DCVG技术在城市燃气管道防腐层检测

1DCVG技术在城市燃气管道防腐层检测中的应用叶根银1，吴家传2，臧桂宁2，解东来3（1.丹阳奥恩能源科技发展有限公司，江苏，2123002.龙口港华燃气有限公司，龙口2657003.华南理工大学化学与化工学院广州510640）摘要：阐述了DCVG（直流电压梯度）技术检测金属管道防腐层的技术原理及应用方法。该技术原为长输管道的防腐层检测而研发。长输管道一般采用外加电流进行防腐保护。城市燃气管道中普遍采用牺牲阳极对管道进行阴极保护，这些牺牲阳极会对DCVG的检测造成干扰。根据DCVG检测技术原理及检测经验，提出了消除及判断牺牲阳极的四种方法，并在实践中得到了验证。为DCVG检测技术在城市燃气管道防腐层检测提供了工程经验。关键词：直流电压梯度，牺牲阳极，防腐层,完整性评价TheApplicationDCVGTechniqueonTownGasPipelineAnticorrosiveCoatingSurveyYeGenyin1,WuJiachuan2,ZangGuining2,XieDonglai3(1,AlterenTechnologiesLtd,Danyang,Jiangsu,212300，2.LongkouHongKongandChinaGasCompanyLimited，Longkou,2657003.SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,510640)Abstract：TheprincipleanddetectionmethodoftheapplicationDCVG(DirectCurrentVoltageGradient)techniqueonthemetaltowngaspipelineanticorrosivecoatingsurveyisintroduced.Thistechnologyhasbeendevelopedforthelong-distancegaspipelineanticorrosivecoatingsurvey,whereexternalcurrentiswidelyusedforanticorrosiveprotection.Itisacommonpracticeinthetowngaspipelinesystemthatsacrificialanodeisoftenusedforcatholicprotection.TheseanodescouldinterferetheapplicationofDCVG.BasedonthedetectionprincipleoftheDCVGtechnologyandactualtestingexperience,fourmethodsareproposedtoeliminatetheinfluenceofsacrificialanode,andhavenbeenverifiedinpractice.ThesefourmethodsprovideapowerfulexplorationontheapplicationofDCVGtechniqueontowngaspipelinecoatingsurvey.Keywords:DirectCurrentVoltageGradient,Sacrificialanode,Anticorrosivecoating,Integrationassessment1.前言DCVG（DirectCurrentVoltageGradient,直流电压梯度）检测技术，是目前国内外公认的先进的埋地金属管道防腐层检测技术，在管道完整性评价中得到了广泛的应用。DCVG技术发明之初应用于油气长输管道防腐层检测，利用管道本身的外加保护电流，采用同步断路器使管道外加的阴极保护直流电流周期性的通、断，在地面管道上方检测直流电压梯度，从而判断管道防腐层是否有破损点。