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用直流電位梯度法測(cè)量埋地管道防護(hù)層缺陷位置的模擬試驗(yàn)

文檔作者：巢栗蘋(píng) 文檔來(lái)源：化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月30日
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用直流電位梯度法測(cè)量埋地管道防護(hù)層
缺陷位置的模擬試驗(yàn)
巢栗蘋(píng)
(化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,南京210024)
摘　要: 介紹了埋地管道防護(hù)層缺陷電位梯度檢測(cè)技術(shù)。用鹽溶液、蒸餾水和自來(lái)水的混合液模擬土壤介質(zhì),通
過(guò)改變管道防護(hù)層缺陷大小,改變環(huán)境電阻率和保護(hù)電流,試驗(yàn)證明了電位梯度檢測(cè)技術(shù)能夠比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出
管道防腐層缺陷的位置,并得到了管道埋深和地表電位梯度的關(guān)系。
關(guān)鍵詞: 埋地管道;防護(hù)層; 檢測(cè);電位梯度
中圖分類號(hào): U177 ; U178 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 　　　文章編號(hào): 10052748X(2008) 0520257203
Detection of Defect Locations in Coatings on Underground Pipel ines
by DCVG Technique
CHAO Li2ping
(Quality Supervisory Cent re of Chemical Equipment , Nanjing 210024 , China)
Abstract : The principle and method of the detection technique of DCVG is int roduced. Through changing the size
of defect s , environment resistance rate , protective current , simulation test s proved that DCVG technique could
detect the defect locations , and the relationship between the depth of underground pipeline and the earth surface
voltage gradient s could be obtained.
Key words :buried pipeline ; anticorrosive coating ; detection ; voltage gradient
0 　引　言
油氣長(zhǎng)輸管線投入運(yùn)行后,在服役期間需要進(jìn)
行檢測(cè)。檢測(cè)是對(duì)油氣長(zhǎng)輸管線進(jìn)行安全可靠評(píng)估
的基礎(chǔ),是預(yù)防油氣長(zhǎng)輸管線失效,降低管線風(fēng)險(xiǎn)的
重要手段。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可給用戶提供合理的維護(hù)
和改造建議。在各種管道防腐層缺陷檢測(cè)技術(shù)中電
位梯度檢測(cè)法具有對(duì)管道無(wú)需開(kāi)挖、定位精度高,測(cè)
試過(guò)程不受交流電干擾,不需拖拉電纜,受地貌影響
小,操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此直流電位梯度法在各種防
腐層缺陷檢測(cè)技術(shù)中一直是人們研究的熱點(diǎn)。
1 　直流電位梯度法
1. 1 　原　理
直流電位梯度(DCV G) 檢測(cè)技術(shù)通過(guò)在陰保護(hù)
管道地面上方的兩個(gè)探測(cè)電極(Cu/ CuSO4 ) 和與探
極連接的中心零位的高靈敏度毫伏表來(lái)檢測(cè)因管道
收稿日期:2007205222 ;修訂日期:2007206218
防腐層破損而產(chǎn)生的電壓梯度[ 1 ] 。探極之間的極性
可用來(lái)確定產(chǎn)生所得電位梯度及電流的方向。知道
土壤中所流電流的方向就可追蹤電流的軌跡,從而
