【正文】 新疆油田防腐保溫培訓(xùn)班資料（七）之 一 埋地鋼質(zhì)管線 防腐層檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用 2020年 2月 防腐層檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用 埋地管線防腐檢測技術(shù) 培訓(xùn)教材 1 一、 埋地管道腐蝕評價與防腐層檢測技術(shù) 、 管道腐蝕與防腐層檢測 金屬材料發(fā)生腐蝕是一個自發(fā)的、不可避免的漸變過程。管體腐蝕的發(fā)生將嚴(yán)重降低管道的剩余強(qiáng)度、承受能力和可靠性、縮短使用壽命，增大運(yùn)行風(fēng)險；大大地增加維修費(fèi)用、縮短維修和更換周期，威脅整個輸送系統(tǒng)的安全。管道 在整個服役期間的 事故發(fā)生率一般遵循浴盆曲線。在投產(chǎn)初期，管道諸多方面的不足逐一暴露出來，因此事故率較高。隨著運(yùn)行時間的延續(xù)，各方面不斷完善，事故率逐步下降至較低的水平，該階段稱之為投產(chǎn)初期，通常為半年到兩年。在其后的一個階段，事故一直平穩(wěn)地保持在低水平上，稱之為事故平穩(wěn)期，通常為 2030年。之后 ，事故呈上升態(tài)勢。我國早期的管道有的已經(jīng)運(yùn)行了二三十年，管道已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入老齡期； 而近年大批新建管道正處于幼年期，這兩個階段都是事故高發(fā)階段。因而管道行業(yè)面臨的安全形 勢十分嚴(yán)峻。對老管道的腐蝕與防護(hù)狀況評價工作迫在眉睫，在有效檢測 評價的基礎(chǔ)上 采取合理的維護(hù)措施，保證管道的安全具有重大的經(jīng)濟(jì) 效益 和 社會 意義 。 埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕 與 防護(hù)一直 是行業(yè)的工作重點(diǎn)， 管道腐蝕的影響因素眾多，作用機(jī)理復(fù)雜，而且各個影響因素之間又 存在 著相互 影響和制約的關(guān)系。 對埋地鋼質(zhì)管道 腐蝕與防護(hù) 狀況的檢測及 評價 ，涉及多種檢測方法、多種檢測技術(shù)和設(shè)備，需要從事這項工程的單位具有很強(qiáng)的技術(shù)能力、多方面的技術(shù)人員及設(shè)備、業(yè)主單位 也要 花費(fèi)較大的經(jīng)濟(jì)投入。此外，受當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的限制，諸如管體 剩余壁厚的 檢測等項目還要進(jìn)行開挖檢測 ，除了費(fèi)用很高之外 ，勢必會對管道造成一定的不良影響。從當(dāng)前國內(nèi)外 應(yīng)用 的腐蝕 檢測 評價標(biāo)準(zhǔn)上分析， 埋地管道腐蝕檢測是以防腐層檢測作為工程實(shí)施的切入點(diǎn)。 防腐 層 (又稱防護(hù)層 )是防止和減緩埋地鋼質(zhì)管道腐蝕的重要手段， 管體的腐蝕往往是因為該處的防腐層失效，使管體 不能受到有效 地 保護(hù)導(dǎo)致的。盡管防腐層破損點(diǎn)處的管體不一定發(fā)生腐蝕，但是 可以說， 發(fā)生管體腐蝕處的防腐層一定失效。這就為通過管道的外防腐層漏點(diǎn)的檢測，進(jìn)而找出管道管體的腐蝕點(diǎn)提供了技術(shù)上的可能 性 。此外， 在不開挖條件下 對防腐層的有效性進(jìn)行檢測 是當(dāng)前所有 腐蝕檢測項目中最為成熟、 實(shí)施最為簡捷、 應(yīng)用最廣泛的方法。 多年來，人們開發(fā) 出了 防腐層檢測的 許多方法，試圖能夠更全面、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地 評價防腐層的有效性，并成功地加以應(yīng)用 。 目前，國內(nèi)外相應(yīng)的測量方法和儀器有多種，各種檢測方法和機(jī)理各有異同，在實(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯。 、 防腐 層 檢測 技術(shù)及 儀器的現(xiàn)狀 當(dāng)前，國內(nèi)外防腐層檢測采用的多為電磁法，原理上大體可分為電壓梯度法和電流梯度法兩種?！