的檢查片斷電電位為真實(shí)極化電位，記為V1，其余參比測(cè)得的檢查片斷電電位Vj，則斷電電位的差值為ΔV=Vj-V1（j=0.10，0.50，1.00，5.00，10.00，20.00），如圖6 所示。

從圖6 可以看出，隨著參比距離檢查片間距逐漸增大，測(cè)得的檢查片斷電電位誤差逐漸增加。特別是當(dāng)參比與檢查片水平間距達(dá)到20.00 m 時(shí)，其斷電電位誤差高達(dá)120 mV。

圖6 檢查片斷電電位測(cè)試誤差Fig.6 Check for partial electric potential test error

為弄清參比與檢查片間距不大于1.00 m 時(shí)所測(cè)得的斷電電位誤差，將圖6 間距為0.10、0.50、1.00 m時(shí)測(cè)得的斷電電位數(shù)據(jù)單獨(dú)作圖（圖7），可以看出隨著間距的進(jìn)一步減小，斷電電位誤差逐漸降低，將6個(gè)參比測(cè)得的檢查片斷電電位誤差最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示。

圖7 斷電電位的測(cè)試誤差Fig.7 Test error of outage potential

圖8 不同間距下斷電電位的測(cè)試誤差Fig.8 Test error of outage potential at different distances

由圖8 可以看出，當(dāng)參比與檢查片的間距值為0.10 m 時(shí)，檢查片斷電的電位誤差不會(huì)超過(guò)10 mV；而當(dāng)間距值為0.50 m 時(shí)，檢查片斷電的電位誤差值不超過(guò)15 mV；當(dāng)間距增大到1.00 m，誤差增加至20 mV。

當(dāng)間距達(dá)到5.00 m 時(shí)，誤差達(dá)到40 mV；當(dāng)間距為10.00 m 時(shí)，誤差達(dá)到50 mV；當(dāng)間距增大至20.00 m 時(shí)，誤差達(dá)到120 mV。

考慮測(cè)試時(shí)檢查片斷電的電位波動(dòng)幅值處于中等水平，為-550～-950 mV，同時(shí)，結(jié)合圖8中的誤差分析，建議對(duì)重慶地區(qū)檢查片斷電電位測(cè)試時(shí)，參比與檢查片的水平間距不超過(guò)0.50 m（檢查片埋設(shè)深度在0.30 m 左右），推薦值在0.05～0.10m。

2.4 斷電電位測(cè)試延遲時(shí)間的影響

采樣周期分別?。?.001、0.010、0.050、0.100、0.500、1.000 以及2.000 s。

利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行6.50 cm2（代表3 層PE 防腐層管道）和15.00 cm2（代表石油瀝青防腐層管道）2 種檢查片不同采樣頻率的通斷電電位測(cè)試，從而獲得合理的斷電電位采樣頻率和斷電電位測(cè)試延遲時(shí)間。檢查片埋深0.70 m，間隔時(shí)間為3.00 h。

取采樣周期0.001 s（為目前市場(chǎng)上所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備最短的采樣周期）下獲得的檢查片斷電電位最接近管道的真實(shí)斷電電位。

表1 和表2 顯示了不同采樣周期及不同延遲時(shí)間下測(cè)得的檢查片斷電電位列表。

表2 不同采樣周期以及不同延遲時(shí)間下測(cè)得的檢查片斷電電位列表（15.00 cm2）Tab.2 Polarization potential of samples measured at different sampling periods and different delay times（15.00 cm2）

可以看出，當(dāng)采樣周期不高于0.100 s 或斷電電位延遲時(shí)間不超過(guò)0.300 s 時(shí)，獲得的檢查片斷電電位與管道真實(shí)斷電電位較為接近，誤差不超過(guò)20 mV。

而采樣周期進(jìn)一步延長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的斷電電位采集延遲時(shí)間也隨之增長(zhǎng)，測(cè)試誤差也逐步增大，因此，對(duì)于西南地區(qū)遭受動(dòng)態(tài)直流干擾的管道斷電電位測(cè)試，采用檢查片法時(shí)，檢查片斷電電位的采集可采用兩種方法：

（1）用高頻數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)檢查片斷電電位進(jìn)行采集，采樣的周期不宜長(zhǎng)于0.100 s，通過(guò)分析數(shù)據(jù)獲得檢查片斷電電位。

