（精密仪器及机械专业论文）埋地管道防腐层缺陷检测技术的研究.pdf

中文摘要 在液体和气体的输送方面，管道运输有其不可取代的突出优势，在世界范围 内得到了广泛应用。影响埋地管道可靠性和使用寿命的关键因素是管道金属的腐 蚀。为了防止管道腐蚀，普遍采用防腐涂层和电化学方法进行保护。而防腐涂层 会因多种因素产生缺陷，失去防腐效果，导致管道被腐蚀，甚至发生管道泄漏等 恶性事故。根据国内外经验，我国大多长距离油气管道已逐步进入事故高发期。 因此，有计划地开展管道防腐层的修复工作已刻不容缓。为了对管道防腐层修复 决策提供科学依据，研究管道防腐层缺陷检测及其评价方法，精确高效地测定管 道的防腐层状况具有重要意义。本文对防腐层缺陷检测技术进行了深入研究，主 要进行了以下几个方面的工作： 1 埋地管道涂层质量检测方法多种多样，深入研究了各种方法的优缺点， 并最终提出了能同时检测破损和剥离缺陷的基于电化学阻抗谱技术的检测方法。 2 分析了埋地管道体系的等效电路模型，为将电化学理论应用于管道涂层 缺陷检测打下了坚实基础。 3 采用小幅度正弦恒电流激励的涂层缺陷检测方法，研制了一套防腐层缺 陷检测实验装置，利用研制的实验装置对防腐层破损和剥离试片进行测试，获得 了大量数据，实验结果与实际情况吻合良好。证明了该方法可应用于防腐层缺陷 检测。 4 研制了用于现场检测防腐层缺陷类型的仪器。 关键词：腐蚀防腐层电化学阻抗谱埋地管道检测技术 a b s t r a c t i nt e r m so ft r a n s p o r t i n gl i q u i da n dg a s ，t h em e t h o do f p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nh a s p r o m i n e n ta d v a n t a g ea n dh a sb e e nw i d e l yu s e da llo v e rt h ew o r l d t h ee x t e r n a l c o r r o s i o no fs t e e lb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m so fi n f l u e n c i n gt h e r e l i a b i l i t ya n dt h el i f e t i m eo fb u r i e dp i p e l i n es y s t e m t oa v o i dt h ec o r r o s i o n ，a n t i s e p t i c c o a t i n ga n de l e c t r o c h e m i s t r ym e t h o da r eu s u a l l yu s e d t h ea n t i s e p t i cc o a t i n gw i l ll o s e i t se f f e c t sd u et os e v e r a lf a c t o r s ，a n dc a u s et h ep i p e l i n ec o r r o s i o n ，e v e nr e s u l ti nt h e p i p e l i n el e a k a g e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e ，m o s to ft h el o n gd i s t a n c eo i lo rg a s p i p e l i n e si no u rc o u n t r yh a v eb e e ng r a d u a l l ys t e p p e di n t oap e r i o do fh i g hp o s s i b i l i t y o fe v e n t s s oi ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo nt h ew o r ko fr e p a i r i n gt h ea n t i s e p t i cc o a t i n go f p i p e l i n e si nt i m e i no r d e rt op r o v i d et h e 。