DCVG技術在城市燃氣管道防腐層檢測中的應用

摘 要

摘要：闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術檢測金屬管道防腐層的技術原理及應用方法。該技術原為長輸管道的防腐層檢測而研發(fā)。長輸管道一般采用外加電流進行防腐保護。城市燃氣管道
摘要：闡述了DCVG(直流電壓梯度)技術檢測金屬管道防腐層的技術原理及應用方法。該技術原為長輸管道的防腐層檢測而研發(fā)。長輸管道一般采用外加電流進行防腐保護。城市燃氣管道普遍采用犧牲陽極對管道進行陰極保護，犧牲陽極會對DCVG檢測造成干擾。根據(jù)DCVG檢測技術原理及檢測經驗，提出了消除及判斷犧牲陽極的4種方法，并在實踐中得到了驗證。為DCVG檢測技術在城市燃氣管道防腐層檢測提供了工程經驗。
關鍵詞：直流電壓梯度；犧牲陽極；防腐層；完整性評價
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)檢測技術，是目前國內外公認的先進的埋地金屬管道防腐層檢測技術，在管道完整性評價中得到了廣泛的應用。DCVG技術發(fā)明之初應用于油氣長輸管道防腐層檢測，利用管道本身的外加保護電流，采用同步斷路器使管道外加的陰極保護直流電流周期性的通、斷，在地面管道上方檢測直流電壓梯度，從而判斷管道防腐層是否有破損點。在城市燃氣管道中，管道陰極保護普遍采用犧牲陽極，沒有現(xiàn)成的外加電流可以借用，所以采用DCVG檢測時必須對管道外加直流電源。同時管道上連接的犧牲陽極在外加電流的情況下，本身就是一個漏電點，會對管道防腐層是否破損的檢測判斷造成影響。如何在城市燃氣管道防腐層檢測中采用DCVG技術以及判斷檢測信號是否為犧牲陽極影響，是DCVG技術應用于城市燃氣管道檢測中的一個關鍵問題。
　1.1 DCVG檢測技術原理
　DCVG技術是在埋地管道上施加一個直流電源(如陰極保護電流)，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，泄漏電流將在破損點周圍土壤形成一個穩(wěn)定的直流電壓梯度場，其范圍將在十幾米至幾十米之間變化，對其進行檢測可比較準確的發(fā)現(xiàn)破損點。通過在管道地面上方的兩個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這個電位梯度，就可以判斷管道破損點的位置和大小。由于DCVG檢測技術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檢測的技術原理，通過對埋地管道防腐層缺陷處地表電場檢測，繪出缺陷處地表電場等壓線輪廓形狀，根據(jù)繪制的地表電場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。典型的電場輪廓線有圖1所示的幾種[1]。
　在檢測過程中，通過檢測管地電位的IR可以進一步判斷防腐層缺陷的大小。在陰極保護過程中，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，他們之間的關系可由下式表示[1]：
VT=VI+VS    (1)
式中VT——管道到遠大地點的電位差
VI——管道通過防腐層到周邊土壤的電位差
VS——管道邊的土壤到遠大地點的電位差
采用DCVG進行檢測時，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電壓降中，V是外加陰極保護電壓中真正起到保護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，對于保護管線并沒有作用，所以要獲得較好的陰極保護效果，V應較大而VS較小，陰極保護的水平可以用V的大小來衡量。然而在實際的檢測中很難對V進行測量，而較容易測量VS的值，因此可以利用VS值的大小來評價陰極保護的作用，通常是利用其占埋地管道外加陰極保護電壓降的百分比進行表示，公式如下：
 
IR越大,陰極保護程度越低，也就是說埋地管道防腐層缺陷面積越大，因而DCVG能夠較準確地預測防腐層缺陷面積的大小，并能對整個管道的陰極保護效果做出客觀的判斷。
　1.2 DCVG檢測技術在城市燃氣管網(wǎng)中的應用
　城市燃氣管道與長輸燃氣管道相比，布局復雜，支管多，管道周圍干擾因素多，燃氣泄漏造成的危害大，必須對城市燃氣管網(wǎng)進行定期的防腐層檢測，確保安全[4]。目前我國的城市燃氣管網(wǎng)陰極保護主要采取犧牲陽極方法，而DCVG檢測技術需要外加電源，所以應用時須在燃氣管道中加直流電流。直流電源的外加如圖3所示：可調節(jié)的直流電源正極接地，負極通過閥門測試樁或閥門井與燃氣管道壁連接，負極與燃氣管道之間接電路通斷器來實現(xiàn)管路電流的周期性通斷。
 
