1、埋地管线电流梯度检测方法在辅助阴保设计中的应用摘要:外加电流阴极保护是国内外广泛采用的防腐技术,高效合理的保护站设计方案取决于准确可靠的管道防腐数据。采用电流梯度法进行管道防腐层的参数测定,是简单有效的方法。天津嘉信公司进行了相关的尝试,取得了一定的成果。关键词:外加电流保护、阴极保护电流密度、PCM 检测埋地钢质管道的外加阴极保护是当前国内外广泛应用的防腐技术,已有一百多年的历史,在延缓埋地管道的腐蚀发生、延长管道的服役年限上发挥了极其重要的作用。随着我国相关行业对埋地管道管理水平的日益提高,在重要管线上都采用了阴极保护措施。近年来,国家加强了管道、压力容器的安全立法、各行业普遍采用了以英国
2、雷迪公司为代表的检测仪器,对在用管线的防腐层进行检测,提高了管道的竣工验收、维护、更新、报废等环节的技术管理水平,取得了可喜的社会、经济效益,使得我国管道的安全运行水平普遍提高。但是,对于新近在建的管线上进行外加电流阴极保护设计的过程中,由于施工现场千变万化,选择阴极保护系统时由于不能有效采集管道防腐层的运行参数,设计方案的选择制定过程存在一定的盲目性,影响了管道保护的可靠性、运行的经济性,致使管道的阴极保护存在欠保护或过保护的现象大量存在。如何对已经建好的管线进行必要的检测,得出管线的运行参数,提供阴极保护设计的必有参数,是广人防腐工作者普遍关心的问题。天津嘉信技术工程公司在推广埋地管道防腐
3、检测系统的过程中配合用户进行了大量的现场实验,取得了一定的经验。下面,就使用雷迪公司的管道电流测绘仪,进行埋地管道的外加电流保护密度的测量,做一简单介绍。一、流梯度法的原理PCM 系统由发射机和接收机两部分组成:超大功率发射机向管道供入一个频率接近直流的信号电流,当电流向管道远处延伸时,它在管道周围产生有规律的电磁场,当工作人员手持接收机在管道上方时,便可以探测到这个电磁场,根据显示可以测定管道的位置、埋深,测定管道中的信号电流强度及该电流的方向。由于采用 4Hz 超低频信号在管中电流衰减和分布的特性,实际上与断续的阴极保护电流是相同的。通过对该信号的检测就可间接得到管道防腐层的电气性能,从而
4、评估防腐层的状况。此外,将近直流信号施加到管道上,相当于采用直流电对管道进行馈电实验。由于测量此时管道上的电流强度,不需要进行开挖或预埋测试桩。这样的检测可以在任何有代表性的管段上进行。检测方法简单可靠,经过简单的数学计算,就可以得出管线的阴极保护电流密度,由此进行外加电流阴极保护系统的设计,可使阴极保护站的选址、阴极保护设备的选型更有针对性。有利于管道阴极保护系统的安全经济运行,为管道长期有效工作提供有力的保证。二、阴极保护的参数及计算方法保护电流密度系指被保护构筑物单位面积上所需的保护电流,是阴极保护设计中必不可少的重要参数。使金属得到完全保护时所要的电流密度为最小保护电流密度,它的数值与
5、金属种类,金属表面状态(由于无保护膜、漆膜的完整程度,介质条件)等有关。一般当金属在介质中的腐蚀性越强,阴极极化程度越低时,所需的保护电流密度越大。金属构筑物所需阴极保护电流密度参考表 1。式中:I保护电流密度;i0促使电保护电流;ix远端保护电流;S管段面积;式中:圆周率;管道外径;L管段长度。衡量阴极保护的效果有两个参数保护程度(P)保护效果(Z) 。他们的计算方法如下:式中:I阴极保护的保护程度;i 腐未加阴极保护的金属腐蚀电流密度;i 阳阴极保护时的金属腐蚀电流密度;式中:i 保阴极保护是外加的电流密度。阴极保护时电位负移与 i 腐及 i 阳关系可由(3)式表示:式中:R气体常数;T绝
