城镇燃气埋地钢质管道杂散电流测试方法

2 01 0 拄 第 2期 管 道 技 术 Pi pe l i n e Te c h n i q u e 5 设 告 a nd Eq u i p me n t 2 01 0 No 2 城镇燃气埋地钢质管道杂散 电流测试方法 王新华 ， 刘菊银 ， 何仁 洋 ， 陈振华 ( 1 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院， 北京1 0 0 1 2 4 ； 2 中国特种设备检测研究中心压力管道部， 北京1 0 0 0 1 3 ) 摘要 ： 目前， 对轨道交通动 态杂散 电流干扰原理的研 究开展 的很 多， 但是 ， 如何判断干扰 电流对在 役埋地燃气管道的危害程度， 至今国内外还没有非常有效的手段。因此， 比较了几种测试方法的适应 性 ， 提 出了管地 电位 波动监测与 S C M 杂散 电流检测仪相结合的检测方法 ， 为埋地燃 气钢质 管道周 围环 境的杂散 电流干扰测试与评价提供 了新的依据 。 关键词 ： 杂散 电流 ； 轨道 交通； 管地 电位 ； 测试方法 中图分类号： T E 9 8 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 1 0 ) 0 20 0 4 5 0 4 De t e c t i o n M e t h o d o f S t r a y Cu r r e n t t o Ur b a n Bu r i e d Ga s P i p e l i n e s WANG Xi n h u a ， L I U J u - y i n ， HE Re n y a n g ， CHE N Z h e n h u a ( 1 C o H e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y， B e ij i n g U niv e r s i t y o f T e c h n o l o gy ，B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ； 2 P r e s s u r e P i p e D e p a r t me n t ， C h i n a De t e c t i n g R e s e a r c h C e n t e r o f S p e c i a l E q u i p me n t s ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Up t o n o w， t h e i n t e r f e r e n c e p r i n c i p l e o f r a i l t r a f fi c s t r a y c u r r e n t h a s b e e n r e s e a r c h e d c l e arl y ， b u t a v e r y e f f e c t i v e m e t h o d h as n o t b e e n fou n d t o j u d g e t h e d e g r e e o f d a m a g e b y t h e i n t e r f e r e n c e c u r r e n t T h e r e f o r e ， s e v e r a l m e t h ods are c o m p ar e d a n d a s y n t h e t i c me t h od - t h e p i p e - -t o - s o i l p o t e n t i a l s e q u e n t i a l fl u c t u a t i o n mo n i t o r i n g a n d s t r a y c u r r e n t d e t e c t i o n b y u s i n g S C