判斷管道破損點(diǎn)的位置。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí),兩個(gè)探極
沿管線軸向進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)探極接近防腐層破損點(diǎn)時(shí)
毫伏表的指針會(huì)指向靠近破損點(diǎn)的探極。走過(guò)破損
點(diǎn)時(shí)指針會(huì)指向檢測(cè)后方的探極,當(dāng)破損點(diǎn)在兩探
極中間時(shí),毫伏表指針指示為中心零位。根據(jù)毫伏
表指針的偏移,逐步移動(dòng)探極并減小兩個(gè)探極間的
距離可準(zhǔn)確確定管道防腐層破損位置。
直流電位梯度法的理論依據(jù)是,埋地管道防腐
層缺陷處地表電場(chǎng)分布與管道防護(hù)層缺陷的形狀以
及缺陷所處管體的位置相關(guān)。破損處地表電場(chǎng)輪廓
線的描述可通過(guò)在其上方的地面上畫(huà)等壓線的方法
進(jìn)行判定。典型的電場(chǎng)輪廓線見(jiàn)圖1 。
1. 2 　優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn): ①只需一個(gè)人操作設(shè)備即可進(jìn)行測(cè)量;
·257 ·
第29 卷第5 期
2008 年5 月
腐蝕與防護(hù)
CORROSION &amp;amp; PROTECTION
Vol. 29 　No. 5
May 2008
②無(wú)需使用拖線電纜,因此對(duì)測(cè)量者極為方便; ③
定位精度高,可以在±75 mm 范圍內(nèi)確定防腐層缺
陷; ④可估算缺陷尺寸大小,指示腐蝕是否正在進(jìn)
行。還可以檢測(cè)彼此相距很近的面積較大和較小的
缺陷; ⑤可以同時(shí)對(duì)并行管道進(jìn)行測(cè)試; ⑥測(cè)量信
號(hào)可以重疊在一條已有的陰極保護(hù)系統(tǒng)上; ⑦不易
受管道上方電網(wǎng)干擾; ⑧受地貌影響小。根據(jù)檢測(cè)
結(jié)果可給用戶提供合理的維護(hù)和改造建議; ⑨可通
過(guò)%IR 判定缺陷的嚴(yán)重程度。在DCV G 檢測(cè)技術(shù)
中,由于采用了不對(duì)稱信號(hào),可以判斷管道是否有電
流流入或流出,因而可以判斷管道在防腐層破損點(diǎn)
是否有腐蝕發(fā)生。這是其他管道缺陷檢測(cè)方法所不
具備的特點(diǎn)。
但此方法也有其缺點(diǎn),如:不能直接給出破損點(diǎn)
處的管地電位,不能指示防腐層剝離。
2 　管道防護(hù)層缺陷位置的檢測(cè)
2. 1 　試驗(yàn)方案
(1) 依據(jù)位置坐標(biāo),將缺陷設(shè)在20 cm 處。改
變管道缺陷的大小進(jìn)行試驗(yàn);
(2) 改變輸出直流電流大小進(jìn)行試驗(yàn);
(3) 用不同電導(dǎo)率的鹽溶液、蒸餾水和自來(lái)水
混合液模擬不同的土壤介質(zhì),改變環(huán)境的電阻率進(jìn)
行試驗(yàn);
(4) 改變管道埋深進(jìn)行試驗(yàn)。
嚴(yán)格控制水槽上方兩移動(dòng)電極間的間距和移動(dòng)
的位置。利用毛細(xì)管來(lái)減小移動(dòng)參比電極時(shí)對(duì)水面
的干擾。測(cè)量時(shí)還需排除其它直流電干擾。保證實(shí)
驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性。電位的測(cè)量精確到0. 1 mV 。
2. 2 　試驗(yàn)儀器及器材
試驗(yàn)儀器及器材:DJ26 型金屬防腐涂層電火花
檢漏儀、水槽(長(zhǎng)1 m ,寬29 cm ,深25 cm) ,鐵管
(<27 mm ,壁厚2 mm ,長(zhǎng)度為950 mm) ,甘汞參比電
極,輔助陽(yáng)極,萬(wàn)用表,毛細(xì)管, ZF23 恒電位儀; 導(dǎo)
線、油漆、萬(wàn)能膠、支架、瓊脂、接線板、螺絲。試驗(yàn)介
質(zhì)為自來(lái)水,鹽水,蒸餾水。
圖2 　試驗(yàn)裝置示意圖
2. 3 　測(cè)量結(jié)果
對(duì)管道施加直流電流信號(hào),A、B、C、D 分別為管
道防腐層缺陷直徑為3 mm、5 mm、7 mm ,9 mm ,埋
深為2. 8 cm ,給定電流為- 0. 012 mA ,在電導(dǎo)率為
165μS/ cm 的蒸餾水和自來(lái)水的混合液中,探針測(cè)
量位置和電位梯度(ΔU/Δl 為電位梯度, 由于兩探
極間距Δl 在這里是定值, 故以ΔU 表示電位梯度)
的關(guān)系,見(jiàn)圖3 。