在城市燃气管道中，管道阴极保护普遍采用牺牲阳极，没有现成的外加电流可以借用，所以采用DCVG检测时必须对管道外加直流电源。同时管道上连接的牺牲阳极在外加电流的情况下，本身就是一个漏电点，会对管道防腐层是否破损的检测判断造成影响。如何在城市燃气管道防腐层检测中采用DCVG技术以及判断检测信号是否为牺牲阳极影响，是DCVG技术应用于城市燃气管道检测中的一个关键问题。2.DCVG检测技术原理DCVG技术是在埋地管道上施加一个直流电源(如阴极保护电流)，并采用周期性同步2断路器使管道上形成周期性通、断的直流电流。如果管道防腐层存在破损点，泄漏电流将在破损点周围土壤形成一个稳定的直流电压梯度场，其范围将在十几米至几十米之间变化，对其进行检测可比较准确的发现破损点。通过在管道地面上方的两个Cu/CuSO4饱和参比电极以及与电极连接的高灵敏度毫伏表来检测这个电位梯度,就可以判断管道破损点的位置和大小。由于DCVG检测技术采用的是周期性的外加直流电流，不受交流电等杂散电流的干扰[3]。根据DCVG检测的技术原理，通过对埋地管道防腐层缺陷处地表电场检测，绘出缺陷处地表电场等压线轮廓形状，根据绘制的地表电场等电位线可以判断埋地管道防腐层缺陷的形状以及缺陷所在管体的位置。典型的电场轮廓线有图1所示的几种[1]。管道顶部较小的防腐层缺陷管道底部较小的防腐层缺陷管道较大的防腐层缺陷管道上连续的防腐层缺陷图1.典型的几种管道防腐层缺陷地表电场等电位分布图在检测过程中，通过检测管地电位的IR可以进一步判断防腐层缺陷的大小。在阴极保护过程中，外加电流在管线上形成的电位差包括管道通过防腐层到土壤的电压降VI和管道边的土壤到远方大地的电压降VS。在管线上加电压后，管线的电压降可由图2所示，他们之间的关系可由下式表示[1]：VT=VI+VS(1)其中：VT——管道到远大地点的电位差，VI——管道通过防腐层到周边土壤的电位差VS——管道边的土壤到远大地点的电位差采用DCVG进行检测时，VT为管道的断电电位Voff与通电电位Von的差，VS可由DCVG的高灵敏度毫伏表直接读取。管道VTVIVs土壤防腐层图2.管道周边电位分布图3在埋地管道阴极保护电压降中，VI是外加阴极保护电压中真正起到保护管道作用的一部分电压，VS是为克服土壤阻抗而损失的电压，对于保护管线并没有作用，所以要获得较好的阴极保护效果，VI应较大而VS较小，阴极保护的水平可以用VI的大小来衡量。然而在实际的检测中很难对VI进行测量，而较容易测量Vs的值，因此可以利用Vs值的大小来评价阴极保护的作用，通常是利用其占埋地管道外加阴极保护电压降的百分比进行表示，公式如下：100TSVVIR(2)IR越大，阴极保护程度越低，也就是说埋地管道防腐层缺陷面积越大，因而DCVG能够较准确地预测防腐层缺陷面积的大小，并能对整个管道的阴极保护效果做出客观的判断。3.DCVG检测技术在城市燃气管网中的应用城市燃气管道与长输燃气管道相比，布局复杂，支管多，管道周围干扰因素多，燃气泄漏造成的危害大，必须对城市燃气管网进行定期的防腐层检测，确保安全[4]。目前我国的城市燃气管网阴极保护主要采取牺牲阳极方法，而DCVG检测技术需要外加电源，所以应用时须在燃气管道中加直流电流。直流电源的外加如图3所示：可调节的直流电源正极接地，负极通过阀门测试桩或阀门井与燃气管道壁连接，负极与燃气管道之间接电路通断器来实现管路电流的周期性通断。+-断路器直流电源燃气管道埋地牺牲阳极棒图3.城市燃气管道中外加电流加入图国家标准《埋地钢制管道阴极保护技术规范》（GB/T21448-2008）要求管道阴极保护电位（即管/地界面极化电位）应为-850mV（CSE）或更负，但不能比-1200mV更负[5]。所以在牺牲阳极阴极保护良好的管道，管道管地电位已被极化到-850~-1200mV（CSE）之间。在进行DCVG检测时，由于电源正极接地电阻可能会较大，外加在管道上的电位会低于可能会低于牺牲阳极的自然保护电位（对镁阳极，-1500mV），此时管道变为阳极，而原先保护管道的牺牲阳极就变成阴极，并且由于牺牲阳极是裸露于土壤中，从而会造成牺牲阳极放电现象。