安建川，張文艷 ，余忠仁

1.中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213 2.中國石油西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所，四川 成都 610051 3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051

引言

近年來，中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大大加快了城市軌道交通的建設(shè)，地鐵、輕軌等的運(yùn)行產(chǎn)生大量的雜散電流對埋地管道的干擾作用越來越強(qiáng)，管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)越來越高[1-8]。干擾的存在使傳統(tǒng)管道陰保電位的測量方法受到更大的限制，所產(chǎn)生的電壓降誤差也愈加變大，即使采用斷電法也無法消除地鐵雜散電流對管道的干擾，管道陰保電位的準(zhǔn)確獲取受到較大限制[9-13]。

目前，使用試片來測量埋地管道管地電位的方法開始得到認(rèn)可并逐步進(jìn)行了應(yīng)用。本文綜合考慮采用試片斷電法進(jìn)行管道管地電位測量時(shí)，影響測試準(zhǔn)確性的主要因素[14-17]，為該方法在現(xiàn)場的有效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 測試方法

1.1 傳統(tǒng)電位檢測方法及測試誤差

陰極保護(hù)是埋地管道外防腐的第2 道屏障，陰極保護(hù)極化電位是監(jiān)測和評判陰極保護(hù)系統(tǒng)效果的重要參數(shù)。

測量過程中，通常測量的參數(shù)是管道與其臨近土壤中的參比電極的電位差，存在各種電流和電阻產(chǎn)生的電壓降誤差，簡稱電壓降，包括測量電流、保護(hù)電流、土壤電阻及涂層缺陷電阻等。為消除電源電流和電阻造成的電壓降測量誤差，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用GPS 同步中斷法進(jìn)行陰極保護(hù)斷電電位的測量，即切斷陰極保護(hù)電流后進(jìn)行電位測量，測得的電位更接近于真實(shí)電位[18-20]。

在地鐵雜散電流動(dòng)態(tài)干擾的條件下，斷開陰保電源，雜散電流仍然存在，故即便采用同步斷電法也無法消除雜散電流對管道的干擾，測得的陰極保護(hù)電位仍包含了由雜散電流導(dǎo)致的不同程度的電壓降。通過這樣，可以使得陰保電位的測量方法都受到更大的限制，所產(chǎn)生的電壓降誤差也愈加變大。

1.2 基于試片斷電法的地鐵干擾下陰極保護(hù)電位測試方法

試片斷電法的提出，主要考慮到地鐵干擾下管道陰極保護(hù)電位呈現(xiàn)頻繁波動(dòng)的特點(diǎn)，解決無法通過傳統(tǒng)的斷電法獲得管道真實(shí)保護(hù)電位的問題。結(jié)合被測試管道的防腐層質(zhì)量，選用同材質(zhì)不同裸露面積的陰極保護(hù)電位試片，模擬管道防腐層漏點(diǎn)及被測試管道的保護(hù)狀態(tài)[21-22]，利用試片的瞬間斷開電位實(shí)現(xiàn)近似管道斷電電位的測量。

測試時(shí)，將與管道同材質(zhì)的試片和硫酸銅參比電極埋在管道測試點(diǎn)處，試片的埋設(shè)狀態(tài)及材質(zhì)均與管道相同，通過電纜與管道連接起來，這樣試片的裸露部分就模擬了管道上同等大小的防腐層漏點(diǎn)。當(dāng)管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)時(shí)，管道被保護(hù)電流極化的同時(shí)，試片受到同等極化，只需測量試片的瞬時(shí)斷開電位，即可代表管道測量點(diǎn)的斷電電位[23-30]。

以NACE SP 0502--2010（管道外腐蝕直接評價(jià)方法）[12]為標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為試片的斷電電位近似于管道防腐層漏點(diǎn)處的陰極保護(hù)電位，能夠評估管道陰極保護(hù)效果，測試示意圖如圖1 所示。

圖1 干擾測試接線圖Fig.1 Interference test wiring diagram

測試中需聯(lián)合采用萬用表和數(shù)據(jù)記錄儀UDL-2，進(jìn)行管道極化電位的有效測試。使用萬用表可以短時(shí)間精確地記錄管道電位，數(shù)據(jù)記錄儀UDL-2 可以控制管道與試片測試回路，使其按照設(shè)定的測試周期進(jìn)行自動(dòng)通斷，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間監(jiān)測管道的通電電位、試片的極化電位等相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來判斷管道受干擾的程度。