s c i e n t i f i cb a s i so ft h i sw o r k , i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h em e t h o do fm e a s u r e m e n ta n de v a l u a t i o nt ot h ed e f e c t so f p i p e l i n ea n t i s e p t i cc o a t i n g ，a sw e l la se v a l u a t et h eq u a l i t yo ft h ec o a t i n ga c c u r a t e l y a n de f f e c t i v e l y t h et e c h n i q u eo fa n t i s e p t i cc o a t i n gd e t e c t i o nh a sb e e ns t u d i e d i n t e n s i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h em a i nw o r ka c c o m p l i s h e dc a nb es u m m e du pa s t h ef o l l o w i n ga s p e c t s i t h e r ea r em a n ym e t h o d st od e t e c tt h eq u a l i t yo ft h eb u r i e dp i p e l i n ec o a t i n g ， a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d sa r es t u d i e d i n t e n s i v e l y e l e c t r o c h e m i s t r ym e t h o dw h i c hc a nd e t e c tf a u l t so fc o a t i n ga n dd i s b o n da tt h es a m e t i m ei sp r o p o s e d 2 a n a l y s ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lc o r r e s p o n d i n gt ob u r i e dp i p e l i n es y s t e m ， w h i c hl a i df i n nf o u n d a t i o n so fe l e c t r o c h e m i s t r yt h e o r ya p p l i c a t i o nt ot h ed e t e c t i o no f p i p e l i n ec o a t i n gf a u l t s 3 ac o a t i n gd e f e c td e t e c t i o nm e t h o dw h i c hu s e ss m a l la m p l i t u d el a s t i n gs i n e ， w h o s ef e a s i b i l i t yi st e s t i f i e dd u r i n gp r a c t i c a lp r o c e s s as e to fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s c o n t r o l l e db ym c ui sd e v e l o p e dt od e t e c tc o a t i n gd e f a u l t s b o t ht h ec o n d i t i o n so f c o a t i n gd e f e c ta n dd i s b o n do fs a m p l ep l a t e sa r et e s t e dw i t ht h ee x p e r i m e n ta p p a r a t u s t h er e s u l t sa c q u i r e df r o mt h ee x p e r i m e n ta n dt h ec u r r e n tc o n d i t i o n sa r ea c c o r d e dw e l l w i t he a c ho t h e r , w h i c hi n d i c a t e dt h a ti ti sf e a s i b l et od i s t i n g u i s hc o a t i n gd e f a u l t sw i t h t h i sm e t h o d 4 as e to fd e t e c t i o ni n s t r u m e n ti sd e v e l o p e dt oj u d g et h et y p eo ft h ea n t i s e p t i c c o a t i n gd e f e c t so nr e a lf i e l d k e yw o r d