半妷禾荻确ā痹诠芫€簡單情況下的準(zhǔn)確率比較高，但儀器本身不具備定位功能，須與定位儀配合使用，檢測工作量較大，而當(dāng)現(xiàn)場復(fù)雜時則往往檢測效果不理想，因此更適合于對長輸管道的定期檢 測。有的產(chǎn)品中使用全球定位系統(tǒng)同步的斷流器控制陰保電流通 /斷，技術(shù)含量比較高，但由于價格過高 ，以及 只能應(yīng)用于有 外加電流保護(hù)的管線而難于普及。國內(nèi)生產(chǎn)的儀器 在抗干擾能力、測量精度及儀器穩(wěn)定性上 近些年有了長足的進(jìn)步，通過不斷地 改進(jìn)和提高 ，相信一定能夠在不遠(yuǎn)的將來趕上或超過國外的產(chǎn)品 。 天津市嘉信技術(shù)工程公司的 交變電流梯度法（ 多頻管中電流法 ） 為防腐層檢測提供了經(jīng)濟(jì) 防腐層檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用 埋地管線防腐檢測技術(shù) 培訓(xùn)教材 2 有效的檢測手段。應(yīng)用的儀器，是在總結(jié)了其他儀器開發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對國外產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合我國國情而推出的。其優(yōu)點(diǎn)是不但可以進(jìn)行管線的定位，防腐層破損點(diǎn)定位，還可以評估防腐層的老化狀況；儀器具有堅固耐用、操作簡便易于掌握等特點(diǎn)，同時測量間距可根據(jù)實(shí)際情況靈活變 化，降低了檢測的工作量。 下面，就 簡要介紹 國內(nèi)使用較多的檢測方法及應(yīng)用儀器： 1) 變頻 — 選頻法 上世紀(jì) 90 年末，東北輸油管理局與郵電部第五研究所結(jié)合我國 輸油行業(yè)的管理模式，完成了 長輸管線上 以測量單元管段防腐絕緣電阻、評價防腐層 完好 狀況方法的研究。該方法是將一可變頻率電信號施加到待測管道的一端，從另一端檢測信號的衰減幅度，通過調(diào)節(jié)信號的頻率使信號衰減達(dá)到一定范圍 （ 23dB） 時，根據(jù)信號頻率的高低來推斷防腐層絕緣電阻值， 因此稱 為 “ 變頻 — 選頻法 ” 。此 方法 被 列入石油天然氣公司的 SY/T591994 標(biāo)準(zhǔn)，為我國 管道防腐層評價的后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。變頻 選頻測量方法 特點(diǎn)是：適合于長輸管道的檢測，具有 使用簡便，檢測費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)；但該方法 對操作人員要求較高，在使用之前需設(shè)定一些參數(shù)，較為復(fù)雜；所需與測量儀配合的設(shè)備較多；只能對單元管道（通常為 1km）及有測試樁的管道進(jìn)行絕緣電阻測量，無法判斷破損點(diǎn)位置；當(dāng)管段中有支管、陽極時須 通過 開挖檢測點(diǎn)來 分段檢測 。 2） 直流電壓梯度 （ DCVG） 技術(shù) 直流電壓梯度技術(shù)的代表儀器 是 加拿大 CathTech 公司生產(chǎn)的 DCVG。 它可對有陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行檢測。其原理是： 在 管道中加入一個間斷關(guān)開的直流電信號，當(dāng)管段有破損點(diǎn)時，該點(diǎn)處 管道上方的 地面上會有球面的電場 分布 。 DCVG 使用毫伏表來測量插入地表的兩個 Cu/CuSO4 電極之間的電壓差。當(dāng)電極 接近破損點(diǎn)時，電壓差會增大，而遠(yuǎn)離該點(diǎn)時，壓差又會變小，在破損點(diǎn)正上方時，電壓差應(yīng)為 零 值，以此便可確定破損點(diǎn)位置。再根據(jù)破損點(diǎn)處 IR 降可以推算出破損點(diǎn)面積。破損點(diǎn)形狀可用該點(diǎn)上方土壤電位分布的等位線圖 來 判斷。 儀器優(yōu)點(diǎn)： （ 1）靈敏度很高，可以精確地定位 防腐層 破損點(diǎn)； （ 2）采用了 非 對稱 的 交變信號，消除了其他管中電流、土壤 雜散電流的干擾，測量準(zhǔn)確率很高； （ 3）可以區(qū)別管道分支和防腐層的破損點(diǎn)； （ 4）可以準(zhǔn)確估算 出防腐層面積。并且也能對防腐層破損的形狀進(jìn)行判斷。 