2 測試準(zhǔn)確性的影響因素

基于試片斷電法的管道極化電位測試方法可以有效解決傳統(tǒng)斷電法測試中，無法斷開外部地鐵干擾電流，從而無法獲得管道真實(shí)保護(hù)電位的問題，但在現(xiàn)場使用時(shí)，受管道建設(shè)時(shí)間及現(xiàn)場測試條件等因素限制，該方法無法嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施，從而導(dǎo)致參差不齊的測試參數(shù)設(shè)置，最終導(dǎo)致不同的電壓降和較大的測試誤差。為了獲得地鐵干擾下準(zhǔn)確的管道極化電位，減少測試誤差，開展檢查片極化時(shí)刻、參比與檢查片間距、檢查片埋設(shè)深度和斷電電位延遲時(shí)間等因素對極化電位影響的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

2.1 極化時(shí)刻的影響

利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀對同一個(gè)檢查片進(jìn)行不同極化時(shí)刻后的通/斷電電位測試。測試間隔分別取0.30、0.50、1.00、2.00、3.00、6.00 和24.00 h。

圖2 顯示了極化時(shí)刻對檢查片斷電電位的影響。圖中紅色數(shù)據(jù)和黑色數(shù)據(jù)分別表示在不同日歷天內(nèi)同一個(gè)位置同一個(gè)時(shí)間段測得檢查片的斷電電位。假設(shè)檢查片極化24.00 h 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即如圖中黑色數(shù)據(jù)所示。由于地鐵每天的運(yùn)行時(shí)間和頻次相對固定，因此，可認(rèn)為不同日期同一時(shí)間段檢查片斷電電位規(guī)律一致。

圖2 極化時(shí)刻對檢查片斷電電位的影響Fig.2 Effect of polarization time on the fragment electric potential

由圖2 可以看出，檢查片極化0.50 h 后，檢查片的斷電電位隨著時(shí)間的延長逐漸負(fù)向偏移，當(dāng)極化時(shí)刻達(dá)到2.25 h 后，檢查片極化電位逐漸達(dá)到穩(wěn)定，如圖中白色虛線所示，故認(rèn)為地鐵干擾下檢查片極化達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間應(yīng)在2.25 h 左右。

2.2 檢查片埋設(shè)深度的影響

檢查片與管道同深時(shí)，檢查片測得的斷電電位為最接近管道的斷電電位，埋設(shè)深度越淺，測得的斷電電位誤差越大。

在日常測試中，無法對每一個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行與管道同深檢查片的埋設(shè)，因此，需從滿足管道斷電電位日常測試便捷性與可行性的角度出發(fā)，尋求一個(gè)現(xiàn)場測試易于實(shí)現(xiàn)、測試結(jié)果誤差亦可接受的檢查片埋設(shè)深度。

試驗(yàn)將檢查片埋設(shè)深度分別設(shè)置為0.05 m（地表）、0.30 m（日常測試開挖深度易實(shí)現(xiàn)）以及與管道埋深（規(guī)范要求）3 種情況，檢查片面積為6.50 cm2，參比與檢查片間距為0.05 m，與檢查片同深。利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀測試不同檢查片埋深下檢查片的通/斷電電位。

圖3 顯示了3 種檢查片埋設(shè)深度下測得的檢查片斷電電位。由圖可以看出，隨著檢查片埋設(shè)深度的增加，檢查片斷電電位波動(dòng)幅值逐漸減小。同時(shí)，隨著檢查片埋深的增加，檢查片斷電電位逐漸正向偏移。

圖3 檢查片埋深對其斷電電位的影響Fig.3 Influence of burial depth on polarization potential

以與管道相同埋設(shè)深度的檢測片測試所得的斷電電位為基準(zhǔn)，將檢查片埋設(shè)深度為0.05 m 和0.30 m 時(shí)候測得的斷電電位與其進(jìn)行差值處理。假設(shè)與管道同深處檢查片的斷電電位為V0，埋深為i處檢查片斷電電位為Vi，則斷電電位的差值ΔV=Vi-V0（i=0.05，0.30）。

圖4 顯示了檢查片埋深對其斷電電位測試誤差的影響。

圖4 檢查片埋深對其斷電電位測試誤差的影響Fig.4 Influence of burial depth on polarization potential test error

