楊 琪 楊劍鋒 劉文彬 陳良超 張雅新

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.遼陽(yáng)石化機(jī)動(dòng)設(shè)備處)

多頻管中電流法在埋地管道檢測(cè)中的應(yīng)用①

楊 琪1楊劍鋒1劉文彬1陳良超1張雅新2

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.遼陽(yáng)石化機(jī)動(dòng)設(shè)備處)

介紹了多頻管中電流法(PCM)，并結(jié)合某天然氣埋地管道的實(shí)際檢測(cè)過(guò)程，說(shuō)明了PCM方法對(duì)于埋地管道檢測(cè)的可行性和不足之處。

埋地管道 管中電流法 防腐層 無(wú)損檢測(cè) 油氣運(yùn)輸

管道運(yùn)輸是我國(guó)石油和天然氣最主要的運(yùn)輸方式[1]。埋地管道作為管道運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，由于輸送距離長(zhǎng)、難以直接測(cè)量以及地表環(huán)境復(fù)雜多變等因素不適合運(yùn)用常規(guī)方法進(jìn)行檢驗(yàn)[2]。腐蝕是管道失效的主要原因之一，由于受外部環(huán)境、輸送介質(zhì)及操作等因素的影響，隨著管線服役期的增長(zhǎng)，腐蝕導(dǎo)致金屬管道管壁減薄，承壓能力下降[3]。為了保障長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行，避免重大事故的發(fā)生，業(yè)內(nèi)普遍采用外防腐層和陰極保護(hù)組成的防腐系統(tǒng)。通過(guò)外防腐層避免管道本體與土壤進(jìn)行直接接觸，可以有效減輕長(zhǎng)輸管道的腐蝕狀況。

我國(guó)對(duì)管道外檢測(cè)技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代中期，取得了一定的成果，但是沒(méi)有投入到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中。近年來(lái)，多頻管中電流法(Pipeline Current Mapper，PCM)因設(shè)備價(jià)格相對(duì)便宜，操作比較簡(jiǎn)單，已被行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用于埋地管道的檢測(cè)。PCM的主要原理是通過(guò)測(cè)量管道中電流衰減梯度來(lái)確認(rèn)防腐層的狀況，故也可稱為電流梯度法[4]。它可以通過(guò)分析埋地管道中電流的變化，來(lái)對(duì)管道進(jìn)行定位、測(cè)深、電流強(qiáng)度測(cè)量和方向判別，并且可以對(duì)管道外防腐層狀況進(jìn)行評(píng)估。PCM具有測(cè)量準(zhǔn)確，不需開(kāi)挖直接進(jìn)行檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、城市燃?xì)饧捌渌艿垒斔托袠I(yè)，通常作為新管道的驗(yàn)收手段和在役管道的定期檢測(cè)方法。

1 PCM系統(tǒng)的組成與檢測(cè)原理

PCM系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和A字架[6]，如圖1所示。通過(guò)分析電流的衰減梯度，可以對(duì)管線外防腐層的老化狀況進(jìn)行分段評(píng)估，與A字架配合使用可以精確定位防腐層破損點(diǎn)，其精度在厘米級(jí)。即使存在支管或管網(wǎng)，也能進(jìn)行有效測(cè)量，對(duì)于不同管徑、不同環(huán)境、不同防腐層的鋼質(zhì)埋地管道都可以進(jìn)行精確檢測(cè)[7，8]。

圖1 PCM系統(tǒng)組成

目前針對(duì)防腐層完整性，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)建立了較為成熟的質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，根據(jù)評(píng)價(jià)模型可推算出防腐層的性能參數(shù)值Rg。

從待檢管道某一點(diǎn)接入一個(gè)具有固定頻率的激勵(lì)信號(hào)后，電流從該點(diǎn)沿管道向兩側(cè)傳輸，其強(qiáng)度受到傳輸距離、電流頻率及管線電導(dǎo)率等因素影響，按某一特點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行衰減。待檢管道中任一點(diǎn)電流強(qiáng)度A將隨距離X按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，其表達(dá)式為：