s ：c o r r o s i o n ，c o a t i n g ，e l e c t r o c h e m i s t r yi m p e n d n c es p e c t r u m ， b u r i e dp i p e l i n e ，d e t e c t i o nt e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 弯静 签字日期： 2 尹年6 月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞苤茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权 苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 弯静 导师签名： 签字日期：2 。p 罗年多月午日签字日期：二即年万月午日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 管道运输发展现状和面临的问题 现代管道运输起源于1 9 世纪中叶，经过一百多年的发展，管道运输已成为 与铁路、公路、航空、水运并行的五大运输手段之一，被广泛应用于各种液体和 气体的运输。自中国第一条长输油气管道投产以来，5 0 年间中国长距离输油输 气管道建设取得很大进展。目前，中国已建成投入运营长输油气管道6 万多公里， 可绕地球赤道1 周半。其中，建成原油管道1 7 万公里、成品油管道1 2 万公里、 天然气管道3 3 万公里、海底管道3 0 0 0 公里。随着技术的进步和工业的发展， 管道运输范围显著扩大，不仅可以输送石油、成品油、水、天然气、煤气等液体 和气体介质，也可以输送城市垃圾、工业原料、粮食、水泥、煤浆等固体物料， 运输潜力巨大。管道运输在国民经济中占有重要的位置，存在很大的发展空间， 必将随着国民经济的持续快速发展而大有可为【l 吲。 随着油气田的开发，管道的运行安全越来越受到人们的重视。目前我国铺设 的输油和输气管道大部分已服役了2 0 年以上，管道因腐蚀而造成的穿孔泄漏事 故时有发生。一旦管道发生泄漏，轻则影响生产，重则着火爆炸，对人类的财产 和生存环境造成了巨大的影响。 长期以来，我国的埋地管道一直处于重建设轻管理的状况。这是我国管道寿 命普遍低于国外的重要原因之一。在油气生产运输过程中，由于管理不善造成的 管道泄露，不仅造成严重的资源浪费，也对管道沿线的生态环境造成恶劣的影响， 甚至严重污染破坏环境，而且往往是管道发生泄漏或爆裂事故，才去抢修和更换。 经过对旧管道的修复( r e n o v a t i o n ) 、修理( r e p a i r ) 、更换( r e p l a c e m e n t ) ( 简称3 r 技术) 进行方案比较，发现主动进行有计划的“修复比管道事故后的“修理 代价小得多，并且有效地避免了恶性事故的发生，大大地提高了社会效益和经济 效益。修复要求对埋地管道的走向、埋深和管道的腐蚀防护系统进行准确的检测 与评价，其结果对管道的安全运行起着关键作用。但我国目前尚未全面解决埋地 管道腐蚀检测的方法、仪器与相应的技术方案上存在的问题。为了保证金属管道 的长期、安全运行，必须有计划地进行管道检测，以确定管道运行状况，指出可 能发生泄漏的隐患。因而，进行科学有效的检测以及制定综合检测技术与方案成 为当务之急1 3 1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 管道缺陷检测方法综述 下面对国内外埋地管道常用的腐蚀检测技术进行简述和比较 4 - 14 1 ，现阶段国 内外主要的埋地管道缺陷检测技术如图1 1 所示。 管道检测技术 内检测 智 能 清 管 器 外检测 开挖检测ll 地面检测 准 管 地 电 位 测 试 法 密 间 隔 电 位 测 试 法 直 流 电 压 梯 度 法 p e a r s o r l 法 交 流 电 流 衰 减 法 变 频 选 频 法 图1 1 国内外主要的管道检测技术 直 流 电 流 衰 减 法 电 化 学 检 测 法 磁 场 一 襞 减 检 测 法 近 间 距 管 地 检 测 法 电 流 排 放 检 测 法 埋地管道的检测主要是借助各种仪器设备在地面进行。检测内容主要包括对 管道防腐层和阴极保护效果的检测。防腐层检测主要包括防腐层绝缘电阻和是否 有局部破损点，阴极保护效果检测主要是检测保护电位是否处于有效的保护范围 之内。 埋地管道地面检测的方法很多，各有其优缺点。有些方法受测试点的限制， 只能检测一定范围内管道防腐层的破损状况，不能准确定位缺陷；有些方法由于 阴极保护的屏蔽作用，检测不出防腐层发生剥离的部位；有些方法对操作人员的 经验、管道状况及其附属设备、周边环境等因素的依赖性很大。