當(dāng)檢查片埋設(shè)深度為0.05 m 時(shí)，測得的檢查片斷電電位與管道同深處檢查片斷電電位的誤差值最大達(dá)到了±220 mV，當(dāng)檢查片埋設(shè)深度達(dá)到0.30 m 時(shí)，測得檢查片的斷電電位與管道同深處檢查片斷電電位的誤差值不超過±20 mV，已處于可接受范圍內(nèi)。因此，對于西南地區(qū)的動(dòng)態(tài)直流干擾測試，建議檢查片的埋設(shè)深度不應(yīng)低于0.30 m。

2.3 參比與檢查片間距的影響

參比距離檢查片間距為：0.05、0.10、0.50、1.00、5.00、10.00 以及20.00 m。利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀對同一個(gè)檢查片進(jìn)行不同參比電位的通/斷電電位測試。

圖5 顯示了不同參比與檢查片間距下測得的檢查片斷電電位。取最靠近檢查片的參比（水平間距為0.05 m）為近參比，其測得的檢查片斷電電位為真實(shí)極化電位，記為V1，其余參比測得的檢查片斷電電位Vj，則斷電電位的差值為ΔV=Vj-V1（j=0.10，0.50，1.00，5.00，10.00，20.00），如圖6 所示。

從圖6 可以看出，隨著參比距離檢查片間距逐漸增大，測得的檢查片斷電電位誤差逐漸增加。特別是當(dāng)參比與檢查片水平間距達(dá)到20.00 m 時(shí)，其斷電電位誤差高達(dá)120 mV。

圖6 檢查片斷電電位測試誤差Fig.6 Check for partial electric potential test error

為弄清參比與檢查片間距不大于1.00 m 時(shí)所測得的斷電電位誤差，將圖6 間距為0.10、0.50、1.00 m時(shí)測得的斷電電位數(shù)據(jù)單獨(dú)作圖（圖7），可以看出隨著間距的進(jìn)一步減小，斷電電位誤差逐漸降低，將6個(gè)參比測得的檢查片斷電電位誤差最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示。

圖7 斷電電位的測試誤差Fig.7 Test error of outage potential

圖8 不同間距下斷電電位的測試誤差Fig.8 Test error of outage potential at different distances

由圖8 可以看出，當(dāng)參比與檢查片的間距值為0.10 m 時(shí)，檢查片斷電的電位誤差不會超過10 mV；而當(dāng)間距值為0.50 m 時(shí)，檢查片斷電的電位誤差值不超過15 mV；當(dāng)間距增大到1.00 m，誤差增加至20 mV。

當(dāng)間距達(dá)到5.00 m 時(shí)，誤差達(dá)到40 mV；當(dāng)間距為10.00 m 時(shí)，誤差達(dá)到50 mV；當(dāng)間距增大至20.00 m 時(shí)，誤差達(dá)到120 mV。

考慮測試時(shí)檢查片斷電的電位波動(dòng)幅值處于中等水平，為-550～-950 mV，同時(shí)，結(jié)合圖8中的誤差分析，建議對重慶地區(qū)檢查片斷電電位測試時(shí)，參比與檢查片的水平間距不超過0.50 m（檢查片埋設(shè)深度在0.30 m 左右），推薦值在0.05～0.10m。

2.4 斷電電位測試延遲時(shí)間的影響

采樣周期分別?。?.001、0.010、0.050、0.100、0.500、1.000 以及2.000 s。

利用UDL-2 數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行6.50 cm2（代表3 層PE 防腐層管道）和15.00 cm2（代表石油瀝青防腐層管道）2 種檢查片不同采樣頻率的通斷電電位測試，從而獲得合理的斷電電位采樣頻率和斷電電位測試延遲時(shí)間。檢查片埋深0.70 m，間隔時(shí)間為3.00 h。

取采樣周期0.001 s（為目前市場上所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備最短的采樣周期）下獲得的檢查片斷電電位最接近管道的真實(shí)斷電電位。

表1 和表2 顯示了不同采樣周期及不同延遲時(shí)間下測得的檢查片斷電電位列表。

表2 不同采樣周期以及不同延遲時(shí)間下測得的檢查片斷電電位列表（15.00 cm2）Tab.2 Polarization potential of samples measured at different sampling periods and different delay times（15.00 cm2）

可以看出，當(dāng)采樣周期不高于0.100 s 或斷電電位延遲時(shí)間不超過0.300 s 時(shí)，獲得的檢查片斷電電位與管道真實(shí)斷電電位較為接近，誤差不超過20 mV。

而采樣周期進(jìn)一步延長，對應(yīng)的斷電電位采集延遲時(shí)間也隨之增長，測試誤差也逐步增大，因此，對于西南地區(qū)遭受動(dòng)態(tài)直流干擾的管道斷電電位測試，采用檢查片法時(shí)，檢查片斷電電位的采集可采用兩種方法：