（2）采用普通數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)檢查片斷電電位進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于6.50 cm2的小檢查片，推薦斷電電位采集的延長(zhǎng)時(shí)間為約0.200 s；對(duì)于15.00 cm2的大檢查片，推薦斷電電位的采集時(shí)間約為0.300 s。

2.5 地鐵干擾下管道有效極化電位的測(cè)試參數(shù)設(shè)置建議及應(yīng)用

2.5.1 有效極化電位的測(cè)試參數(shù)設(shè)置建議

通過(guò)地鐵干擾下管道極化電位影響因素的試驗(yàn)研究，獲得了檢查片極化時(shí)刻、斷電電位采集周期、斷電電位延遲時(shí)間、檢查片埋設(shè)深度、參比與檢查片間距等因素對(duì)檢查片極化電位的影響規(guī)律，基于該規(guī)律提出西南地區(qū)管道極化電位的有效測(cè)試方法建議：（1）檢查片極化達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間至少在2.25 h 左右。（2）檢查片斷電電位可采用高頻數(shù)據(jù)記錄儀或普通數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行采集。采樣周期根據(jù)選取的記錄儀類型設(shè)置，采集延長(zhǎng)時(shí)間依據(jù)選用的試片大小進(jìn)行設(shè)置。（3）建議試片的埋設(shè)深度不應(yīng)低于0.30 m。（4）參比與試片的水平間距應(yīng)不超過(guò)0.50 m（試片埋設(shè)深度在0.30 m 左右），推薦值在0.05～0.10 m。

2.5.2 測(cè)試方法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于上述設(shè)置參數(shù)，采用試片斷電法對(duì)西南地區(qū)受地鐵干擾的多條管線進(jìn)行了管道極化電位的測(cè)試及干擾影響程度分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，確保了管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)源頭數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為管道防護(hù)策略的制定奠定了正確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表3 基于西南地區(qū)管道極化電位有效測(cè)試方法的某管道電位測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Potential test and evaluation results of a pipeline based on the effective test method of pipeline polarization potential in Southwest China

2.5.3 測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在28#、29#測(cè)試樁所在管道位置處埋設(shè)了干擾腐蝕試片，并對(duì)試片的腐蝕情況進(jìn)行了開(kāi)挖調(diào)查，計(jì)算了兩處試片的干擾腐蝕速率，見(jiàn)表4、圖9。

圖9 試片的腐蝕形貌（試片裸露面積均為6.50 cm2）Fig.9 Corrosion morphology of test pieces（The exposed area of test pieces is 6.50 cm2）

表4 腐蝕速率測(cè)試結(jié)果Tab.4 Corrosion rate test results

從管道電位測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，29#測(cè)試樁處管道陰極保護(hù)極化電位比28#測(cè)試樁的電位值更偏正，偏正的時(shí)間占比更長(zhǎng)，故29#測(cè)試樁處管道的干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)高于28#處，而腐蝕調(diào)查結(jié)果和腐蝕速率計(jì)算結(jié)果均驗(yàn)證了這一趨勢(shì)，間接證明了測(cè)試方法的有效性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)地鐵干擾下管道陰極保護(hù)參數(shù)頻繁波動(dòng)及無(wú)法斷開(kāi)外部雜散電流的特點(diǎn)，建立了基于試片斷電法的管道極化電位有效測(cè)試的參數(shù)設(shè)置方法：試片極化達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不少于2.25 h；試片埋設(shè)深度不應(yīng)低于0.30 m；參比與試片的水平間距應(yīng)不超過(guò)0.50 m；試片斷電電位的采集時(shí)間視選用的記錄儀類型而定。

（2）地鐵干擾下管道極化電位準(zhǔn)確測(cè)試的影響因素較多，如試片裸露面積、同一位置多個(gè)試片、周邊電場(chǎng)等，建議在實(shí)際測(cè)試中積累測(cè)試數(shù)據(jù)，建立試片測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步優(yōu)化試片斷電測(cè)試方法。

（3）地鐵干擾下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)明顯升高，應(yīng)定期對(duì)受地鐵干擾管線進(jìn)行極化電位的有效測(cè)試，評(píng)價(jià)管線受干擾影響程度，及時(shí)采取有效的防護(hù)措施，保障管道安全運(yùn)行。