因此，在选择检 测方法时应首先根据埋地管道的实际情况，充分考虑各种方法的优缺点，扬长避 短，科学组合，选择较为合理的方法使检测的精度高、速度快、定位准确、花费 的人力物力最少并尽可能地排除干扰。下面通过比较的方法对目前正在使用的检 测方法的特点、应用、仪器等做简要介绍 4 , 1 5 3 0 】，如表1 1 所示。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 主要检测方法比较 3 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 国内外研究现状及存在问题 1 3 1 检测仪器研究现状 当今国内外防腐层检测技术大多是借助各种仪器设备在地面进行的。防腐层 破损点通用的检测方法是通过发射机向管道施加交流信号，同时在管道正上方检 测信号的变化，各类仪器原理基本相同。不同的是国产仪器采用p e a r s o n 法， 进口仪器多采用交流电流梯度法【4 矧。 1 基于p e a r s o n 检测法 p e a r s o n 检测法基本原理：一个交流信号加在金属管道上，在防护层破损 点会有电流泄漏入土壤中，在管道破损点和土壤之间会形成电位差，且在接近破 损点的部位电位差最大，仪器在埋设管道的地面上检测到这种电位异常，即可发 现管道防护层破损点。 基于该原理的仪器目前国内外均有生产，具代表性的是江苏海安无线电仪器 厂生产的s l 系列地下管道防护层探测检漏仪，它用“人体电容法”拾取信号， 是国内常用的检测仪器。 前进方向- 图1 2p e a r s o n 检测法示意图 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 基于交流电流梯度法( p c m ) 交流电流梯度法的基本原理是：发射机向管道发射某一频率的信号电流，电 流流经管道时，在管道周围产生一相应磁场。当管道防腐层完好时，随着管道的 延伸，电流较平稳，无电流流失现象或流失较少，在管道周围产生的磁场比较稳 定；当管道防腐层破损或老化时，在破损处就会有电流流失现象，随着管道的延 伸，其在管道周围磁场的强度就会减弱。检测人员在管道上方用地面专用接收机 对管道周围的磁场信号进行接收处理后，可以直接读出该处管道电流数据和管道 埋深等，逐点记录测量点的距离x 及电流强度i ，将现场测量数据输入计算机， 经计算机处理后得到该管道防护层的评价结果。 基于该原理的进口仪器有雷迪p c m 、d c v g 、r d 4 3 2 ，莱康8 8 7 5 等。 图1 3 交流电流图读法示意图 1 3 2 检测技术发展趋势 目前国内外检测技术的最新发展趋势是几种检测方法组合对防腐层缺陷进 行检测，并自动记录管道阴极保护状态和防腐层缺陷信息 1 1 】。 1 直流电位梯度法d c v g 和密间隔电位检测法c i p s 综合检测技术【3 1 】 目前国外已采用d c v g 和c i p s 综合检测技术实现防腐层破损地面检测， 其检测原理如下：先采用d c v g 方法进行防腐层检测，确定所有的防腐层缺陷 和位置，并在每个破损点的中心位置放上标记；然后采用c i p s 密间隔电位检测 技术在缺陷中心位置测量开关闭电位，在测量的同时，测量管地电位。通过以 上测量，确定防腐层缺陷处的保护度和对防腐层缺陷进行定量分析，确定缺陷的 大小、腐蚀程度。该方法的主要优点是能够准确定位缺陷和估计缺陷大小、重要 性等级，减少了开挖工作量。该方法是准确查明防腐层缺陷位置、腐蚀状况的最 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 佳方法。 2 电化学暂态检测技术 该法对防腐层情况进行了分析，建立了电化学等效电路，根据阻抗谱特征， 由阻抗幅值随频率变化分析防腐层质量状况和缺陷类型。该方法能检测防腐层的 剥离，但目前仍在实验室阶段，有待于进一步产业化。 3 电场的正负符号差( f s m ) 检测技术【3 2 】 f s m 原理：向监测管道的选择部分馈入直流电，再通过对监测管道表面所 形成的小的电位差进行测量。f s m 对全部电位进行测量，然后将这些电位值与 管道开始监测时所测的初始值进行比较，形成电位差，对电位差的变化进行分析， 可以分析得出管壁的腐蚀状况。该方法的优点是可事先在管道上埋设一定量不易 损坏的探针，实现不易接近位置的远程监测和海底管道的监测，可随时在管线给 定点内连续监测正在发生的腐蚀情况和剩余的管壁厚度。 4 小结 随着现代电子技术的高速发展，集成器件水平的提高，以及相关技术与理论 研究的不断深入，埋地管道防腐层检测技术向更灵敏、更快速、抗干扰能力更强、 定位更精确、操作更便捷、判别更直观的趋势发展。 1 3 3 管道缺陷检测存在问题 1 破损和剥离的判断 管道防腐层四种情况示意图如图1 - 4 所示。埋地管道防腐层缺陷包含两个方 面：防腐层破损和防腐层剥离。