6、对温度;F法拉第常数;某些金属在不同电解液中阴极保护计算指数是不同的,计算的基础是钢的表面无油漆、无阴极沉积物。计算指数反映在静止条件下(自然对流)和在相对流动液体的电化学保护参数。从表 2 中可以看出,随着i 阳/i 腐的减小,i 保/i 腐的增大,电位负移,即 E 值增加,保护程度(P)不断提高,而保护效率(Z )却随着下降,例如:i/I 从 0 增加到 2、i/I 从 0 减小到 0.2 时,P 由 0 升高到 80%,Z 为 39.6%,为最佳状态。而在达到完全保护,I=0 时,Z 仅仅是 0.27%表 1 钢构筑物所需阴极保护电流密度钢构筑物 覆盖层状况 保护电流密度,mA/m2 埋
7、地 管道、容器、储罐、电缆、导管铠装电缆套管、接地极 塑料沥青玻璃布沥青羊毛毡油浸黄麻无覆盖层 0.001-0.010.01-0.050.3-0.73-1710-100淡水 桥梁,上、下水构筑物闸门、水坝水管、水井热交换器、锅炉 良好涂覆层旧涂覆层无覆层无涂履 0.05-0.60.5-85-13100-600海水 趸船、系船浮标航行中船舶码头设施、浮桥、浮筒钢板桩、压载舱 良好涂覆层旧涂覆层旧涂覆层无涂覆层 0.2-2020-100050-1000100-1000表 2 阴极保护的计算指数i 阳/i 腐 i 保/i 腐 E,V P,% Z,%1.0 0.0 0.0 0.0 0.00.9 0.1
8、6 0.0027 10 64.20.8 0.31 0.0054 20 62.50.7 0.49 0.0093 30 60.40.6 0.69 0.0127 40 57.80.5 0.91 0.0147 50 54.70.4 1.18 0.0230 60 50.80.3 1.52 0.0310 70 46.00.2 2.02 0.0404 80 39.610-1 3.06 0.0580 90 29.410-2 9.99 0.1160 99 19.910-3 31.6 0.1740 99.9 3.1510-4 99.99 0.2320 99.99 1.010-5 299 0.2900 99.999
9、 0.33410-6 361 0.3020 99.9999 0.27710-7 369 0.3030 99.99999 0.271i 阳=0 370 0.3040 100.0 0.270从以上的关系中可以看出合理的保护电流强度是管道得以保护的重要条件,过大的电流密度会产生相反的作用,使管道上发生析氢现象,致使防腐层与管体的剥离,破坏防腐层的保护性能。过小的电流密度会使一些管段得不到保护。而电流梯度法由于能对管道的阴保电流分布有一全面了解,针对失效原因及时进行修复,最大限度的减少事故隐患和电力浪费。通过施加的检测电流的大小与电流在管道上的分布范围之间的关系,推算出阴极保护电流密度,为阴保站设计提
10、供必要的参数,提高设计方案的合理性和科学性。三、阴极保护的检测及注意问题在应用电流梯度法进行埋地管道检测时,由于受管道规格尺寸、敷设年代、土壤环境等变化因素的影响,没有任何两条管线能够得到完全相同的检测结果,在仪器使用过程中,结合现场的实际情况,采用正确方法、有效地使用仪器,结合方法原理,对检测结果做出科学、合理的解释,对于发挥仪器的作用是至关重要的,嘉信公司自 1997 年推广英国雷迪公司 PCM 和自主版权的 GDFFW 解释系统以来,配合用户进行大量的现场检测,公司技术人员自己也作过一系列的试验,从中积累了一些实地经验。例如:引滦入津水源干管腐蚀调查及评估工程,对 1983 年引滦入津工
