DCVG技術(shù)在城市燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測(cè)中的應(yīng)用

摘 要

摘要：闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術(shù)檢測(cè)金屬管道防腐層的技術(shù)原理及應(yīng)用方法。該技術(shù)原為長輸管道的防腐層檢測(cè)而研發(fā)。長輸管道一般采用外加電流進(jìn)行防腐保護(hù)。城市燃?xì)夤艿?/p>

摘要：闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術(shù)檢測(cè)金屬管道防腐層的技術(shù)原理及應(yīng)用方法。該技術(shù)原為長輸管道的防腐層檢測(cè)而研發(fā)。長輸管道一般采用外加電流進(jìn)行防腐保護(hù)。城市燃?xì)夤艿榔毡椴捎脿奚枠O對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)，犧牲陽極會(huì)對(duì)DCVG檢測(cè)造成干擾。根據(jù)DCVG檢測(cè)技術(shù)原理及檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，提出了消除及判斷犧牲陽極的4種方法，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。為DCVG檢測(cè)技術(shù)在城市燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測(cè)提供了工程經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：直流電壓梯度；犧牲陽極；防腐層；完整性評(píng)價(jià)
The Application DCVG Technique on Town Gas Pipeline Anticorrosive Coating Survey
YE Genyin，WU Jia-chuan，ZANG Gui-ning，XIE Dong-la
Abstract：The principle and detection method of the application DCVG(Direct Current Voltage Gradient)technique on the metal town gas pipeline anticorrosive coating survey is introduced. This technology has been developed for the long-distance gas pipeline anticorrosive coating survey，where external current is widely used for anticorrosive protection. It is a common practice in the town gas pipeline system that sacrificial anode is often used for catholic protection. These anodes could interfere the application of DCVG. Based on the detection principle of the DCVG technology and actual testing experience，four methods are proposed to eliminate the influence of sacrificial anode，and haven been verified in practice. These four methods provide a powerful exploration on the application of DCVG technique on town gas pipeline coating survey.
Keywords：direct current voltage gradient；sacrificial anode；anticorrosive coating；integration assessment
　1 概述
　DCVG(Direct Current Voltage Gradient，直流電壓梯度)檢測(cè)技術(shù)，是目前國內(nèi)外公認(rèn)的先進(jìn)的埋地金屬管道防腐層檢測(cè)技術(shù)，在管道完整性評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用。DCVG技術(shù)發(fā)明之初應(yīng)用于油氣長輸管道防腐層檢測(cè)，利用管道本身的外加保護(hù)電流，采用同步斷路器使管道外加的陰極保護(hù)直流電流周期性的通、斷，在地面管道上方檢測(cè)直流電壓梯度，從而判斷管道防腐層是否有破損點(diǎn)。在城市燃?xì)夤艿乐校艿狸帢O保護(hù)普遍采用犧牲陽極，沒有現(xiàn)成的外加電流可以借用，所以采用DCVG檢測(cè)時(shí)必須對(duì)管道外加直流電源。同時(shí)管道上連接的犧牲陽極在外加電流的情況下，本身就是一個(gè)漏電點(diǎn)，會(huì)對(duì)管道防腐層是否破損的檢測(cè)判斷造成影響。如何在城市燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測(cè)中采用DCVG技術(shù)以及判斷檢測(cè)信號(hào)是否為犧牲陽極影響，是DCVG技術(shù)應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿罊z測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。
　1.1 DCVG檢測(cè)技術(shù)原理
　DCVG技術(shù)是在埋地管道上施加一個(gè)直流電源(如陰極保護(hù)電流)，并采用周期性同步斷路器使管道上形成周期性通、斷的直流電流。如果管道防腐層存在破損點(diǎn)，泄漏電流將在破損點(diǎn)周圍土壤形成一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓梯度場(chǎng)，其范圍將在十幾米至幾十米之間變化，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)可比較準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)破損點(diǎn)。通過在管道地面上方的兩個(gè)Cu/CuS04飽和參比電極以及與電極連接的高靈敏度毫伏表來檢測(cè)這個(gè)電位梯度，就可以判斷管道破損點(diǎn)的位置和大小。由于DCVG檢測(cè)技術(shù)采用的是周期性的外加直流電流，不受交流電等雜散電流的干擾[3]。
　根據(jù)DCVG檢測(cè)的技術(shù)原理，通過對(duì)埋地管道防腐層缺陷處地表電場(chǎng)檢測(cè)，繪出缺陷處地表電場(chǎng)等壓線輪廓形狀，根據(jù)繪制的地表電場(chǎng)等電位線可以判斷埋地管道防腐層缺陷的形狀以及缺陷所在管體的位置。典型的電場(chǎng)輪廓線有圖1所示的幾種[1]。
　在檢測(cè)過程中，通過檢測(cè)管地電位的IR可以進(jìn)一步判斷防腐層缺陷的大小。在陰極保護(hù)過程中，外加電流在管線上形成的電位差包括管道通過防腐層到土壤的電壓降VI和管道邊的土壤到遠(yuǎn)方大地的電壓降VS。在管線上加電壓后，管線的電壓降可由圖2所示，他們之間的關(guān)系可由下式表示[1]：
VT=VI+VS    (1)
式中VT——管道到遠(yuǎn)大地點(diǎn)的電位差
VI——管道通過防腐層到周邊土壤的電位差
VS——管道邊的土壤到遠(yuǎn)大地點(diǎn)的電位差
采用DCVG進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，VT為管道的斷電電位Voff與通電電位Von的差，VS可由DCVG的高靈敏度毫伏表直接讀取。
 