防腐层发生破损时，管道阴极保护电流从破损处 泄漏进大地，导致保护距离变短、甚至建立不起保护电位，达不到防腐的目的； 防腐层发生剥离时，形成大面积的空隙积聚溶液，在空隙深处由于防腐涂层对阴 极保护电流有屏蔽作用，因而电化学阴极保护法无法保护空隙深处的金属( 保护 “死角”) ，虽然涂层小孔处得到有效地阴极保护，但“死角”区金属会发生腐 蚀【3 3 删。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( a ) 粘结无孔( b ) 破损 釜彳k 匿蘑盈溷匿蘑霞圃 ( c ) 剥离无孔( d ) 剥离有孔 图1 4 管道防腐层的四种可能情况 尽管现有的埋地管道防腐层检测评价技术多种多样，但是在管道防腐层是否 存在剥离、防腐层破损尺寸确定及阴极保护效果上，没有一种方法能够准确地检 测及定量指示。 2 检测效率低，适用性局限 防腐层的检测方法有些需要开挖管道、有些辅助设备复杂、有些检测耗时长， 这都极大的降低了检测效率；此外管道条件和周围环境情况差异很大，不同的管 径，不同的材质，不同的壁厚，不同的防腐材料，不同的埋地深度，不同的土壤 结构，都会对测试结果产生影响，现存的检测方法均存在一定的局限性。 1 4 本课题的研究内容和意义 1 4 1 本课题的研究内容 本课题的主要目的是研究并开发适合现场应用的埋地管道防腐层缺陷检测 技术及仪器。应用电化学的理论，既能区分涂层缺陷类型，同时又能对涂层作整 体评价，做到准确与高效率。本课题的主要工作及研究内容如下： 1 埋地管道腐蚀检测方法多种多样，比较了各种检测方法的优缺点，在实 验室用电化学方法( 电化学阻抗谱e i s ) 对防腐层状况不同的试片进行了研究。 通过比较不同缺陷试片的阻抗谱特征，得出结论，防腐层的状况不同，其阻抗谱 图出现较为明显的差异，在此基础上研究了根据阻抗幅值随频率变化系数对防腐 层破损和剥离进行判断的方法。 2 采用了小幅度正弦恒电流激励的涂层缺陷检测方法，并在实用过程中证 明了该方法的可行性。初步研究了埋地管道体系的等效电路模型，为将电化学理 天津大学硕士学位论文第一章绪论 论应用于管道层缺陷检测打下了坚实基础。 3 研制了一套由单片机控制的防腐层缺陷检测实验装置。实验装置通过与 计算机配合，可完成防腐层缺陷的现场快速检测。对该实验装置的准确性进行了 评估，并利用该检测仪器进行了模拟试片检测，取得了大量的检测数据。测试结 果与实际情况吻合较好。 4 设计了用于现场的防腐层缺陷检测仪器和与仪器配合使用的数据管理系 统。 1 4 2 本课题的研究意义 防腐层在埋地管道的运行中起着非常重要的作用，由于世界上的管道半数以 上运行时间超过了3 0 年，我国的长输油气管道也大多投产2 0 年以上。根据国内 外管道运行经验可知，此时的管道防腐层逐渐进入事故高发期，而管道运行业务 越来越繁忙，事故带来的危害更加受到重视，因此，有计划地开展管道防腐涂层 的检测及维修工作己刻不容缓。 通过对管道在土壤中的腐蚀行为研究表明，腐蚀主要是一个电化学过程。研 究和开发基于腐蚀电化学原理的防腐层阻抗检测技术与仪器有着重要的现实意 义和广阔的应用前景。 本文提出了防腐层阻抗谱和相位谱判断管道缺陷类型的方法，并研制了一套 由单片机控制的防腐层缺陷检测实验装置，比较其他的测量方法和检测设备具备 以下优点： 1 结构精。本实验装置硬件电路简洁，利用了a d 5 9 3 3 代替了传统的复杂 的硬件电路，增强了系统检测的准确性和抗干扰能力。经实验验证，可准确判断 出防腐层破损和剥离。 2 检测效率高，操作方便。实验装置简单易用，操作者只需要配合一个探 针便可以实现长距离的管道防腐层情况的检测。检测速度快，单点采样时间可控 制在1 s 内，大大提高了检测效率。配合测量车可实现自动化的长距离管道检测。 3 提出了基于电化学阻抗谱的检测方法，该方法不需开挖管道，经济实用， 可广泛应用于不同的管道，适用性强。 通过对涂层缺陷类型进行判断与定位，极大地提高了涂层检修的针对性与工 作效率。在管道检测领域具有研究意义和使用价值。 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 2 1 防腐层阻抗测量原理 2 1 1 防腐层缺陷检测理论基础 管道腐蚀是一个电化学过程，管道外的有机防腐层能不同程度地阻缓水、氧 和离子与金属的接触而起到防腐的作用。但实际上防腐层的阻挡作用不是绝对 的，一方面防腐层埋入地下后由于多种原因的影响会产生缺陷，失去防腐效果， 另一方面随着管道埋地时间的增加，电解质溶液通过途层有机溶剂的挥发而形成 的微孔也能渗透进防腐层内 3 8 1 。电解质溶液到达防腐层金属基底的界面，在界 面处形成腐蚀反应微电池【3 9 , 4 0 。由于防腐层下金属的腐蚀属于电化学腐蚀的范 畴，所以应用电化学研究方法来评价防腐层性能和检测防腐层缺陷和用电化学指 标来评价防腐蚀具有很大优越性。 用电化学方法来研究防腐涂层，涉及到等效电路的选取、研究方法选择以及 测试体系的建立等多个方面【4 1 州】。 