　國家標準《埋地鋼制管道陰極保護技術規(guī)范》(GB/T 21448—2008)要求管道陰極保護電位(即管/地界面極化電位)應為-850mV(CSE)或更負，但不能比-1200mV更負[5]。所以在犧牲陽極陰極保護良好的管道，管道管地電位已被極化到-850～-1200mV(CSE)之間。在進行DCVG檢測時，由于電源正極接地電阻可能會較大，外加在管道上的電位會低于可能會低于犧牲陽極的自然保護電位(對鎂陽極，-1500mV)，此時管道變?yōu)殛枠O，而原先保護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，從而會造成犧牲陽極放電現(xiàn)象。則在犧牲陽極處，管道的IR會變得很大，表現(xiàn)為管道的防腐層破壞，從而對管道的完整性評價造成誤判。另外由于犧牲陽極埋地時間過長也會出現(xiàn)失效而引起鎂陽極漏電情況。如何來判斷檢測到的信號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，對檢測結果的真實性以及對整個燃氣管網(wǎng)的風險評價有重要作用。
　通過DCVG的檢測原理及豐富的工程檢測經驗，我們探索了以下幾種方法可以判斷、或者避免DCVG檢測中的犧牲陽極干擾。
　① 陽極埋設距離算法：收集管道施工資料，確定犧牲陽極埋設的具體位置或者埋設距離等，通過檢測結果與施工竣工圖紙記錄數(shù)據(jù)進行對比，確認是否為陽極干擾。
?、?在管道上加入外加電流時，避免外加電流對管道的極化電位高于犧牲陽極的自然電位(對鎂陽極，-1500mV)。
?、?尋找最大電位梯度法：國家標準《埋地鋼制管道陰極保護技術規(guī)范》(GB/T21448—2008)對陽極的埋設規(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，埋設深度以陽極頂部距地面不小于1米為宜。成組布置時，陽極間距為2.3m為宜[5]。由圖4可以看出，當犧牲陽極出現(xiàn)漏電情況后，在犧牲陽極周圍會出現(xiàn)電位等勢線，通過DCVG探測漏電處電位，繪出簡單的等勢圖，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可通過下式計算
VTC=Vnc-Von    (3)
　式中Vnc——犧牲陽極的自然保護電位。對鎂陽極，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，管道對遠方大地的電位差主要存在于管對地電壓降；而對于犧牲陽極，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。應約等于犧牲陽極旁的土壤距遠方大地的電位差Vs。即VTC≈Vs。可以以下式計算犧牲陽極處的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)在燃氣管道鋪設時，并沒有將陽極具體埋設位置繪制在施工/竣工圖紙上，并且在犧牲陽極埋設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，但是在實際操作過程中，臨時的接地裝置接地電阻較大，為了能夠向管道加入適當?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，該種方法的實用性不強；第三種方法能夠準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，陽極埋設位置不符合GB/T21448—008的規(guī)定，有的緊挨管道，這就對第三種方法帶來困難。第四種方法受到現(xiàn)場環(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方大地的電位差Vs，并且犧牲陽極可能會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，所以在實際檢測過程中，必須根據(jù)實際情況，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 工程檢測實例
　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聯(lián)合組成的管道完整性評價小組采用DCVG技術對山東龍口港華燃氣公司的次高壓，中壓管道進行了防腐層檢測，檢測中發(fā)現(xiàn)犧牲陽極對DCVG檢測有很大的干擾作用，通過上述的幾種方法有效的排除了犧牲陽極漏電對DCVG檢測結果的影響。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，檢測結果見表1，該管段采用鎂陽極為犧牲陽極，自然保護電位Vnc為-1500mV。
　在此段進行檢測時，分別在兩處測試樁加入外加電流，第一處，極化后通電位Von=-1550mV，斷電位Voff=-1150mV,管道到遠大地點的電位差為VT=400mV，犧牲陽極上形成的電位VTC為50mV，1～8處漏電點由此測試樁提供的信號檢出。由表1可知，除7號點外，檢測到的犧牲陽極旁的土壤距遠方大地的電位差Vs與犧牲陽極上形成的電位差VT，基本相當，且低于VTC；7號點的IRC為120%，懷疑此處或伴有管道防腐層破損，待驗證。
　第二外加電流處，極化后，通電電位Von=-1560mV，斷電電位Voff=-1010mV，管道到遠大地點的電位差為VT=550mV,犧牲陽極上形成的電位差VTC為60mV，9～12處漏電點由2號測試樁提供的信號檢出，由表中數(shù)據(jù)可以看出，9號點檢測到的犧牲陽極旁的土壤距遠方大地的電位差Vs與犧牲陽極上形成的電位差VTC基本相當，初步判斷為犧牲陽極，隨后的開挖驗證證實了此判斷。9、10、12號漏電點的IRC已經大于100%，所以判斷這些點連接有犧牲陽極，但不排出伴隨有防腐層破壞。其中12號漏電點的IRC已經高達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，同時伴隨有管道防腐層破壞，如圖5所示。另外，此12處漏電點相隔距離基本上是相隔200～400m，這也符合一般犧牲陽極埋設距離，能夠為陽極信號干擾排除提供依據(jù)。
表1 龍口港華某管道DCVG檢測結果
序號
距起點距離/m
Vs/mV
IR/%
IRC/%
判斷分析
1
18
45.0
11.0
90
預測為陽極
2
341
43.0
11.O
86
預測為陽極
3
605
45.0
11.O
90
預測為陽極
4
919
36與
8.5
73
預測為陽極
5
1113
29.O
7.O
58
預測為陽極
 