在埋地管道陰極保護(hù)電壓降中，V是外加陰極保護(hù)電壓中真正起到保護(hù)管道作用的一部分電壓，VS是為克服土壤阻抗而損失的電壓，對(duì)于保護(hù)管線并沒有作用，所以要獲得較好的陰極保護(hù)效果，V應(yīng)較大而VS較小，陰極保護(hù)的水平可以用V的大小來衡量。然而在實(shí)際的檢測(cè)中很難對(duì)V進(jìn)行測(cè)量，而較容易測(cè)量VS的值，因此可以利用VS值的大小來評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的作用，通常是利用其占埋地管道外加陰極保護(hù)電壓降的百分比進(jìn)行表示，公式如下：
 
IR越大,陰極保護(hù)程度越低，也就是說埋地管道防腐層缺陷面積越大，因而DCVG能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)防腐層缺陷面積的大小，并能對(duì)整個(gè)管道的陰極保護(hù)效果做出客觀的判斷。
　1.2 DCVG檢測(cè)技術(shù)在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的應(yīng)用
　城市燃?xì)夤艿琅c長輸燃?xì)夤艿老啾龋季謴?fù)雜，支管多，管道周圍干擾因素多，燃?xì)庑孤┰斐傻奈：Υ螅仨殞?duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行定期的防腐層檢測(cè)，確保安全[4]。目前我國的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)主要采取犧牲陽極方法，而DCVG檢測(cè)技術(shù)需要外加電源，所以應(yīng)用時(shí)須在燃?xì)夤艿乐屑又绷麟娏?。直流電源的外加如圖3所示：可調(diào)節(jié)的直流電源正極接地，負(fù)極通過閥門測(cè)試樁或閥門井與燃?xì)夤艿辣谶B接，負(fù)極與燃?xì)夤艿乐g接電路通斷器來實(shí)現(xiàn)管路電流的周期性通斷。
 
　國家標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 21448—2008)要求管道陰極保護(hù)電位(即管/地界面極化電位)應(yīng)為-850mV(CSE)或更負(fù)，但不能比-1200mV更負(fù)[5]。所以在犧牲陽極陰極保護(hù)良好的管道，管道管地電位已被極化到-850～-1200mV(CSE)之間。在進(jìn)行DCVG檢測(cè)時(shí)，由于電源正極接地電阻可能會(huì)較大，外加在管道上的電位會(huì)低于可能會(huì)低于犧牲陽極的自然保護(hù)電位(對(duì)鎂陽極，-1500mV)，此時(shí)管道變?yōu)殛枠O，而原先保護(hù)管道的犧牲陽極就變成陰極，并且由于犧牲陽極是裸露于土壤中，從而會(huì)造成犧牲陽極放電現(xiàn)象。則在犧牲陽極處，管道的IR會(huì)變得很大，表現(xiàn)為管道的防腐層破壞，從而對(duì)管道的完整性評(píng)價(jià)造成誤判。另外由于犧牲陽極埋地時(shí)間過長也會(huì)出現(xiàn)失效而引起鎂陽極漏電情況。如何來判斷檢測(cè)到的信號(hào)為管道防腐層破損還是犧牲陽極放電造成，降低外來因素干擾，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性以及對(duì)整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有重要作用。
　通過DCVG的檢測(cè)原理及豐富的工程檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，我們探索了以下幾種方法可以判斷、或者避免DCVG檢測(cè)中的犧牲陽極干擾。
　① 陽極埋設(shè)距離算法：收集管道施工資料，確定犧牲陽極埋設(shè)的具體位置或者埋設(shè)距離等，通過檢測(cè)結(jié)果與施工竣工圖紙記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)是否為陽極干擾。
　② 在管道上加入外加電流時(shí)，避免外加電流對(duì)管道的極化電位高于犧牲陽極的自然電位(對(duì)鎂陽極，-1500mV)。
　③ 尋找最大電位梯度法：國家標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB/T21448—2008)對(duì)陽極的埋設(shè)規(guī)定為：一般情況下犧牲陽極距管道外壁3～5m，最小不宣小于0.5m，埋設(shè)深度以陽極頂部距地面不小于1米為宜。成組布置時(shí)，陽極間距為2.3m為宜[5]。由圖4可以看出，當(dāng)犧牲陽極出現(xiàn)漏電情況后，在犧牲陽極周圍會(huì)出現(xiàn)電位等勢(shì)線，通過DCVG探測(cè)漏電處電位，繪出簡(jiǎn)單的等勢(shì)圖，就可發(fā)現(xiàn)最大電位梯度處并不在管道正上方，而在位于偏離管道一段距離的地方，從而可以確定此處為犧牲陽極干擾。
④ 計(jì)算犧牲陽極IRC法：外加在管道上的電流在與其連接的犧牲陽極上形成的電位差VTC可通過下式計(jì)算
VTC=Vnc-Von    (3)
　式中Vnc——犧牲陽極的自然保護(hù)電位。對(duì)鎂陽極，為-1500mV
　外加電流在犧牲陽極上形成的電位差類似于在管道上形成的電位差，只是由于管道上有防腐層，由于防腐層的高阻抗，管道對(duì)遠(yuǎn)方大地的電位差主要存在于管對(duì)地電壓降；而對(duì)于犧牲陽極，陽極是裸露干土壤，并有陽極填料，接地電阻很小，所以外加電流在犧牲陽極上形成的電位差V。應(yīng)約等于犧牲陽極旁的土壤距遠(yuǎn)方大地的電位差Vs。即VTC≈Vs?？梢砸韵率接?jì)算犧牲陽極處的JR降
 