2 1 2 等效电路的选取 用电学元件组成的电路来模拟发生在电极溶液界面上的现象，称为电化学 等效电路。般说来，经验模型应该采用尽可能少的元件，而且应尽可能采用基 于系统电化学工艺理论基础的物理模型。利用电化学电路虽然不能完全如实地描 述实际的电化学过程，但能直观地预测或解释电化学系统对于外加电流或电压的 响应，因此得到广泛的应用。 等效电路模型是分析阻抗谱的基础。通常是电阻、电容和电感的组合，以便 模拟该系统的电特性。该模型要求在不同频率下其阻抗要与测得的阻抗特性相匹 配。本文通过对埋地管道体系的分析和有机涂层防腐体系腐蚀前后的电化学等效 电路的研列3 8 】，对应防腐层完好和存在缺陷的情况提出了两个等效电路和对应 的阻抗方程1 4 h 。 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 图2 1 防腐涂层完好的等效电路图 图2 - 2 防腐层存在缺陷的等效电路 公式( 2 1 ) 公式( 2 2 ) 在上述2 个阻抗方程中，1 4 为检测信号角频率，r ，_ 和c 厂是防腐层的电阻和 电容；如和白是防腐层与金属基底界面的反应电阻和电容；r s 是溶液电阻。 上述2 个方程分别对应不同的防腐体系，公式( 2 1 ) 对应于管道或模拟试 片与土壤接触的初期，不存在腐蚀反应，涂层与基底金属粘接完好的防腐体系( 涂 层管道或模拟式片) ，完好的防腐体系，涂层电阻很大，电容很小，系统阻抗谱 只有一个时间常数。 公式( 2 2 ) 对应于表面存在缺陷的防腐层。随着时间的增加，电解质渗透 到涂层中，它的渗入会导致介电常数s 随着浸泡时间增大而增加，电阻率p 会降 低，因而会改变防腐层电阻和电容，引起防腐层电容值增大，电阻值下降，其电 化学等效电路就用公式( 2 2 ) 来描述。阻抗测量结果可以显出涂层金属基底界 面在界面区发生腐蚀反应，阻抗谱就会出现两个时间常数的特征 3 8 , 3 9 1 。 随着管道埋地时间的增加和腐蚀反应的进一步进行，腐蚀产物不断聚集，导 致防腐层表面出现了肉眼可见的大锈点或宏观孔，当其表面出现宏观孔时，反应 粒子可以顺利地通过宏观孔到达涂层基底界面，使界面区基底的腐蚀反应速度 大大加快，此时，电化学等效电路仍然用公式( 2 2 ) 来描述，但其组元参数的 l o 去嘉鹏 一再 s 一 j r c 哦 焉 z = 天津大学硕士学位论文 第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 数值已经变化，母相对较小，g 较大。 2 1 3 优化电路设计 等效电路模型一旦确定，就必须设计阻抗测量系统来完成频率扫描和数据采 集，典型阻抗测量系统如图2 3 所示。 图2 3 典型的阻抗测量系统示意图 可变化的 等效电路 一i i l j l i 图2 3 给出了典型的阻抗测量系统的功能框图。频率激励信号由d d s ( 直接 数字频率发生器) 产生，d d s 的输出频率在施加于未知阻抗之前通常要经过滤 波和放大。利用a d c ( 模数转换器) 对未知阻抗前、后的波形分别进行采样， 有些设计中需要两个a d c 分别用于捕获激励信号和响应信号，这是很复杂的， 因为需要两个a d c 同步采样以便检测出信号之间的相位变化。采集的信号送入 d s p 做进一步处理。这种简单的功能框图掩盖了几个基本问题： 1 a d c 必须对信号在所有频率范围内进行同步采样，这样才能比较激励波 形和响应波形以便获得相位信息，为系统设计增加了难度。 2 因为采用了大量的分立元件，所以元件误差和温度漂移以及附加的噪声 都会对测量精度产生不利的影响，尤其是在小信号工作的条件下，除了元件选择 和p c b 尺寸问题，大量分立元件还会给误差分析计算带来困难。 3 许多电化学系统中必须避免采集到的数据受到电化学工艺本身的干扰。 所以通常采用小的a c 信号，并且还很重要的一点就是不能在系统中引入d c 电 位差，因为它会导致进一步的电化学反应，给设计增加了困难。 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 针对传统的阻抗测量分析电路的缺点和问题，本文提出了基于a d 5 9 3 3 的阻 抗测量电路的设计方案：a d 5 9 3 3 将数字频率合成器、模数转换器和数字信号处 理功能结合在一起，为阻抗测量仪系统硬件设计提供了方便，在增强系统配置灵 活性和信号解调实时性的同时，提高了硬件系统的集成度和抗干扰能力，降低了 硬件系统成本。同时a d 5 9 3 3 在计算机进行处理之前提取了响应信号的实部和虚 部，在芯片内完成了大量的分析。这样大大减轻了计算机的运算负担，并且提高 了数据采集的质量。 2 1 4 电化学阻抗谱技术 2 1 4 1 电化学阻抗谱技术定义 用等效电路研究防腐体系时，常用的手段是电化学阻抗谱技术。它是一种能 用来评价有机涂层防护性能的电化学方法。