则在牺牲阳极处，管道的IR会变得很大，表现为管道的防腐层破坏，从而对管道的完整性评价造成误判。另外由于牺牲阳极埋地时间过长也会出现失效而引起镁阳极漏电情况。如何来判断检测到的信号为管道防腐层破损还是牺牲阳极放电造成，降低外来因素干扰，对检测结果的真实性以及对整个燃气管网的风险评价有重要作用。通过DCVG的检测原理及丰富的工程检测经验，我们探索了以下几种方法可以判断、或者避免DCVG检测中的牺牲阳极干扰。一,阳极埋设距离算法：收集管道施工资料，确定牺牲阳极埋设的具体位置或者埋设距离等，通过检测结果与施工竣工图纸记录数据进行对比，确认是否为阳极干扰。二,在管道上加入外加电流时，避免外加电流对管道的极化电位高于牺牲阳极的自然电4位（对镁阳极，-1500mV）。三．寻找最大电位梯度法：国家标准《埋地钢制管道阴极保护技术规范》(GB/T21448-2008)对阳极的埋设规定为：一般情况下牺牲阳极距管道外壁3-5米，最小不宜小于0.5米，埋设深度以阳极顶部距地面不小于1米为宜。成组布置时，阳极间距为2-3米为宜[5]。由图4可以看出，当牺牲阳极出现漏电情况后，在牺牲阳极周围会出现电位等势线，通过DCVG探测漏电处电位，绘出简单的等势图，就可发现最大电位梯度处并不在管道正上方，而在位于偏离管道一段距离的地方，从而可以确定此处为牺牲阳极干扰。通断电流图4.管道上牺牲阳极埋设处的电位分布图四．计算牺牲阳极IRC法:外加在管道上的电流在与其连接的牺牲阳极上形成的电位差VTC可通过下式计算：VTC＝Vnc-Von(3)其中Vnc为牺牲阳极的自然保护电位。对镁阳极，为-1500mV。外加电流在牺牲阳极上形成的电位差类似于在管道上形成的电位差，只是由于管道上有防腐层，由于防腐层的高阻抗，管道对远方大地的电位差主要存在于管对地电压降；而对于牺牲阳极，阳极是裸露于土壤，并有阳极填料，接地电阻很小，所以外加电流在牺牲阳极上形成的电位差VTC应约等于牺牲阳极旁的土壤距远方大地的电位差Vs。即VTC≈Vs。可以以下式计算牺牲阳极处的IR降100TCSCVVIR(4)如果IRC接近或大于100％，则可判断此处存在牺牲阳极。如果IRC超过100%很多，则不排出此处管道上伴随有防腐层破损情况。在这四种方法中，第一种方法最直接，但是许多施工企业在燃气管道铺设时，并没有将阳极具体埋设位置绘制在施工/竣工图纸上，并且在牺牲阳极埋设处管道防腐层也有出现破损现象，特别是阳极线与管道焊接处。第二种方法能够有效的避免阳极漏电，但是在实际操作过程中，临时的接地装置接地电阻较大，为了能够向管道加入适当的电流，管道极化后的电位普遍要大于牺牲阳极的自然电位，该种方法的实用性不强；第三种方法能够准确的判断阳极干扰以及阳极所在位置，但是许多公司在施工过程中，缺乏监理，阳极埋设位置不符合GB/T21448-2008的规定，有的紧挨管道，这就对第三种方法带来困难。第四种方法受到现场环境，土壤电阻率等因素的影响，外加电流在牺牲阳极上形成的电位差VTC不等于牺牲阳极旁的土壤距远方大地的电位差Vs，并且牺牲阳极可能会失效等因素造成阳极的自然电位Vnc的变化。以上4种方法都有各自的局限性，所以在实际检测过程中，必须根据实际情况，四种方法综合判断，才能有限的排除因牺牲阳极漏电而造成的干扰。4.工程检测实例2010年5月丹阳奥恩能源科技有限发展公司与华南理工大学联合组成的管道完整性评5价小组采用DCVG技术对山东龙口港华燃气公司的次高压，中压管道进行了防腐层检测，检测中发现牺牲阳极对DCVG检测有很大的干扰作用，通过上述的几种方法有效的排除了牺牲阳极漏电对DCVG检测结果的影响。例如在一段长约三公里的次高压管路上发现有12处漏电现象，检测结果如表1所示，该管段采用镁阳极为牺牲阳极，自然保护电位Vnc为为-1500mV。在此段进行检测时，分别在两处测试桩加入外加电流，第一处，极化