7.1埋地管道防腐层检测技术培训教材

新疆油田防腐保温培训班资料（七）之一埋地钢质管线防腐层检测系统及其应用2009年2月防腐层检测系统及其应用埋地管线防腐检测技术培训教材1一、埋地管道腐蚀评价与防腐层检测技术1.1、管道腐蚀与防腐层检测金属材料发生腐蚀是一个自发的、不可避免的渐变过程。管体腐蚀的发生将严重降低管道的剩余强度、承受能力和可靠性、缩短使用寿命，增大运行风险；大大地增加维修费用、缩短维修和更换周期，威胁整个输送系统的安全。管道在整个服役期间的事故发生率一般遵循浴盆曲线。在投产初期，管道诸多方面的不足逐一暴露出来，因此事故率较高。随着运行时间的延续，各方面不断完善，事故率逐步下降至较低的水平，该阶段称之为投产初期，通常为半年到两年。在其后的一个阶段，事故一直平稳地保持在低水平上，称之为事故平稳期，通常为20-30年。之后，事故呈上升态势。我国早期的管道有的已经运行了二三十年，管道已经陆续进入老龄期；而近年大批新建管道正处于幼年期，这两个阶段都是事故高发阶段。因而管道行业面临的安全形势十分严峻。对老管道的腐蚀与防护状况评价工作迫在眉睫，在有效检测评价的基础上采取合理的维护措施，保证管道的安全具有重大的经济效益和社会意义。埋地钢质管道的腐蚀与防护一直是行业的工作重点，管道腐蚀的影响因素众多，作用机理复杂，而且各个影响因素之间又存在着相互影响和制约的关系。对埋地钢质管道腐蚀与防护状况的检测及评价，涉及多种检测方法、多种检测技术和设备，需要从事这项工程的单位具有很强的技术能力、多方面的技术人员及设备、业主单位也要花费较大的经济投入。此外，受当前技术发展水平的限制，诸如管体剩余壁厚的检测等项目还要进行开挖检测，除了费用很高之外，势必会对管道造成一定的不良影响。从当前国内外应用的腐蚀检测评价标准上分析，埋地管道腐蚀检测是以防腐层检测作为工程实施的切入点。防腐层(又称防护层)是防止和减缓埋地钢质管道腐蚀的重要手段，管体的腐蚀往往是因为该处的防腐层失效，使管体不能受到有效地保护导致的。尽管防腐层破损点处的管体不一定发生腐蚀，但是可以说，发生管体腐蚀处的防腐层一定失效。这就为通过管道的外防腐层漏点的检测，进而找出管道管体的腐蚀点提供了技术上的可能性。此外，在不开挖条件下对防腐层的有效性进行检测是当前所有腐蚀检测项目中最为成熟、实施最为简捷、应用最广泛的方法。多年来，人们开发出了防腐层检测的许多方法，试图能够更全面、准确、系统地评价防腐层的有效性，并成功地加以应用。目前，国内外相应的测量方法和仪器有多种，各种检测方法和机理各有异同，在实际应用中所表现出的优缺点也很明显。1.2、防腐层检测技术及仪器的现状当前，国内外防腐层检测采用的多为电磁法，原理上大体可分为电压梯度法和电流梯度法两种。“电压梯度法”在管线简单情况下的准确率比较高，但仪器本身不具备定位功能，须与定位仪配合使用，检测工作量较大，而当现场复杂时则往往检测效果不理想，因此更适合于对长输管道的定期检测。有的产品中使用全球定位系统同步的断流器控制阴保电流通/断，技术含量比较高，但由于价格过高，以及只能应用于有外加电流保护的管线而难于普及。国内生产的仪器在抗干扰能力、测量精度及仪器稳定性上近些年有了长足的进步，通过不断地改进和提高，相信一定能够在不远的将来赶上或超过国外的产品。天津市嘉信技术工程公司的交变电流梯度法（多频管中电流法）为防腐层检测提供了经济防腐层检测系统及其应用埋地管线防腐检测技术培训教材2有效的检测手段。应用的仪器，是在总结了其他仪器开发经验的基础上，对国外产品进行二次开发，结合我国国情而推出的。其优点是不但可以进行管线的定位，防腐层破损点定位，还可以评估防腐层的老化状况；仪器具有坚固耐用、操作简便易于掌握等特点，同时测量间距可根据实际情况灵活变化，降低了检测的工作量。下面，就简要介绍国内使用较多的检测方法及应用仪器：1)变频—选频法上世纪90年末，东北输油管理局与邮电部第五研究所结合我国输油行业的管理模式，完成了长输管线上以测量单元管段防腐绝缘电阻、评价防腐层完好状况方法的研究。