圖3 　不同直徑缺陷時(shí),在混合液中測(cè)試探針位置
和電位梯度的關(guān)系
缺陷、埋深同前,給定電流為- 0. 355 mA ,在電
導(dǎo)率為3200 μS/ cm 鹽溶液中,測(cè)試探針位置和電
位梯度的關(guān)系,見(jiàn)圖4 。
管道防腐層缺陷直徑為3 mm ,深度2. 8 cm ,給
定電流- 0. 355 mA ,3 種環(huán)境電導(dǎo)率分別為A :自
來(lái)水, 電導(dǎo)率650 μS/ cm ; B : 鹽水, 電導(dǎo)率3200
μS/ cm ;C :鹽水,電導(dǎo)率9000μS/ cm ,測(cè)試探針位置
和電位梯度的關(guān)系,見(jiàn)圖5 。
微分歐姆定律:
d E
dl
=ρ×i = 1
L
×i (1)
式中:d E/ d I ———土壤電位梯度,mV/ m ;
·258 ·
巢栗蘋(píng):用直流電位梯度法測(cè)量埋地管道防護(hù)層缺陷位置的模擬試驗(yàn)
圖4 　不同缺陷大小時(shí),在鹽溶液中測(cè)試探針位置
和電位梯度的關(guān)系
圖5 　不同電導(dǎo)率溶液中探針位置和電位
梯度的關(guān)系
ρ———土壤電阻率,Ω ·m ;
L ———土壤電導(dǎo)率,S/ m ;
i ———流經(jīng)該處土壤的電流密度, mA/
m2 。
由圖5 可以看出環(huán)境介質(zhì)電導(dǎo)率越大,電位梯
度越小。這與微分歐姆定律吻合。此圖也說(shuō)明當(dāng)管
道所處土壤電阻率大,所測(cè)電位梯度也就越大,越容
易找出管道防腐層缺陷位置。當(dāng)管道所處土壤電阻
率較小,所測(cè)電位梯度也就越小,越不容易找到管道
防腐層缺陷位置。
由各圖3～5 均可以明確看出當(dāng)測(cè)量位置接近
20 cm(破損位置) 時(shí),電位梯度數(shù)值逐漸增大。當(dāng)
跨過(guò)20 cm 這個(gè)點(diǎn)后,電位梯度逐漸減小。電位梯
度變化幅度最大的區(qū)域即為破損點(diǎn)近似位置。由此
可確定管道防腐層缺陷位置在20 cm 處。
3 　管道埋深和電位梯度的關(guān)系
3. 1 　陽(yáng)極電場(chǎng)及其電位分布
研究陰極保護(hù)電位分布時(shí),只考慮和設(shè)備相臨
處的介質(zhì)電位。對(duì)于埋地管道,則是研究管道埋深
處土壤的電位。
管道埋在半無(wú)限大均勻?qū)щ娊橘|(zhì)(大地) 時(shí),采
用靜電類比法和鏡像法,可推出管道沿線x 點(diǎn)相鄰
介質(zhì)電位,Ua ( x) 的計(jì)算公式[2 ] :
Ua ( x) =
Iρ
4π
( 1
a2 + x2
+ 1
a2 + x2 + 4 h2
) (2)
式中: I ———流出陽(yáng)極的電流,A ;
ρ———土壤電阻率,Ω ·m ;
h ———陽(yáng)極和管道的埋地深度(假設(shè)兩者相
同) ,m ;
a ———陽(yáng)極到管道的垂直距離(交點(diǎn)為垂點(diǎn)) ,
m ;
x ———管道上距離陽(yáng)極在管道垂點(diǎn)距離為x
的位置,m。
3. 2 　管道埋深和電位梯度的關(guān)系
管道給定電流為- 0. 012 mA , 在電導(dǎo)率為
165μS/ cm蒸餾水與自來(lái)水混和液體中,管道深度
和電位梯度的關(guān)系,見(jiàn)圖6 。
圖6 　混合溶液中管道深度和電位梯度的關(guān)系
管道給定電流為- 0. 355 mA , 在電導(dǎo)率為
3 200μS/ cm的鹽溶液中,管道深度和電位梯度的關(guān)
系見(jiàn)圖7 。
圖7 　鹽溶液中管道深度和電位梯度的關(guān)系
由圖6 、7 可以看出在檢測(cè)電流大小一定,缺陷
大小不變,溶液的電導(dǎo)率不變時(shí),隨管道埋深的增
大,檢測(cè)信號(hào)反向減小,這與式(1) 完全吻合。
(下轉(zhuǎn)第263 頁(yè))
·259 ·
巢栗蘋(píng):用直流電位梯度法測(cè)量埋地管道防護(hù)層缺陷位置的模擬試驗(yàn)
參考文獻(xiàn):
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Corrosion’94 , Houston , TX: NACE International ,
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[C]/ / Corrosion/ 1984 ,Paper No. 7. Houston :National
Association of Corrosion Engineers ,Texas ,1984.