　如果IRC接近或大于100%，則可判斷此處存在犧牲陽極。如果IRC超過100%很多，則不排除此處管道上伴隨有防腐層破損情況。
　在這四種方法中，第一種方法最直接，但是許多施工企業(yè)在燃?xì)夤艿冷佋O(shè)時(shí)，并沒有將陽極具體埋設(shè)位置繪制在施工/竣工圖紙上，并且在犧牲陽極埋設(shè)處管道防腐層也有出現(xiàn)破損現(xiàn)象，特別是陽極線與管道焊接處。第二種方法能夠有效的避免陽極漏電，但是在實(shí)際操作過程中，臨時(shí)的接地裝置接地電阻較大，為了能夠向管道加入適當(dāng)?shù)碾娏?，管道極化后的電位普遍要大于犧牲陽極的自然電位，該種方法的實(shí)用性不強(qiáng)；第三種方法能夠準(zhǔn)確的判斷陽極干擾以及陽極所在位置，但是許多公司在施工過程中，缺乏監(jiān)理，陽極埋設(shè)位置不符合GB/T21448—008的規(guī)定，有的緊挨管道，這就對(duì)第三種方法帶來困難。第四種方法受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，土壤電阻率等因素的影響，外加電流在犧牲陽極上形成的電位差VTC不等于犧牲陽極旁的土壤距遠(yuǎn)方大地的電位差Vs，并且犧牲陽極可能會(huì)失效等因素造成陽極的自然電位Vnc的變化。以上4種方法都有各自的局限性，所以在實(shí)際檢測(cè)過程中，必須根據(jù)實(shí)際情況，四種方法綜合判斷，才能有限的排除因犧牲陽極漏電而造成的干擾。
　2 工程檢測(cè)實(shí)例
　2010年5月丹陽奧恩能源科技有限發(fā)展公司與華南理工大學(xué)聯(lián)合組成的管道完整性評(píng)價(jià)小組采用DCVG技術(shù)對(duì)山東龍口港華燃?xì)夤镜拇胃邏?，中壓管道進(jìn)行了防腐層檢測(cè)，檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)犧牲陽極對(duì)DCVG檢測(cè)有很大的干擾作用，通過上述的幾種方法有效的排除了犧牲陽極漏電對(duì)DCVG檢測(cè)結(jié)果的影響。例如在一段長約三公里的次高壓管路上發(fā)現(xiàn)有12處漏電現(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果見表1，該管段采用鎂陽極為犧牲陽極，自然保護(hù)電位Vnc為-1500mV。
　在此段進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，分別在兩處測(cè)試樁加入外加電流，第一處，極化后通電位Von=-1550mV，斷電位Voff=-1150mV,管道到遠(yuǎn)大地點(diǎn)的電位差為VT=400mV，犧牲陽極上形成的電位VTC為50mV，1～8處漏電點(diǎn)由此測(cè)試樁提供的信號(hào)檢出。由表1可知，除7號(hào)點(diǎn)外，檢測(cè)到的犧牲陽極旁的土壤距遠(yuǎn)方大地的電位差Vs與犧牲陽極上形成的電位差VT，基本相當(dāng)，且低于VTC；7號(hào)點(diǎn)的IRC為120%，懷疑此處或伴有管道防腐層破損，待驗(yàn)證。
　第二外加電流處，極化后，通電電位Von=-1560mV，斷電電位Voff=-1010mV，管道到遠(yuǎn)大地點(diǎn)的電位差為VT=550mV,犧牲陽極上形成的電位差VTC為60mV，9～12處漏電點(diǎn)由2號(hào)測(cè)試樁提供的信號(hào)檢出，由表中數(shù)據(jù)可以看出，9號(hào)點(diǎn)檢測(cè)到的犧牲陽極旁的土壤距遠(yuǎn)方大地的電位差Vs與犧牲陽極上形成的電位差VTC基本相當(dāng)，初步判斷為犧牲陽極，隨后的開挖驗(yàn)證證實(shí)了此判斷。9、10、12號(hào)漏電點(diǎn)的IRC已經(jīng)大于100%，所以判斷這些點(diǎn)連接有犧牲陽極，但不排出伴隨有防腐層破壞。其中12號(hào)漏電點(diǎn)的IRC已經(jīng)高達(dá)163%，伴隨有管道防腐層破壞的可能性很大。恰好此處具備開挖條件。開挖后發(fā)線該處有犧牲陽極，同時(shí)伴隨有管道防腐層破壞，如圖5所示。另外，此12處漏電點(diǎn)相隔距離基本上是相隔200～400m，這也符合一般犧牲陽極埋設(shè)距離，能夠?yàn)殛枠O信號(hào)干擾排除提供依據(jù)。
表1 龍口港華某管道DCVG檢測(cè)結(jié)果
序號(hào)
距起點(diǎn)距離/m
Vs/mV
IR/%
IRC/%
判斷分析
1
18
45.0
11.0
90
預(yù)測(cè)為陽極
2
341
43.0
11.O
86
預(yù)測(cè)為陽極
3
605
45.0
11.O
90
預(yù)測(cè)為陽極
4
919
36與
8.5
73
預(yù)測(cè)為陽極
5
1113
29.O
7.O
58
預(yù)測(cè)為陽極
 