该方法是将一可变频率电信号施加到待测管道的一端，从另一端检测信号的衰减幅度，通过调节信号的频率使信号衰减达到一定范围（23dB）时，根据信号频率的高低来推断防腐层绝缘电阻值，因此称为“变频—选频法”。此方法被列入石油天然气公司的SY/T5919-94标准，为我国管道防腐层评价的后续工作奠定了基础。变频-选频测量方法特点是：适合于长输管道的检测，具有使用简便，检测费用较低等优点；但该方法对操作人员要求较高，在使用之前需设定一些参数，较为复杂；所需与测量仪配合的设备较多；只能对单元管道（通常为1km）及有测试桩的管道进行绝缘电阻测量，无法判断破损点位置；当管段中有支管、阳极时须通过开挖检测点来分段检测。2）直流电压梯度（DCVG）技术直流电压梯度技术的代表仪器是加拿大Cath-Tech公司生产的DCVG。它可对有阴极保护系统的管道防腐层破损点进行检测。其原理是：在管道中加入一个间断关开的直流电信号，当管段有破损点时，该点处管道上方的地面上会有球面的电场分布。DCVG使用毫伏表来测量插入地表的两个Cu/CuSO4电极之间的电压差。当电极接近破损点时，电压差会增大，而远离该点时，压差又会变小，在破损点正上方时，电压差应为零值，以此便可确定破损点位置。再根据破损点处IR降可以推算出破损点面积。破损点形状可用该点上方土壤电位分布的等位线图来判断。仪器优点：（1）灵敏度很高，可以精确地定位防腐层破损点；（2）采用了非对称的交变信号，消除了其他管中电流、土壤杂散电流的干扰，测量准确率很高；（3）可以区别管道分支和防腐层的破损点；（4）可以准确估算出防腐层面积。并且也能对防腐层破损的形状进行判断。缺点是：设备价格较贵、测量工作劳动强度大，须配合定位仪使用；由于电极与地面直接防腐层检测系统及其应用埋地管线防腐检测技术培训教材3接触，因此当地面介质导电性差时，测量结果不稳定；通常仅适用于有外加电流阴极保护系统的管线，对于那些没有阴保系统的管线可通过直流发电机建立临时阴极保护系统完成检测；不同的土壤环境会对检测信号产生一定的影响。3）皮尔逊法（人体电容法）也属于地面电场法的范畴，目前国产检测仪器多采用该方法。其工作原理是：给埋地管道发送特定频率的交流电信号，当管道防腐层有破损点时，在破损处形成电流通路，产生漏电电流，向地面辐射，并在漏点上方形成地面电场分布。用人体做检漏仪的传感元件，检测人员在漏点附近时，检测仪的声响和表头都开始有反应，在漏点正上方时，仪器反应最强，从而可准确地找到防腐层的破损点。该类仪器的优点是：设备体积小，价格较低；使用方便，对操作人员要求不高；现场简单时准确率较高；其缺点是：抗干扰性能差，当地下管网较复杂时，容易产生错误判断；针对检测管道及埋设环境的具体情况，设置检测的灵敏度。检测过程很大程度上依赖使用者的工程经验。灵敏度设置过低会漏掉破损点，灵敏度过高，会产生误报漏点。此外，国内早先生产的仪器发射机功率较小，测量范围受到一定限制，最近厂家加大了发射机功率情况有一定的改善；须同时使用定位仪和检漏仪；不能定量地判定防腐层老化程度。4）密间隔电位法（CIPS）为国外评估阴极保护系统和管道保护水平的标准方法之一。通过比较沿管线上测得的地面电位，评价管道的CP系统性能。通常用于评价CP性能的数据包括：沿管线测得的电位、电位的变化值、不同距离点上的通/断、去极化电位，及其它的信号特征。其原理是：将一个参比电极放置于地面与电压表相连，表的另一端与管道相连，读取管地电位。在外加电流保护的管道中，通过测得的管地电位分布，即可得出管道的保护程度。该方法的优点是：适用于复杂的地表情况，甚至可水下作业；测量点多，数据较为准确；无须另配发射机；缺点是：测量程序复杂，对人员要求高；测量中要求间隔较小，工作量过大；须与定位仪同时使用；通常至少要三个人参加测量，一人管道定位，一人负责数据采集，第三人负责回收导线。5）杂散电流检测技术杂散电流干扰给管道和设施造成的危害已得到了重视和研究，我国也制定了一系列行业标准，给出了解决电性腐蚀的方案，技术要求也相当明确和完整。