这种方法的优点在于能够在不同的频 率段分别得到防腐层的电阻和电容母和c 厂以及防腐层与金属基底界面的反应电 阻和电容忍和。等有关信息。对测得的阻抗谱进行数据解析，能定量地给出描 述涂层性能的电化学参数。 电化学阻抗谱( e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ，简称e i s ) 又称为交流 阻抗技术( a ci m p e d a n c e ) ，是一种以小振幅的正弦电压( 或电流) 信号为激励信号 的电化学测量方法。用激励信号扰动电解池，并观察体系在稳态时对扰动的响应 情况，同时测量电极的交流阻抗，进而计算体系的电化学参数。由于待测体系可 以用电阻r 和电容c 组成的电化学等效电路来表示，因此交流阻抗技术实质上 是研究r c 电路在交流电作用下的特点和规律。交流阻抗方法是一种暂态电化学 技术，属于交流信号测量的范畴，具有测量速度快，对研究对象表面状态干扰小 的特点【4 5 4 引。 e i s 方法利用了电阻、电感和电容所表现出来的不同频率特性，通过扫频测 量一系列频率点下的阻抗，获取有关待测元件的特性。理想电阻对所有频率都具 有恒定的阻抗，理想电感的阻抗会随频率增高而增大，理想电容的阻抗会随频率 增高而减小。考察其阻抗与频率的关系便可以确定它是阻性元件、感性元件还是 容性元件。三种元件响应信号的阻抗与频率的关系曲线如图2 4 所示。 天津大学硕士学位论文 l 扫频信号! z = ? 电阻z 咄 电容z - - - 1 i w c 电感z = w l 图2 - 4 三种元件响应信号阻抗与频率关系曲线 2 1 4 2e i s 技术测量防腐层缺陷基本原理 在应用e i s 技术分析防腐层缺陷过程中发现当防腐层破损时，防腐层的欧姆 电阻值较小，电容值相应增大，而由于阴极保护的作用，极化阻力值较大；出现 剥离时，由于腐蚀导致极化阻力值较小，界面电容较大，防腐层未被破坏，故其 欧姆电阻值相对较大，电容值仍很小。所以这两种状态下的等效电路参数是不同 的，对激励信号响应也是不同的，表现为阻抗谱特性存在较为明显的差异。因此， 当激励信号施加到管道上时，测量其阻抗谱，根据等效电路的分析，就能判断出 管道防腐层的缺陷类型和腐蚀状况【4 9 】。 2 1 4 3 交流阻抗实验技术应注意的问题1 5 0 , 5 1 1 应用e i s 技术时需要注意的一些共性问题以及应用e i s 技术本身影响试验的 因素： 1 激励信号的频率交流阻抗测量可以在超过7 个数量级的频率范围内进 行，常用的频率范围是1 m h z 1 0 m h z 。对于腐蚀体系来说，常需要低频信息， 而低频阻抗的测量通常难度较大。 2 线性考虑到反应步骤的速率是指数性依赖于电位的，电化学过程在本 质上是非线性的，然而交流电理论全是线性理论，这意味着要使用e i s 技术就要 将激励信号幅值保持足够小，以使体系非常近似于线性。 天津大学硕士学位论文 第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 3 谬误的响应交流电技术易于因测量回路中的谬误效应而产生歪曲。在 高频时恒电位仪易发生相位移，接线之间出现杂散电容，接线和电池内部结构产 生自感应。由于交流阻抗激励信号较弱，杂散电噪声会对实验产生干扰，通常需 要将电池和检测回路屏蔽起来，以减少这种影响。 2 2 计算与校准原理和具体算法 2 2 1 计算与校准原理 2 2 1 1 比例测量方法【5 3 】 对电阻的测量，通常使用伏安法，即已知一个元件的电阻等于此元件两端的 电压降与流过电流的比值，毋：v x s x 。而在实际测量中往往使用比例测量的方 法，在被测回路中串入采样电阻咫，有i x = u 。i r , ，因此： r x = u 。i s r = r 。u r u 。，这样就把电阻的测量转换成为两电压之比的测量， 降低了对电压源魄准确度和稳定度的要求，测量结果的精确度只与参比电阻的 精度有关。比例测量的具体电路非常简单，如图2 - 5 所示，用一只运算放大器接 成电压并联负反馈结构即可。 r s 图2 5比例法测量电阻的原理图2 - 6a d 5 9 3 3 比例法测量阻抗原理图 本文采用的阻抗测量芯片a d 5 9 3 3 也利用了上述比例测量的原理，测量电路 如图2 - 6 所示。具体软硬件实现参见第三章。 2 2 1 2d f t 数字解调 响应信号正交解调的过程描述如下：首先将响应信号与一对正交本振信号相 乘( 本振信号要求与载波同频同相，并且两个本振信号严格正交) ，然后利用积化 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 和差公式将载频与基频分离，再通过滤波或积分运算去掉载频，将信号变为基频： 其次正交本振信号与上述响应信号相乘，利用三角函数中的积化和差公式，得到 两路信号；最后将上述两路信号在周期t 时间上做积分并求平均值去除载频。 