缺點(diǎn)是：設(shè)備價格較貴、測量工作勞動強(qiáng)度大，須配合定位儀使用 ；由于電極與地面直接 防腐層檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用 埋地管線防腐檢測技術(shù) 培訓(xùn)教材 3 接觸，因此當(dāng)?shù)孛娼橘|(zhì)導(dǎo)電性差時，測量結(jié)果不 穩(wěn)定；通常僅適用于有 外加電流 陰極保護(hù)系統(tǒng)的管線 ，對于 那些 沒有陰保系統(tǒng)的管線可通過直流發(fā)電機(jī)建立臨時陰極保護(hù)系統(tǒng)完成檢測 ；不同的土壤環(huán)境會對檢測信號產(chǎn)生一定的影響。 3） 皮爾遜法（ 人體電容法 ） 也屬于地面電場法的范疇， 目前國產(chǎn)檢測儀器多采用該方法。 其 工作原理是：給埋地管道發(fā)送 特定頻率的 交流電信號，當(dāng) 管道防腐層有破 損 點(diǎn) 時 ，在破損處形成電流通路，產(chǎn)生漏電電流，向地面輻射，并在漏點(diǎn)上方形成地面電場 分布 。用人體做檢漏儀的傳感元件，檢測人員在漏點(diǎn)附近時，檢測儀的聲響和表頭 都開始有反應(yīng)，在漏點(diǎn)正上方時，儀器反應(yīng)最強(qiáng)，從而可準(zhǔn)確地找到防腐層的破損 點(diǎn)。 該類儀器的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備體積小，價格較低；使用方便，對操作人員要求不高；現(xiàn)場簡單時準(zhǔn)確率較高；其缺點(diǎn)是：抗干擾性能差，當(dāng)?shù)叵鹿芫W(wǎng)較復(fù)雜時，容易產(chǎn)生錯誤判斷； 針對檢測管道及埋設(shè)環(huán)境的具體情況 ， 設(shè)置 檢測的 靈敏度 。檢測 過程 很 大程度 上 依賴使用者的 工程 經(jīng)驗 。 靈敏度 設(shè)置 過低會漏掉破損點(diǎn)，靈敏度過高，會產(chǎn)生誤報漏點(diǎn)。此外，國內(nèi) 早先生產(chǎn)的儀器 發(fā)射機(jī)功率較小，測量范圍受到一定限制，最近廠家加大了發(fā)射機(jī)功率情況有一定的改善；須同時使用定位儀和檢漏儀；不能 定量地 判定防腐層老化程度。 4） 密間隔電位法 （ CIPS） 為國外評估陰極保護(hù)系統(tǒng)和管道保護(hù)水平的標(biāo)準(zhǔn)方法之一 。 通過比較沿管線上測得的 地面電位，評價管道的 CP 系統(tǒng)性能。通常用于評價 CP性能的數(shù)據(jù)包括：沿管線測得的電位、電位的變化值、不同距離點(diǎn)上的通 /斷、去極化電位，及其它的信號特征。 其原理是 ：將一個參比電極放置于地面與電壓表相連，表的另一端與管道相連，讀取管地電位。在外加電流保護(hù)的管道中，通過測得的管地電位分布，即可得出管道的保護(hù)程度。 該方法的 優(yōu)點(diǎn)是：適用于復(fù)雜的地表情況，甚至可水下作業(yè)；測量點(diǎn)多，數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；無須另配發(fā)射機(jī)；缺點(diǎn)是：測量程序復(fù)雜，對人員要求高；測量中要求間隔較小，工作量過大；須與定位儀同時使用；通常至少要三個人參加測量，一人管道定位，一人負(fù) 責(zé)數(shù) 據(jù)采集， 第三人負(fù)責(zé)回收導(dǎo)線。 5） 雜散電流檢測技術(shù) 雜散電流干擾給管道和設(shè)施造成的危害已得到了重視和研究，我國也制定了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，給出了解決電性腐蝕的方案，技術(shù)要求也相當(dāng)明確和完整。由于當(dāng)時在檢測設(shè)備方面尚未有適用現(xiàn)場作業(yè)的測定專用設(shè)備，一般是在電工等通用儀表中選擇使用，檢測手段也較為單一和缺乏效率，直接影響了治理方案的有效實(shí)施。近年推出的雜散電流檢測儀 RD SCM 是一個不錯的選擇。 SCM 能夠檢測出管道上陰極保護(hù)電流分布狀況，也能精確測量出管道雜散電流的流入 /流出點(diǎn)，對于檢測和評定管線上保護(hù)電流給其它管線造成的干擾及找出治理雜散電流干擾方案是一個即安全又有效的方法。 