1170
測(cè)試樁1，信號(hào)加入點(diǎn)，VT=400mV，VTC=50mV
6
1220
30.O
8.0
60
預(yù)測(cè)為陽極
7
1820
60.0
15.0
120
預(yù)測(cè)為陽極，或伴有管道防腐層破損，待驗(yàn)證
8
2120
48.0
12.O
96
預(yù)測(cè)為陽極
8
2120
48.0
12.O
96
預(yù)測(cè)為陽極
9
2402
76.O
14.0
127
預(yù)測(cè)為陽極，或伴有管道防腐層破損，待驗(yàn)證
10
2719
72.O
14.O
120
預(yù)測(cè)為陽極，或伴有管道防腐層破損，待驗(yàn)證
 
2914
測(cè)試樁2，信號(hào)加入點(diǎn)，VT=550mV，VTC=60mV
11
3053
55.0
12.0
92
開挖驗(yàn)證為陽極
12
3226
98.0
18.0
163
開挖驗(yàn)證為陽極并伴隨有防腐層破損點(diǎn)

　3 結(jié)論及未來工作
　針對(duì)DCVG在城市燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測(cè)中的應(yīng)用，提出了四種方法以判斷、消除管道連接的犧牲陽極對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。通過在龍口港華的實(shí)際檢測(cè)，初步驗(yàn)證了上述方法的有效性。由于開挖條件的限制，尚沒有對(duì)所有的懷疑為犧牲陽極的漏電點(diǎn)進(jìn)行開挖驗(yàn)證。未來將對(duì)這四種方法的有效性做進(jìn)一步的驗(yàn)證。同時(shí)，將對(duì)這些方法進(jìn)行量化研究，如IR，在多大的范圍內(nèi)可以認(rèn)定為犧牲陽極，在多大的范圍內(nèi)可以認(rèn)定為犧牲陽極伴隨管道防腐層破損等。城市燃?xì)夤艿劳暾栽u(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了檢測(cè)設(shè)備的有效，更需要操作的人的工程經(jīng)驗(yàn)，以及燃?xì)夤灸軌蛱峁┛煽康墓こ炭⒐D等資料。
參考文獻(xiàn)：
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[5] GB/T21448—2008，埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].
 
(本文作者：葉根銀1 吳家傳2 臧桂寧2 解東來3 1.丹陽奧恩能源科技發(fā)展有限公司 江蘇丹陽 212300；2.龍口港華燃?xì)庥邢薰尽∩綎|龍口 265700；3.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣東廣州 510640)