11、程修建的两条水源管线,一条从宜兴埠水厂至红桥水厂,直径 2500mm、管壁厚 20mm、长 10.67Km;另一条至新开河水厂,直径1800mm、管壁厚 18mm、长 2.7Km 进行了检测,发现有明显破损点 26 处,绝缘电阻大部分在 1-2km2,属差和劣级;而管道中、下部沥青失泽、龟裂、变脆、与管体附着力很差。可见老化程度十分严重,防护作用大大减小,可能造成大面积多处爆发性腐蚀泄漏事故,后果不堪设想。在此基础上制定出阴保方案:由于管道的防腐层老化程度相当严重,建议采用外加电流阴极保护为主,建阴极保护站 3 座、安装整流器 6 台、测试桩 15 个、均压线、跨接线多处、设立中深井阳极 4
12、座,深井阳极 2 座。对管道穿越北环铁路的套管内方牺牲阳极,加强对内输水管道的保护。主要设计指标:(一)保护年限:20 年;(二)保护电位值:-0.85V 至-1.5V (vs.Cu/CuSO4) 。 (三)保护度:试验挂片保护度大于 85%(四)副作用问题:消除屏蔽,阴极保护系统对其他系统干扰降至最低。技术方案说明:阴极保护系统组成与原理图是由直流电源-深井阳极- 管道组成。正极通过阳极电缆连接到深井极,负极通过阴极电缆连接到被保护地下管道。外加电流法所产生的电流经土壤流进管道使其阴极极化,电位负移使金属进入免蚀区,使管道得以保护。深井打在三个泵站内,电源放在室内,安全、便管理。总之,追加阴
13、极保护的投资是重建复线的几百分之一,是经济有效的解决办法。PCM 电流检测系统是管道工业评估阴极保护的管线在被保护中的效果时,能够克服现有一般技术的局限性,特有的 4Hz 频率信号,极好的模拟了阴极保护电流在管道中的分布特征。近直流电流信号的施加相当于对管道进行的馈电试验。仪器提供了多个频率可供选择,对同管道采用不同频率进行检测,结果可以相互印证更加可靠、真实。防腐层检测与阴保有效性检测原理是相同的。根据管道中电流的衰变趋势,评估防腐层的状况及各种短路故障和防腐层破损点的定位。破损点的定位采用了该系统配置的 A 型架,其原理为地面电场法。这样该套仪器集多种检测方法于一身,我们便可得到准确、完整
14、的第一手资料。从图一可见,管道中的阴保电流和 PCM 检测电流分布几乎完全一致,利用 PCM 电流检测,实现合理的站点布置及恰当的阴保设备配置,达到可靠的保护区域,使管道得到全面的保护。检测过程应注意的问题:1做好充分的准备工作,尽可能多的了解管道的信息,一张大比例地图(1:5000 或更大) ,来了解已取得管线情况,准备好仪器用的蓄电池和干电池及其他必备器材。2检测前应对信号供入点和信号频率做出正确的选择,确定合理的地极点。3根据管道的实际情况采用适当的检测间距,根据防腐层大致情况选定信号强度,方能检测到可靠的数据。4对干扰和信号失真采取有效的回避方法。阴保电源 0.689 0.370 0.
15、285 0.260 0.218 0.200 0.127 0.080 0.052 0.047PCM 电流 0.677 0.370 0.298 0.251 0.241 0.203 0.139 0.075 0.064 0.035图 1 管道中阴保电流和 PCM 电流的分布5.制定长期的检测计划,这样就能实时的了解管道的综合情况,发现问题及时修补和维护,使管道始终处于良好环境中,建立管道档案便于管理。四、结束语电流梯度法作为管道阴极保护设计提供依据的新方法,能全面模拟阴保电流的分布,同时还可以完成阴保系统故障的诊断及评估,特别是为缺少阴保测试桩的长输管线,提供了又一综合、有力的检测工具。阴保有效性的评估及故障诊断是广大防腐工作者非常关心的问题,发展一种合理、准确、方便、高效,易于实现的方法能使我们工作更上一个台阶。电流梯度法从测量电流的角度出发,配合地面电场法将更加准确,此法将在实践中不断完善和发展。参考文献:1 胡士佗:阴极保护工程手册,化学工业出版社,1999 年2 王芷芳,林守江,引滦入津水管道的腐蚀调查,腐蚀与防护,2001 年 1 期