A=A0×e-αx

(1)

式中A——實(shí)測(cè)電流，mA；

A0——接入點(diǎn)處原始電流強(qiáng)度，mA；

x——檢測(cè)點(diǎn)與電流接入點(diǎn)的距離，m；

α——衰減系數(shù)，與管道的多個(gè)電特性參數(shù)相關(guān)。

電流A經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后可以得到以分貝(dB)表示的電流值，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

I=20lgA+K

(2)

衰減系數(shù)與電流變化率β具有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

β=8. 686α=(I1-I2) / (x2-x1)

(3)

激勵(lì)電流沿管線傳播過(guò)程中會(huì)逐漸衰減，其速率與管道外防腐層的絕緣電阻率有關(guān)。通過(guò)計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的損失率，對(duì)照相應(yīng)的防腐層絕緣電阻，從而判斷防腐層老化狀況。

2 PCM方法的實(shí)施

使用PCM系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先將發(fā)射端接地，通過(guò)發(fā)射機(jī)向管道接入一低頻電流(通常為4Hz)，電流沿管線形成電磁場(chǎng)，利用接收機(jī)可以分析磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)確定管道的位置、走向和深度，并逐點(diǎn)采集電流信號(hào)。當(dāng)管線外防腐層存在破損，或管線本體由于疲勞、腐蝕等原因而產(chǎn)生微裂紋時(shí)，電流信號(hào)會(huì)出現(xiàn)異常的大幅衰減。當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常衰減時(shí)，可以配合使用A字架對(duì)管線的破損點(diǎn)位置進(jìn)行確認(rèn)，并確定破損點(diǎn)的大小。通過(guò)計(jì)算信號(hào)電流損失率來(lái)確定管道外防腐層的絕緣電阻值，得出外防腐層狀況。

通過(guò)檢測(cè)管線上形成的電磁場(chǎng)信號(hào)和電流信號(hào)，PCM系統(tǒng)可以對(duì)管線走向、埋深進(jìn)行檢測(cè)，也可以判斷外防腐層破損點(diǎn)的位置和大小。

2.1管道走向的檢測(cè)

對(duì)于管線走向檢測(cè)，常用的方法有零值法和峰值法兩種。

當(dāng)采用零值法進(jìn)行管道定位時(shí)，電流通過(guò)接收機(jī)內(nèi)部的豎向線圈，產(chǎn)生了磁場(chǎng)，當(dāng)接收機(jī)位于管道正上方時(shí)，線圈與磁場(chǎng)方向平行，受磁場(chǎng)作用最小，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最小，接收機(jī)示值為零；當(dāng)接收機(jī)離開(kāi)管道正上方左右偏移時(shí)，感應(yīng)電流示值增大，零值法探測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2 零值法探測(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與感應(yīng)電流示意圖

當(dāng)采用峰值法確定管道位置時(shí)，接收機(jī)內(nèi)部的橫向線圈受電流影響產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)位于管道正上方時(shí)，橫向線圈與磁場(chǎng)方向垂直，接收機(jī)線圈受磁場(chǎng)作用最大，感應(yīng)電流最大，接收機(jī)達(dá)到峰值，當(dāng)接收機(jī)在管道正上方左右移動(dòng)時(shí)，接收機(jī)示值隨之減小，峰值法探測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3 峰值法探測(cè)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與感應(yīng)電流示意圖

2.2漏點(diǎn)處的電輻射分布

當(dāng)激勵(lì)電流信號(hào)沿管線傳播時(shí)，若管線外防腐層出現(xiàn)破損，該處的電流信號(hào)會(huì)泄漏流入大地，并形成以破損點(diǎn)為中心的球形等電位梯度線，這一現(xiàn)象可通過(guò)接地探針進(jìn)行檢測(cè)。在地表處，等電位梯度線以破損點(diǎn)正上方為中心呈圓形分布，其周圍電位分布呈等距離等電位，破損點(diǎn)電位梯度分布如圖4所示，利用A字架進(jìn)行跨步電壓測(cè)試，接收機(jī)箭頭指向破損點(diǎn)。