M i s b r o u g h t f o r w ard ， wh i c h p r o v i d e s n e w e v i d e n c e t o b u rie d g as p i p e l i n e s t r a y c u rre n t d e t e c t i o n a n d e v alu a t i o n Ke y wo r d s ： s t r a y c u rre n t ； t r a c k t r affi c ； p i p e - t o s o i l p o t e n t i al ； d e t e c t i o n me t h o d 0 引言 在影响埋地燃气钢质管道寿命的因素中， 由地铁 等轨道交通产生的杂散电流干扰所引发的管道防腐 层破损、 剥离以及管道腐蚀、 穿孔等管道缺陷占据主 要地位。为了保障燃气管道的安全运营， 对管道上 的杂散电流进行测试 与危害评价 具有重要意义 。但 是 ， 由于城镇地下轨道 交通的大量建设 ， 地面建筑物 密集， 环境因素改变频繁， 且燃气管道分支、 拐弯多， 对现有的埋地管道杂散电流测试技术与设备应用存 在许多限制， 目前， 国内尚无针对埋地燃气钢质管道 轨道交通杂散电流干扰测试、 评价 的综合方法与标 准 。 1 埋地燃气钢质管道受轨道交通 动态杂散 电流干扰 测试技术 国内城镇埋地燃 气管道 受轨道交通 杂散 电流干 扰测试 的研究 处于起步 阶段 。常用 的测试技术 包括 检查片腐蚀监测、管地 电位正向偏移法、管地电位 连续监测 、杂散 电流 干扰探针测 试法、地 电位 梯度 基金项 目： 国家质检总局质检公益 性行业 科研专项 项 目( o 71 O一 5 O O 1) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 5 0 4 收修改稿 日期 ： 2 0 1 0 0 2 2 6 检测、S C M智能杂散电流测绘仪测绘等。下面对各 种测试方法 原理 、特点 、局 限性及适用性 进行对 比 分析。 1 1 检查片腐蚀监测 自然腐蚀孔蚀倾向较小 ， 有黄色或黑色的质地较 疏松的锈层， 创面边缘不整齐， 清除腐蚀产物后创面 较粗糙； 杂散电流腐蚀孔蚀倾向较大， 创面光滑， 有时 是金属光泽， 边缘较整齐， 腐蚀产物似碳黑色细粉末， 有水分存在时， 可明显观察到电解过程迹象。 检查片腐蚀监测通过现场埋设腐蚀挂片来判断 杂散电流干扰作用下的管道钢的腐蚀程度。如图1 所 示， 制作与管道材质相同的检查片， 将其通过测试桩 与管道进行 电连接 ， 埋设 时间应在 1年 以上。根据杂 散电流环境中， 管道钢腐蚀态貌上差异性来判断杂散 电流干扰的存在。根据检查片失重、 腐蚀表面形态等 因素来判断杂散电流干扰的严重性 j 。 然而， 检查片腐蚀监测方法存在如下局限性： 对 检查片的表面质量 、 材质 、 加工工艺的要求较高 ； 检查 片常规试验周期一般不能小于 1年 ， 有时甚至长达 2 0 年 ， 不利于及 时发 现杂散 电流干扰 和采取 防治措施 ； 46 Pi p e l i n e Te c hn i qu e a n d Eq u i p me n t Ma t 2 01 0 检查片腐蚀失重指示只是管道腐蚀总体情况， 是土壤 含水量、 酸碱度、 杂散电流等因素综合作用的结果， 无 法定量分析杂散电流干扰的严重性 。 图 1检查片腐蚀监测法 1 2 管地电位正 向偏移法 管地电位正向偏移法基于图2 所示的管地电位测 试原理， 以管地电位相对 自然电位的正向偏移量来评 价杂散电流的危害程度， 在许多国家都有应用 。 其中， 国内埋地钢质管道直流排流标准 S Y T 0 0 1 7 2 0 0 6提到 ， 当管地电位较 自然 电位偏移 2 0 m V时， 确认有杂散电流干扰； 当管地电位较 自然电位偏移 1 0 0 mV时， 应 该采取 防护措施 J 。