由于当时在检测设备方面尚未有适用现场作业的测定专用设备，一般是在电工等通用仪表中选择使用，检测手段也较为单一和缺乏效率，直接影响了治理方案的有效实施。近年推出的杂散电流检测仪RDSCM是一个不错的选择。SCM能够检测出管道上阴极保护电流分布状况，也能精确测量出管道杂散电流的流入/流出点，对于检测和评定管线上保护电流给其它管线造成的干扰及找出治理杂散电流干扰方案是一个即安全又有效的方法。防腐层检测系统及其应用埋地管线防腐检测技术培训教材41.3、交变电流梯度法（多频管中电流法）及其应用1.3.1、交变电流梯度法简介早在1996年，天津嘉信技术工程公司提出了埋地管道防腐层检测的多频管中电流法，并推出相应的检测系统及配套软件，在全国石化系统已有数百套系统进行应用。为用户的管线检测提供了实用有效的检测手段，取得了良好的应用效果。该方法列入了石油天然气公司的《SY/T5918-2004埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》。在2003年4月推出全新的埋地管道防腐层数据处理软件，版本为GDFFWxp1.3。这是一个在新的防腐层评价模型（交变电流梯度法）基础上，开发研制的全新软件，运行于当前流行的Windows各通用系统平台上。新版本继承了嘉信公司多年对埋地管道防腐层评价技术的研究经验，以及对防腐层评价模型及评价方法最新研究成果。当前的最新版本为xp2.1，增加了一些方便用户的辅助功能。新软件的新增功能为：*推荐应用单一频率信号对埋地管道进行检测，软件自动根据管道埋设条件自动给出评价模型的参数，彻底解决了用户应用软件时参数选择的难题。*软件评价的模型考虑了土壤的埋设条件对评价结果的影响。*全新评价的模型考虑了伴行管道对防腐层计算的影响。*全面对软件的功能进行了重新设计，改进了用户界面。*采用了最新OLE/COM软件技术，极大地提升了系统的性能和可靠性。*增加统计表导出功能,可导出到共享区、记事本文件、MSword文档。该系统的使用方法是：通过在管道和大地之间施加某一频率的正弦波电压，给待检测的管道发射检测信号电流，在地面上沿管道路由记录管道中各测点流过的电流值；观测数据经过软件处理即得出检测结果。图形结果可直接显示破损点位置，也可定性地判断各段防腐层的老化状况。沿路由在地面上检测由管道上信号电流产生交变电磁场的强度及变化规律。采用这种方法不但可找管定位，还在很大程度上排除了大地的电性和杂散电流的干扰，具有很好的实用性。同时，通过管道上方地面的磁场强度换算出管中的电流变化，可以判断出管道的支线位置或防腐层破损缺陷等。其原理是：管道的防腐层和大地之间存在着分布电容耦合效应，且防腐层本身也存在着弱而稳定的导电性，使信号电流在管道外防腐层完好时的传播过程中呈指数规律衰减，当管道防腐层破损后，信号电流便由破损点流入大地，管中电流会有明显异常衰减，引发地面的磁场强度的急剧减小，由此可对防腐层的破损点进行定位。然而，这是个相对比较的过程，该过程受到不同检测频率、管道及周边结构等因素的影响。为消除包括管道规格、防腐结构、土壤环境等因素，将均匀传输线理论应用于管－地回路，建立相应的数学模型及参数，可以有效地分析或消除上述影响。在测得检测电流的变化规律后，根据评价模型可推算出防腐层的电气性能参数值Rg。交变电流梯度法就是根据这样的原理完成对管道防腐层的检测及评价。1.3.2、管－地回路的等效电路模型防腐层检测系统及其应用埋地管线防腐检测技术培训教材5当在管道和大地之间施一交流信号时，用电路理论分析电流信号在回路过程中的传输过程，则必须把这一回路进行电路等效，即建立有效的电路模型。实际上，可以把管－地回路看成一个分布参数电路，基本参数可归结为纵向分量阻抗和横向分量导纳。考虑大地电阻和电容的影响，可以对管地回路中的一个微分段作图1所示的等效。图中:R表示管道的纵向阻抗，L表示管道电感，Gs表示土壤的内阻抗，G表示为管道防腐层