(上接第259 頁(yè))
說(shuō)明隨埋深的繼續(xù)增大,地表的電場(chǎng)分布接近
于無(wú)缺陷時(shí)的分布。當(dāng)埋深增加到一定位置后,無(wú)
論缺陷直徑大小如何,檢測(cè)信號(hào)幾乎相同,即接近
零。因此對(duì)更深的位置的管道不能完成檢測(cè)。本次
實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn),從多個(gè)方面模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng),試驗(yàn)?zāi)?
型接近實(shí)物按比例縮小,從圖6 、7 中可以看出當(dāng)管
道深5. 1 cm時(shí),檢測(cè)信號(hào)幾乎接近零,而現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
時(shí),DCV G方法可檢測(cè)地下2 m 以內(nèi)。
4 　結(jié)　論
(1) 埋地陰極保護(hù)管道防腐層有缺陷時(shí),會(huì)在
缺陷上方地表產(chǎn)生泄漏信號(hào),電位梯度變化幅度最
大的區(qū)域即為破損點(diǎn)近似位置。通過(guò)檢測(cè)電位梯度
相對(duì)值的變化可以確定防腐層缺陷位置。
(2) 管道所處環(huán)境電導(dǎo)率越大,其缺陷上方地
表的電位梯度越小。即電位梯度與電導(dǎo)率成反比,
與電阻率成正比。
(3) 電位梯度隨管道埋深增加而減小,當(dāng)埋深
達(dá)到一定深度時(shí),這種影響變得極其微小即地表的
電場(chǎng)分布接近于無(wú)缺陷時(shí)的分布。
參考文獻(xiàn):
[1 ] 周瑣,靳世久,孫墨杰. 埋地管道防腐層缺陷DCV G檢
測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用[J ] . 管道技術(shù)與設(shè)備,2001 (5) :38.
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其應(yīng)用[J ] . 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),1998 ,10 (2) :63 - 65.
·書(shū)訊·
　腐蝕電化學(xué)原理　第三版
曹楚南　編著
腐蝕電化學(xué)是以金屬腐蝕電極為研究
對(duì)象的電化學(xué),是應(yīng)用電化學(xué)的一個(gè)重要
領(lǐng)域,是電化學(xué)與腐蝕科學(xué)理論的橋梁,是
腐蝕科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)?！陡g電化學(xué)
原理》精辟地介紹了腐蝕電化學(xué)理論體系,
對(duì)于提高我國(guó)腐蝕科學(xué)水平起到了較好的
作用,是腐蝕科學(xué)的基本讀物。
曹楚南院士以清晰的思路、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼?
證、平易的語(yǔ)言,深入淺出地向讀者展示了
腐蝕電化學(xué)的基本概念、基本原理、研究方
法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)。第三版在修訂中吸取了腐
蝕科學(xué)研究的最新進(jìn)展,同時(shí)聽(tīng)取了部分
讀者和專家的意見(jiàn),調(diào)整了部分內(nèi)容和篇
幅,全書(shū)更緊湊、更易讀易懂。
腐蝕工程科技工作者、高等學(xué)校腐蝕
與防護(hù)專業(yè)、材料專業(yè)、電化學(xué)專業(yè)的教師
和學(xué)生閱讀本書(shū),定當(dāng)受益。
9782721222204521 　2008 年3 月出版
　271 頁(yè)　36 元

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