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用直流電位梯度法測量埋地管道防護層缺陷位置的模擬試驗

文檔作者：巢栗蘋文檔來源：化學工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月30日
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用直流電位梯度法測量埋地管道防護層
缺陷位置的模擬試驗
巢栗蘋
(化學工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,南京210024)
摘　要: 介紹了埋地管道防護層缺陷電位梯度檢測技術(shù)。用鹽溶液、蒸餾水和自來水的混合液模擬土壤介質(zhì),通
過改變管道防護層缺陷大小,改變環(huán)境電阻率和保護電流,試驗證明了電位梯度檢測技術(shù)能夠比較準確地檢測出
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;防護層; 檢測;電位梯度
中圖分類號: U177 ; U178 　　　文獻標識碼: A 　　　文章編號: 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
油氣長輸管線投入運行后,在服役期間需要進
行檢測。檢測是對油氣長輸管線進行安全可靠評估
的基礎(chǔ),是預防油氣長輸管線失效,降低管線風險的
重要手段。根據(jù)檢測結(jié)果可給用戶提供合理的維護
和改造建議。在各種管道防腐層缺陷檢測技術(shù)中電
位梯度檢測法具有對管道無需開挖、定位精度高,測
試過程不受交流電干擾,不需拖拉電纜,受地貌影響
小,操作簡單等優(yōu)點,因此直流電位梯度法在各種防
腐層缺陷檢測技術(shù)中一直是人們研究的熱點。
1 　直流電位梯度法
1. 1 　原　理
直流電位梯度(DCV G) 檢測技術(shù)通過在陰保護
管道地面上方的兩個探測電極(Cu/ CuSO4 ) 和與探
極連接的中心零位的高靈敏度毫伏表來檢測因管道
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
判斷管道破損點的位置。在進行檢測時,兩個探極
沿管線軸向進行檢測。當探極接近防腐層破損點時
毫伏表的指針會指向靠近破損點的探極。走過破損
點時指針會指向檢測后方的探極,當破損點在兩探
極中間時,毫伏表指針指示為中心零位。根據(jù)毫伏
表指針的偏移,逐步移動探極并減小兩個探極間的
距離可準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
層缺陷處地表電場分布與管道防護層缺陷的形狀以
及缺陷所處管體的位置相關(guān)。破損處地表電場輪廓
線的描述可通過在其上方的地面上畫等壓線的方法
進行判定。典型的電場輪廓線見圖1 。
1. 2 　優(yōu)缺點
優(yōu)點: ①只需一個人操作設(shè)備即可進行測量;
·257 ·
第29 卷第5 期
2008 年5 月
腐蝕與防護
CORROSION &amp;amp; PROTECTION
Vol. 29 　No. 5
May 2008
②無需使用拖線電纜,因此對測量者極為方便; 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
行。還可以檢測彼此相距很近的面積較大和較小的
缺陷; ⑤可以同時對并行管道進行測試; ⑥測量信
號可以重疊在一條已有的陰極保護系統(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
結(jié)果可給用戶提供合理的維護和改造建議; ⑨可通
過%IR 判定缺陷的嚴重程度。在DCV G 檢測技術(shù)
中,由于采用了不對稱信號,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
是否有腐蝕發(fā)生。這是其他管道缺陷檢測方法所不
具備的特點。
但此方法也有其缺點,如:不能直接給出破損點
處的管地電位,不能指示防腐層剝離。
2 　管道防護層缺陷位置的檢測
2. 1 　試驗方案
(1) 依據(jù)位置坐標,將缺陷設(shè)在20 cm 處。改
變管道缺陷的大小進行試驗;
(2) 改變輸出直流電流大小進行試驗;
(3) 用不同電導率的鹽溶液、蒸餾水和自來水
混合液模擬不同的土壤介質(zhì),改變環(huán)境的電阻率進
行試驗;
(4) 改變管道埋深進行試驗。
嚴格控制水槽上方兩移動電極間的間距和移動
的位置。利用毛細管來減小移動參比電極時對水面
的干擾。測量時還需排除其它直流電干擾。保證實
驗環(huán)境的穩(wěn)定性。電位的測量精確到0. 1 mV 。
2. 2 　試驗儀器及器材
試驗儀器及器材:DJ26 型金屬防腐涂層電火花
檢漏儀、水槽(長1 m ,寬29 cm ,深25 cm) ,鐵管
(<27 mm ,壁厚2 mm ,長度為950 mm) ,甘汞參比電
極,輔助陽極,萬用表,毛細管, ZF23 恒電位儀; 導
線、油漆、萬能膠、支架、瓊脂、接線板、螺絲。試驗介
質(zhì)為自來水,鹽水,蒸餾水。
圖2 　試驗裝置示意圖
2. 3 　測量結(jié)果
對管道施加直流電流信號,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 ,在電導率為
165μS/ cm 的蒸餾水和自來水的混合液中,探針測
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,見圖3 。
圖3 　不同直徑缺陷時,在混合液中測試探針位置
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
導率為3200 μS/ cm 鹽溶液中,測試探針位置和電
位梯度的關(guān)系,見圖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)境電導率分別為A :自
來水, 電導率650 μS/ cm ; B : 鹽水, 電導率3200
μS/ cm ;C :鹽水,電導率9000μS/ cm ,測試探針位置
和電位梯度的關(guān)系,見圖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:用直流電位梯度法測量埋地管道防護層缺陷位置的模擬試驗
圖4 　不同缺陷大小時,在鹽溶液中測試探針位置
和電位梯度的關(guān)系