（1）用高頻數(shù)據(jù)記錄儀對檢查片斷電電位進(jìn)行采集，采樣的周期不宜長于0.100 s，通過分析數(shù)據(jù)獲得檢查片斷電電位。

（2）采用普通數(shù)據(jù)記錄儀對檢查片斷電電位進(jìn)行測試，對于6.50 cm2的小檢查片，推薦斷電電位采集的延長時(shí)間為約0.200 s；對于15.00 cm2的大檢查片，推薦斷電電位的采集時(shí)間約為0.300 s。

2.5 地鐵干擾下管道有效極化電位的測試參數(shù)設(shè)置建議及應(yīng)用

2.5.1 有效極化電位的測試參數(shù)設(shè)置建議

通過地鐵干擾下管道極化電位影響因素的試驗(yàn)研究，獲得了檢查片極化時(shí)刻、斷電電位采集周期、斷電電位延遲時(shí)間、檢查片埋設(shè)深度、參比與檢查片間距等因素對檢查片極化電位的影響規(guī)律，基于該規(guī)律提出西南地區(qū)管道極化電位的有效測試方法建議：（1）檢查片極化達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間至少在2.25 h 左右。（2）檢查片斷電電位可采用高頻數(shù)據(jù)記錄儀或普通數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行采集。采樣周期根據(jù)選取的記錄儀類型設(shè)置，采集延長時(shí)間依據(jù)選用的試片大小進(jìn)行設(shè)置。（3）建議試片的埋設(shè)深度不應(yīng)低于0.30 m。（4）參比與試片的水平間距應(yīng)不超過0.50 m（試片埋設(shè)深度在0.30 m 左右），推薦值在0.05～0.10 m。

2.5.2 測試方法的現(xiàn)場應(yīng)用

基于上述設(shè)置參數(shù)，采用試片斷電法對西南地區(qū)受地鐵干擾的多條管線進(jìn)行了管道極化電位的測試及干擾影響程度分析，測試結(jié)果見表3，確保了管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)源頭數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為管道防護(hù)策略的制定奠定了正確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表3 基于西南地區(qū)管道極化電位有效測試方法的某管道電位測試及評價(jià)結(jié)果Tab.3 Potential test and evaluation results of a pipeline based on the effective test method of pipeline polarization potential in Southwest China

2.5.3 測試結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在28#、29#測試樁所在管道位置處埋設(shè)了干擾腐蝕試片，并對試片的腐蝕情況進(jìn)行了開挖調(diào)查，計(jì)算了兩處試片的干擾腐蝕速率，見表4、圖9。

圖9 試片的腐蝕形貌（試片裸露面積均為6.50 cm2）Fig.9 Corrosion morphology of test pieces（The exposed area of test pieces is 6.50 cm2）

表4 腐蝕速率測試結(jié)果Tab.4 Corrosion rate test results

從管道電位測試及評價(jià)結(jié)果可以看出，29#測試樁處管道陰極保護(hù)極化電位比28#測試樁的電位值更偏正，偏正的時(shí)間占比更長，故29#測試樁處管道的干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)高于28#處，而腐蝕調(diào)查結(jié)果和腐蝕速率計(jì)算結(jié)果均驗(yàn)證了這一趨勢，間接證明了測試方法的有效性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）針對地鐵干擾下管道陰極保護(hù)參數(shù)頻繁波動(dòng)及無法斷開外部雜散電流的特點(diǎn)，建立了基于試片斷電法的管道極化電位有效測試的參數(shù)設(shè)置方法：試片極化達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不少于2.25 h；試片埋設(shè)深度不應(yīng)低于0.30 m；參比與試片的水平間距應(yīng)不超過0.50 m；試片斷電電位的采集時(shí)間視選用的記錄儀類型而定。

（2）地鐵干擾下管道極化電位準(zhǔn)確測試的影響因素較多，如試片裸露面積、同一位置多個(gè)試片、周邊電場等，建議在實(shí)際測試中積累測試數(shù)據(jù)，建立試片測試數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步優(yōu)化試片斷電測試方法。

（3）地鐵干擾下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)明顯升高，應(yīng)定期對受地鐵干擾管線進(jìn)行極化電位的有效測試，評價(jià)管線受干擾影響程度，及時(shí)采取有效的防護(hù)措施，保障管道安全運(yùn)行。