圖4 埋地管道防腐層破損點(diǎn)電位梯度分布

2.3外防腐層質(zhì)量的判斷

通過(guò)計(jì)算激勵(lì)電流信號(hào)損失率，PCM法可以定量判斷外防腐層絕緣電阻，從而評(píng)定外防腐層狀況。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5918-2011按照防腐層絕緣電阻值將管道防腐層的老化狀況分為5個(gè)等級(jí)[9]，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 防腐層整體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

3 基于PCM檢測(cè)的應(yīng)用

將西北地區(qū)某段高壓注氣埋地管道作為待檢管線。該管線的總長(zhǎng)度為1.5km，管線直徑為114mm，其中輸送介質(zhì)為高溫高壓蒸汽，壓力為5～6MPa，溫度為200℃。管線原始壁厚為10mm，平均埋深1.5m，無(wú)陰極保護(hù)。此次檢測(cè)使用的儀器為L(zhǎng)D PCM埋地管道檢測(cè)儀，同時(shí)在開(kāi)挖后使用Olympus 27MG超聲測(cè)厚儀、多功能土壤腐蝕速率測(cè)量?jī)xCMS-140A進(jìn)行管道剩余壁厚檢測(cè)和土壤電阻率檢測(cè)作為輔助檢測(cè)手段。

在確認(rèn)發(fā)射端良好接地后，向該管線接入一個(gè)頻率為4Hz、強(qiáng)度為300mA的激勵(lì)電流信號(hào)。持接收端按峰值法確定管線走向，并沿管線走向進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，每隔100m記錄一次當(dāng)前位置的電流信號(hào)強(qiáng)度，并對(duì)信號(hào)發(fā)生異常變化的位置進(jìn)行標(biāo)記，以便開(kāi)挖后進(jìn)一步檢測(cè)。通過(guò)專業(yè)軟件錄入電流信號(hào)，可按式(3)轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)電流，并繪制出對(duì)數(shù)電流曲線圖(圖5)，圖中的點(diǎn)表示不同位置對(duì)數(shù)電流數(shù)值，對(duì)數(shù)電流曲線變化趨勢(shì)表示了在檢測(cè)過(guò)程中電流信號(hào)的衰減程度。虛線表示衰減平均值，實(shí)線表示當(dāng)前位置電流信號(hào)衰減值?？梢钥闯鲈?00～700m、1 400～1 500m區(qū)間，電流信號(hào)均出現(xiàn)了較大衰減。其中1 500m處為管匯，存在支管及其他管線的干擾，故筆者選擇700m處作為典型位置進(jìn)行分析。

圖5 高壓注氣管道對(duì)數(shù)電流曲線

此次檢測(cè)外防腐層絕緣電阻檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，其中優(yōu)級(jí)管線長(zhǎng)度為680m，占全長(zhǎng)的 45.9%；良級(jí)管線長(zhǎng)度為500m，占全長(zhǎng)的33.8%；中級(jí)管線長(zhǎng)度為100m，占全長(zhǎng)的6.8%；差級(jí)管線長(zhǎng)度為200m，占全長(zhǎng)的13.5%。

表2 檢測(cè)管線防腐層性能檢測(cè)結(jié)果

對(duì)照表1可以對(duì)防腐層狀況進(jìn)行分級(jí)，對(duì)照?qǐng)D5發(fā)現(xiàn)，在700m處，絕緣電阻較低，外防腐層質(zhì)量狀況存在問(wèn)題，需要開(kāi)挖后進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。因此在600m、700m及1 200m處挖掘探坑進(jìn)行接觸測(cè)量。其中，700m處探坑所得數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，600m和1 200m處探坑所得數(shù)據(jù)為對(duì)照數(shù)據(jù)。管線走向和探坑位置如圖6所示。

圖6 管線走向和探坑位置示意圖

挖開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)管線外防腐層存在局部破損，使用多功能土壤腐蝕速率測(cè)量?jī)xCMS-140A對(duì)周圍土壤進(jìn)行土壤電阻率檢測(cè)，以確定管線周圍土壤的腐蝕速率，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 管線土壤腐蝕性檢測(cè)