圖5 　不同電導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)電導率越大,電位梯
度越小。這與微分歐姆定律吻合。此圖也說明當管
道所處土壤電阻率大,所測電位梯度也就越大,越容
易找出管道防腐層缺陷位置。當管道所處土壤電阻
率較小,所測電位梯度也就越小,越不容易找到管道
防腐層缺陷位置。
由各圖3～5 均可以明確看出當測量位置接近
20 cm(破損位置) 時,電位梯度數(shù)值逐漸增大。當
跨過20 cm 這個點后,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 　陽極電場及其電位分布
研究陰極保護電位分布時,只考慮和設(shè)備相臨
處的介質(zhì)電位。對于埋地管道,則是研究管道埋深
處土壤的電位。
管道埋在半無限大均勻?qū)щ娊橘|(zhì)(大地) 時,采
用靜電類比法和鏡像法,可推出管道沿線x 點相鄰
介質(zhì)電位,Ua ( x) 的計算公式[2 ] :
Ua ( x) =
Iρ
4π
( 1
a2 + x2
+ 1
a2 + x2 + 4 h2
) (2)
式中: I ———流出陽極的電流,A ;
ρ———土壤電阻率,Ω ·m ;
h ———陽極和管道的埋地深度(假設(shè)兩者相
同) ,m ;
a ———陽極到管道的垂直距離(交點為垂點) ,
m ;
x ———管道上距離陽極在管道垂點距離為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 , 在電導率為
165μS/ cm蒸餾水與自來水混和液體中,管道深度
和電位梯度的關(guān)系,見圖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 , 在電導率為
3 200μS/ cm的鹽溶液中,管道深度和電位梯度的關(guān)
系見圖7 。
圖7 　鹽溶液中管道深度和電位梯度的關(guān)系
由圖6 、7 可以看出在檢測電流大小一定,缺陷
大小不變,溶液的電導率不變時,隨管道埋深的增
大,檢測信號反向減小,這與式(1) 完全吻合。
(下轉(zhuǎn)第263 頁)
·259 ·
巢栗蘋:用直流電位梯度法測量埋地管道防護層缺陷位置的模擬試驗
參考文獻:
[1 ] 　張學元,杜元龍. 油氣工業(yè)中CO2 腐蝕規(guī)律和研究趨
勢[J ] . 材料保護,1997 ,30 (4) :21 - 23.
[2 ] 　劉繪新,蘇永平. 川東氣田油管腐蝕現(xiàn)狀的基本特征
[J ] . 天然氣工業(yè),2000 ,20 (5) :77 - 79.
[3 ] 　Burke P A. Synop sis : recent progress in the under2
standing of CO2 corrosion[C]/ / In : Hausler R H , Gid2
dard H P. ( Eds) , Advances in CO2 corrosion Vol . 1.
Corrosion’84 , Houston , TX: NACE International ,
1993 :1 - 18.
[4 ] 　Waard C , Lozt U. Prediction of CO2 corrosion of car2
bon steel [ C ]/ / A working party report on prediction
CO2 corrosion in oil and gas corrosion of carbon steel.
Corrosion’94 , Houston , TX: NACE International ,
1994 :1 - 21.
[5 ] 　Newton L E. CO2 corrosion in oil and gas production
[C]/ / Corrosion/ 1984 ,Paper No. 7. Houston :National
Association of Corrosion Engineers ,Texas ,1984.
(上接第259 頁)
說明隨埋深的繼續(xù)增大,地表的電場分布接近
于無缺陷時的分布。當埋深增加到一定位置后,無
論缺陷直徑大小如何,檢測信號幾乎相同,即接近
零。因此對更深的位置的管道不能完成檢測。本次
實驗室模擬試驗,從多個方面模擬真實現(xiàn)場,試驗模
型接近實物按比例縮小,從圖6 、7 中可以看出當管
道深5. 1 cm時,檢測信號幾乎接近零,而現(xiàn)場檢測
時,DCV G方法可檢測地下2 m 以內(nèi)。
4 　結(jié)　論
(1) 埋地陰極保護管道防腐層有缺陷時,會在
缺陷上方地表產(chǎn)生泄漏信號,電位梯度變化幅度最
大的區(qū)域即為破損點近似位置。通過檢測電位梯度
相對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,當埋深
達到一定深度時,這種影響變得極其微小即地表的
電場分布接近于無缺陷時的分布。
參考文獻:
[1 ] 周瑣,靳世久,孫墨杰. 埋地管道防腐層缺陷DCV G檢
測技術(shù)研究及應用[J ] . 管道技術(shù)與設(shè)備,2001 (5) :38.
[2 ] 李相怡,翁永基. 陰極保護電位分布數(shù)學模型的研究及
其應用[J ] . 腐蝕科學與防護技術(shù),1998 ,10 (2) :63 - 65.
·書訊·
　腐蝕電化學原理　第三版
曹楚南　編著
腐蝕電化學是以金屬腐蝕電極為研究
對象的電化學,是應用電化學的一個重要
領(lǐng)域,是電化學與腐蝕科學理論的橋梁,是
腐蝕科學的重要理論基礎(chǔ)?！陡g電化學
原理》精辟地介紹了腐蝕電化學理論體系,
對于提高我國腐蝕科學水平起到了較好的
作用,是腐蝕科學的基本讀物。
曹楚南院士以清晰的思路、嚴謹?shù)恼?
證、平易的語言,深入淺出地向讀者展示了
腐蝕電化學的基本概念、基本原理、研究方
法、實驗技術(shù)。第三版在修訂中吸取了腐
蝕科學研究的最新進展,同時聽取了部分
讀者和專家的意見,調(diào)整了部分內(nèi)容和篇
幅,全書更緊湊、更易讀易懂。
腐蝕工程科技工作者、高等學校腐蝕
與防護專業(yè)、材料專業(yè)、電化學專業(yè)的教師
和學生閱讀本書,定當受益。
9782721222204521 　2008 年3 月出版
　271 頁　36 元

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