英 国标 准 B S E N 5 0 1 6 2 2 0 0 4则分别考察了管道受杂散 电流干扰而处 于阳极 区与阴极 区两种情况 ， 指 出管地 电位正 向( 阳 极区) 或负 向( 阴极 区) 偏移 2 0 m V， 存在杂散 电流干 扰 。 管地电位正向偏移测试技术能够直接取得评价 结果。然而， 在城镇环境下， 轨道交通供电系统、 高压 电网、 临近管道阴极保护系统等都是杂散电流源。埋 地燃气管道绝大部分时间处 于干扰中， 导致 自然 电位 的测量存在较大困难。同时， 对 于有 阴保 的管道 ， 测 量得到的管地电位值中包含了保护电位成分， 不能真 实反映杂散电流引起的电位偏移。另外 ， B S E N 5 0 1 6 2 2 0 0 4还指 出， 当管地电位急剧变化时 ， 不能保证管 地电位正向偏移法及其评价标准的准确性。 1 3 管地电位连续动态监测 当城镇燃气埋 地钢质管道 中存在杂散 电流 干扰 时， 管地电位呈现随机波动状态， 特别是轨道交通运 行过程 中产生 的间歇性干扰 ， 变化频 率快、 幅度 大。 可以通过图 2所示 的管地 电位测试方法 ， 采用 D A T A L O G G E R管地电位数字记录仪实时记录管地电位 变化， 依据管地电位变化幅度来评价杂散电流干扰严 重性。若进行长期监测， 发现管地电位明显升高时， 可以判断该点为杂散电流进入点； 而管地电位明显降 低时， 则为杂散电流流出点。 管地电位连续动态监测设备简单， 对于杂散电流 密集且严 重的地域 ， 还 可以临时布线 ， 进行 多点 同时 监测， 获取 目 标管道周围环境的杂散电流分布情况与 时变信息。然而 ， 国内目前尚未制订对被干扰管道侧 管地 电位连续动态监测结果进行干扰评价的标准， 检 测人员只能依据工作经验来判断干扰情况 。 1 4 杂散电流干扰探针测试法 如 图 3 所 示 ，杂 散 电 流 干 扰 探 针 测 试 是 B S E N 5 0 1 6 2 2 0 0 4标准推荐的一种测试方法。通过 将一个头部金属裸露的探针钉入土壤至管道深度， 以 探针裸露金属头部模拟管道破损点， 通过测试站将探 针与管道进行 电连接 ， 在测试站与探针之 间接人精密 电流记录仪 ， 测量管道与土壤之间的电流 电流记录仪 图 2 管地电位测试 图 3 杂散 电流干扰探针测试法 B S E N 5 0 1 6 2 2 0 0 4针对施行阴极保护的管道制 订了该杂散 电流干扰测试方 法 以及钡 0 试结果评价 的 详细标准 ， 具体测试方法分为以下 4个步骤 ： ( 1 ) 在城镇燃气 埋地管道 不受杂散 电流干扰 的 时间段( 例如深夜) ， 使用干扰探针测试管道与土壤 之间的电流值 ， 定义该电流值为基准 1 0 0 ， 并记录 相应 的时间段 ， 即如 图 4所示 的 时间段 “ A” 。在 电 流正 向偏移上 去掉最 大 的 3个 电流值 ， 定义第 4个 值为 0 基准 。 ( 2 ) 使用干扰探针连续测试管道与土壤间电流 2 4 h ， 该测试电流中包含阴极保护电流与杂散电流。 ( 3 ) 估算探针电流的最大衰减量 ( 如图4所示 “ 时间段 B ” ，探针电流正向偏移最大，为基准值的 5 0 ) 。 ( 4 ) 评价杂散电流干扰危害程度。参照表 1 中的 数据。 图 4 探针电流时变 图 参 第 2期 王新华等 ： 城镇燃 气埋地钢质管道杂散 电流测试方法 4 7 表1 探针测试杂散电 流评价标准 度， 其矢量和即为该点的地电位梯度 。 銎 篆 萎 探 针 电 流 最 大 可 接 相 对 于基 受 干扰 时 准 值 的 百 间 比例 一 准值 的百 间 比例 。 分 比 间 。 分比 7 0 无限制 5 O 地电位梯 度法 能够 指示 干扰程 度、 杂散 电流方 向， 操作简单 ， 但受城镇建筑物密集 因素影 响， 地 电位 梯度法测试布线受到制约 。另外 ， 由于大部分埋地燃 气管道施加了牺牲阳极阴极保护， 保护电流本身会形 成一定强度的电位梯度场， 导致地电位梯度法测试不 准确。 1 6 S CM( 杂散电流测绘仪) 检测 英 国雷迪公司的 S C M是杂散电流测试专用仪器 ， 是 目前世界上最 先进 的杂散 电流测试设备。