防腐層檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用 埋地管線防腐檢測技術(shù) 培訓(xùn)教材 4 、 交變電流梯度法（ 多頻管中電流法 ） 及其應(yīng)用 、 交變電流梯度法簡介 早在 1996 年， 天津嘉信技術(shù)工程公司 提出 了埋地管道防腐層檢測的多頻管中電流法，并推出相應(yīng)的 檢測 系統(tǒng)及配套軟件，在全國石化系統(tǒng)已有數(shù) 百套系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。 為用戶的管線檢測提供了實(shí)用有效的檢測手段，取得了良好的應(yīng)用效果。 該方法 列入 了 石油天然氣公司的《 SY/T59182020 埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》 。 在 2020 年 4 月推出全新的埋地管道防腐層數(shù)據(jù)處理軟件，版本為 GDFFW xp 。這是一個在新的防腐層評價模型（ 交變電流梯度法 ） 基礎(chǔ)上，開發(fā)研制的全新軟件，運(yùn)行 于當(dāng)前流行的 Windows 各通用系統(tǒng)平臺上。新版本繼承了嘉信公司多年對埋地管道防腐層評價技術(shù)的研究經(jīng)驗，以及對防腐層評價模型及評價方法最新研究成果。 當(dāng)前的最新版本為 xp ，增加了一些方便用戶的輔助功能。 新軟件的新增功能為： * 推薦應(yīng)用 單一頻率 信號 對埋地管道進(jìn)行檢測，軟件自動根據(jù)管道埋設(shè)條件 自動給出 評價模型 的 參數(shù)，徹底解決了用戶應(yīng)用軟件時參數(shù)選擇的難題。 * 軟件評價的模型考慮了土壤的埋設(shè)條件對評價結(jié)果的影響。 * 全新評價的模型考慮了伴行管道對防腐層計算的影響。 * 全面對軟件的功能進(jìn)行了重新設(shè) 計，改進(jìn)了用戶界面。 * 采用了最新 OLE/COM 軟件技術(shù)，極大地提升了系統(tǒng)的性能和可靠性。 * 增加統(tǒng)計表導(dǎo)出功能 ,可導(dǎo)出到共享區(qū)、記事本文件、 MS word 文檔 。 該系統(tǒng)的使用方法是： 通過在管道和大地之間施加某一頻率的正弦波電壓，給待檢測的管道發(fā)射檢測信號電流， 在地面上沿管道路由記錄管道中各測點(diǎn)流過的電流值；觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理即得出檢測結(jié)果。圖形結(jié)果可直接顯示破損點(diǎn)位置，也可定性地判斷各段防腐層的老化狀況。 沿路由 在地面上 檢測由管道 上信號 電流 產(chǎn)生交變電磁場的強(qiáng)度及變化規(guī)律。采用這種方法不但可找管定位， 還在很大程度上排除了大地的電性和雜散電流的干擾，具有很好的實(shí)用性。同時，通過管道上方地面的磁場強(qiáng)度換算出管中的電流變化，可以判斷出管道的支線位置或防腐層破損缺陷等。其原理是：管道的防腐層和大地之間存在著分布電容耦合效應(yīng)，且防腐層本身也存在著弱而穩(wěn)定的導(dǎo)電性，使信號電流在管道外防腐層完好時的傳播過程中呈指數(shù)規(guī)律衰減，當(dāng)管道防腐層破損后，信號電流便由破損點(diǎn)流入大地，管中電流會有明顯異常衰減，引發(fā)地面的磁場強(qiáng)度的急劇減小，由此可對防腐層的破損點(diǎn)進(jìn)行定位。然而，這是個相對比較的過程，該過程受到不同檢測頻率、管道及周 邊結(jié)構(gòu)等因素的影響。為消除包括管道規(guī)格、防腐結(jié)構(gòu)、土壤環(huán)境等因素，將均勻傳輸線理論應(yīng)用于管－地回路，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)，可以有效地分析或消除上述影響。在測得檢測電流的變化規(guī)律后，根據(jù)評價模型可推算出防腐層的電氣性能參數(shù)值 Rg。交變電流梯度法就是根據(jù)這樣的原理完成對管道防腐層的檢測及評價。 、 管－地回路的等效電路模型 防腐層檢測系統(tǒng)及其應(yīng)用 埋地管線防腐檢測技術(shù) 培訓(xùn)教材 5 當(dāng)在管道和大地之間施一 交流信號時，用電路理論分析電流信號在回路過程中的傳輸過程，則必須把這一回路進(jìn)行電路等效，即建立有效的電路模型。實(shí)際上，可以把管－地回路看成一個分布參數(shù)電路 ，基本參數(shù)可歸結(jié)為縱向分量阻抗和橫向分量導(dǎo)納?？紤]大地電阻和電容的影響，可以對管地回路中的一個微分段作圖 1所示的等效。圖中