1170
測試樁1，信號加入點，VT=400mV，VTC=50mV
6
1220
30.O
8.0
60
預測為陽極
7
1820
60.0
15.0
120
預測為陽極，或伴有管道防腐層破損，待驗證
8
2120
48.0
12.O
96
預測為陽極
8
2120
48.0
12.O
96
預測為陽極
9
2402
76.O
14.0
127
預測為陽極，或伴有管道防腐層破損，待驗證
10
2719
72.O
14.O
120
預測為陽極，或伴有管道防腐層破損，待驗證
 
2914
測試樁2，信號加入點，VT=550mV，VTC=60mV
11
3053
55.0
12.0
92
開挖驗證為陽極
12
3226
98.0
18.0
163
開挖驗證為陽極并伴隨有防腐層破損點

　3 結論及未來工作
　針對DCVG在城市燃氣管道防腐層檢測中的應用，提出了四種方法以判斷、消除管道連接的犧牲陽極對檢測信號的干擾。通過在龍口港華的實際檢測，初步驗證了上述方法的有效性。由于開挖條件的限制，尚沒有對所有的懷疑為犧牲陽極的漏電點進行開挖驗證。未來將對這四種方法的有效性做進一步的驗證。同時，將對這些方法進行量化研究，如IR，在多大的范圍內可以認定為犧牲陽極，在多大的范圍內可以認定為犧牲陽極伴隨管道防腐層破損等。城市燃氣管道完整性評價是一個復雜的系統(tǒng)工程，除了檢測設備的有效，更需要操作的人的工程經驗，以及燃氣公司能夠提供可靠的工程竣工圖等資料。
參考文獻：
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[2] 胡士信.陰極保護工程手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，1999.
[3] 周琰，靳世久，孫墨杰，等.埋地管道防腐層缺陷DCVG檢測技術研究及應用[J].管道技術與設備，2001，(5)：38-40
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[5] GB/T21448—2008，埋地鋼制管道陰極保護技術規(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.龍口港華燃氣有限公司　山東龍口 265700；3.華南理工大學化學與化工學院 廣東廣州 510640)