它主要 由S C M智能感应器、智能探针、智能信号发送器 ( G P S 可选) 、断路器、笔记本电脑及应用软件组成。 S C M智能感应器能感应出管道中流动的干扰 电流， 确定干扰 电流流 入 目标管道 的方 向、流人点、流出 点、大小 。 另外 ， 利用 S C M的灵敏探杆插入地下至靠近 目标 48 Pi pe l i n e Te c h n i q u e a n d Eq ui p me n t Ma r 2 01 0 管道处， 减少来 自临近平行管线、 载 流管线 以及过往 车辆的磁干扰， 并可探测微弱干扰电流； 可以设置长 达 4 8 h的连续监测 J 。 与其他干扰电流测试技术相 比， S C M在静 、 动态 电磁干扰上具有巨大的优势， 但是价格昂贵， 国内仅 北京特种设备检测中心拥有一套_ 9 J 。另外 ， S C M 自带 软件 S C MV i e w L o g实时绘制 的干扰 电流图表 中， 电流 值可高达数百 A 对此 ， S C M手册未作 出说 明。国 内 外检测人员大多依 靠电流曲线的波动情 况来进 行评 估。 2 埋地燃气钢质管道杂散电流干扰腐蚀检测方法 通过对上述各种检测方法原理的分析 ， 结合工程 实际以及对埋地燃气管道安全运行管理的需要， 提出 了城镇燃气埋地钢质管道杂散电流检测的综合方法。 具体如下： 2 1 管道 电位波动检测 城镇埋地燃气钢质管道受到 的杂散 电流 干扰多 为动态干扰， 表现为管地电位和干扰电流连续动态波 动、 随机突变等特征， 可以采用管地电位波动检测方 法 ， 对管地 电位进行监测 。经过长期的工程实践经验 积累， 中国特检院检测人员认为 ， 当电位变化幅度超 过 5 0 m V时， 确定存在杂散电流干扰 ， 且监测时间不 少于 3 0 ra i n 图7是中海石油某单位利用 D A T A L O G G E R数据记录仪 ， 追踪某个测试桩处管地 电位随 时间的波动情况。每 3 S 采集 1 个数据。阴保通电电 位波动范 围为 一1 7 6 4 一1 4 4 5 m V， 电位波动 幅度 3 1 9 m V， 评估 报告 中评定该处有 较强连续性杂散 电 流 。 - 1 4 暑_ l _5 蠢 ： -1 8 0 0 9 1 8 2 7 3 6 4 5 5 4 6 3 7 2 8 1 t f 1 0 3 S 图 7 管地 电位连续动态监测 2 2 基于 S C M 的动态杂散电流检测 短时间的管地电位监测不 能判断在役城镇埋地 钢质燃气管道是否存在破损点 ， 因此 ， 可以利用 24 个智能感应器进行测量 ， 能够判断杂散 电流的方 向以 及杂散电流在管道上的流进点、 流出点， 为管道的运 行维护、 排流改造以及阴极保护提供依据。图 8 所示 为利用 S C M测试的杂散电流时变图， 其中， 圆形罗盘 处粗箭头指示管道方向( 正上为北向) ， 细箭头指示杂 散电流的方向， 移动智能感应器， 根据杂散电流大小、 方向的改变， 可以判断杂散电流在管道上的流进、 流 出点。 图8 S C M 杂散电流测试 3结束语 定期对城镇燃气埋地钢质管道进行杂散电流测 试， 尤其是来自轨道交通动态杂散电流检测是保证管 道安全运行与管理的重要措施。在国内， 由于相关标 准的滞后性以及技术方面等诸多因素， 仍然存在一些 技术难题未能解决 。因此 ， 在对 国内外杂散 电流检测 技术与方法原理进行分析 比较的基础上 ， 提 出了管地 电位波动监测与 S C M杂散电流仪结合的检测方法， 并 在实际工程中得到应用， 具有可行性。 参考文献： 1 周伟直流牵引供电系统杂散电流分布与防护研究 ： 学 位论文 成都 ： 西南交通大学， 2 0 0 7 ：1 4 2 曾静， 许俊城 ， 陈国华， 等 城市埋地燃气管道风险评估方 法的适用性 煤气与热力 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 5 ) ： 5 7 3 S Y T 0 0 2 9 -9 8 埋地钢质检查片腐蚀速率测试