使用Olympus 27MG超聲測(cè)厚儀對(duì)管線進(jìn)行剩余壁厚檢測(cè)，壁厚檢測(cè)鐘位如圖7所示，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖7 壁厚檢測(cè)鐘位示意圖

mm

(續(xù)表4)

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該段管道所在地區(qū)土壤電阻率最小值為30.4Ω·m，土壤腐蝕速率最大值為0.012 88mm/a；該段管道最小剩余壁厚為8.7mm。根據(jù)SY/T 0087.1-2006，以全線管道最薄弱危險(xiǎn)點(diǎn)部位管壁減薄程度為依據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]，管壁減薄程度是綜合反映管道腐蝕與防護(hù)的各種單項(xiàng)因素對(duì)管道安全性的影響，所以評(píng)價(jià)結(jié)果是對(duì)外腐蝕導(dǎo)致安全狀況的整體評(píng)價(jià)。

管壁減薄程度采用3步評(píng)價(jià)方法，分別為最小剩余壁厚評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)截面評(píng)價(jià)和殘余強(qiáng)度評(píng)價(jià)。凡是前一步已經(jīng)給出明確結(jié)論的，無(wú)需進(jìn)行下一步評(píng)價(jià)。

最小剩余壁厚評(píng)價(jià)方法：

a. 當(dāng)最小剩余壁厚超過(guò)0.9倍的原始壁厚，可以繼續(xù)使用；

b. 當(dāng)最小剩余壁厚不超過(guò)0.2倍的原始壁厚或小于2mm，必須立即更換；

c. 其余條件進(jìn)行第2步評(píng)價(jià)，對(duì)單純點(diǎn)蝕，無(wú)腐蝕面時(shí)，可跳過(guò)第2步，直接進(jìn)行第3步評(píng)價(jià)。

此次測(cè)量的管線原始壁厚為10mm，最小剩余壁厚8.7mmlt;9mm，需對(duì)管道進(jìn)行危險(xiǎn)截面評(píng)價(jià)：管道最小安全壁厚Tmin=PD/2σ=6×114/2×130=2.63mm，管道剩余壁厚比Rt=8.7/2.63=3.31gt;1，說(shuō)明管道可以繼續(xù)使用，但需加強(qiáng)監(jiān)控。

4 結(jié)論

4.1利用PCM方法可以在非接觸情況下對(duì)埋地管道外防腐層進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)分析電流信號(hào)衰減趨勢(shì)來(lái)確定外防腐層的質(zhì)量狀況和定位破損點(diǎn)。

4.2PCM方法在使用過(guò)程中易受外界電流和支管分流的干擾，測(cè)量結(jié)果不夠直觀，在實(shí)際運(yùn)用中需要配合其他檢測(cè)手段進(jìn)行輔助。

4.3在此次實(shí)際檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)管線外防腐層破損一處，管線本體壁厚有所減薄但可以繼續(xù)使用，需加強(qiáng)監(jiān)控。

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ApplicationofMultipipeCurrentMethodinBuriedPipelineDetection

YANG Qi1, YANG Jian-feng1, LIU Wen-bin1, CHEN Liang-chao1,ZHANG Ya-xin2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology;2.MechanicalEquipmentDivision,LiaoyangPetrochemicalCompany)

The multipipe current method (PCM) was introduced. Through considering the actual detection of a buried gas pipeline, the PCM’s shortcomings in practical application were pointed out and the feasibility of applying PCM method to monitor buried pipelines was verified.

buried pipeline, pipeline current method, erosion resistant coating, NDT, petroleum and natural gas transportation

楊琪(1992-)，碩士研究生，從事埋地管道的無(wú)損檢測(cè)工作。

聯(lián)系人陳良超(1989-)，博士研究生，從事煉化設(shè)備的安全評(píng)價(jià)工作，chenliangchao@htwt.cn。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)05-0502-06

2017-01-04，

2017-03-13)