以上三步完成了正交解调，去除了载波，且信号仍然包含被测电阻的实部 和虚部信息，只要与电压源幅值信息比较就可以得到被测阻抗的完整信息。 a d 5 9 3 3 也基于正交解调的原理，对a d c 采样数据做离散傅立叶变换( 数字正交 解调) ，即1 0 2 4 个数组成的数字序列与正交向量相乘再求和的过程。 2 2 1 3 高精度电阻校准 a d 5 9 3 3 将同相分量、正交分量作为结果输出，在理想情况下，不考虑放大 器等电路引起的幅值和相位的变化，利用解调后同相和正交分量结合激励信号的 幅值，参比电阻的值就可以计算出阻抗的幅值和相位信息，但是实际情况下，由 于放大器等电路引起的幅值i z | 和相位伊的变化，使系统存在误差。为消除系统 误差，需要通过精密电阻来校准被测电阻。精密电阻为纯电阻，不引起相位变化。 只要合理的选择校准点和校准点之间的间隔，通过校准可以去除由于放大器等电 路引起的幅值和相位系统误差，得到一个高精度的测量结果。由于测量条件完全 相同，利用这种计算的方法，可完全抵消系统误差。 实际应用中电阻校准是由硬件设计和上位机编程共同实现的，具体方法参见 第三章软硬件设计部分。 2 2 1 4 非线性补偿 系统对一组不同阻值的标准电阻进行测量，得到输出的解调结果，建立解调 结果与实际阻值的对应关系，利用该对应关系通过查表或差值的方法，计算待测 电阻的阻值，进一步补偿误差提高精度，这就是对系统的非线性补偿。 实施方法为：在测量阻抗之前，估计其阻值所在范围，并选取该范围内系统 测量标准电阻进行校准，得到的输出值转换成幅值并与实际阻值范围存储。当系 统进行实际测量时，将实测阻抗值换算成实测幅值，计算出实测阻抗的幅值，并 返回输出。 在某个激励频率下，测量纯电阻网络时，目标内部的容性成分可以被忽略， 此时，系统测量到的相角，主要由系统相移构成。将对应检测到的相角作为相位 补偿值，即可通过加减运算对实测相位进行补偿。在不同放大倍数、不同激励频 率下执行补偿的测量，就可以得到一系列表格和相位补偿值。实际测量过程中， 根据放大倍数和激励频率选择相应的表格和相位补偿值，进行电阻抗值的计算和 补偿，即可进一步提高系统的精度。 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 2 2 2 计算与校准具体算法 频率发生器产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被 a d c 采样，并通过片上的d s p 进行离散傅立叶变换。傅立叶变换后得到在该频 率下的实部值尺和虚部值，。据此，可计算出每个扫描频率下的幅值和相角。 2 2 2 1 幅值计算 第一步，计算每个频率下的d f t 结果对应的幅值l z i ，计算如下： z i = 厮 公式( 2 3 ) 第二步，将该值转换成阻抗值，必须乘以一个系数，称为增益系数a ，增益 系数可以通过将已知电阻接在v o u t 和v i n 管脚间测量的幅值i z i 何得到。 1 彳2 砸公式( 2 4 ) 需要注意的是，对于不同阻抗范围，增益系数是不同的，所以在测量过程中 可以通过限制电阻的测量范围来优化测量性能。理论上测量范围标定的越小，测 量结果越准确。表2 1 仅给出4 个不同的电阻范围作为参考。 表2 1 阻抗测量范围标定 第三步，通过求得的增益系数a 、测量未知阻抗的幅值i z j i ，可计算未知阻 抗如。 墨赢 1 6 公式( 2 5 ) 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 利用测量系统进行测量时，必须在计算未知阻抗之前知道该未知阻抗的阻值 所在范围，用来计算该范围内的增益系数，同时必须了解待测阻抗的频率响应特 性和所在范围，此外，a d 5 9 3 3 系统增益设置也必须满足使激励信号在片上a d c 线性区间的条件。 2 2 2 2 相位计算 第一步，计算每个频率点对应的相位矽： 伊一协 公北神 第二步，公式( 2 6 ) 计算相角存在偏差，原因是d d s 产生的输出信号不仅 通过了待测电阻，还通过了内部放大器和低通滤波器，产生了相位的偏移。为了 将测量值转换成实际待测阻抗相位值，必须减去一个补偿系数，称为相位系数b ， 相位系数可通过已知纯电阻尺接在v o u t 和v i n 管脚间测量，得到输出结果的 实部和虚部k 得到。 曰一1 公式( 2 7 ) 第三步，通过求得的相位系数b ，和测量得到的待测阻抗的实部如和虚部 计算待测阻抗相位鲰。 c x = 9 - b = 一一公北剐 第四步，相位校准。利用实部和虚部值计算每个测量点的相位时，需要注意 的是返回值只有在实部和虚部均为正时才是正确的，即在第一象限。如果实部符 号正，虚部符号为负，即测得数据在第二象限，而返回值是一个负角度值，必须 加上18 0 。来校准成实际角度。再例如，当实部值和虚部值符号都为负时，即测 得数据值在第三象限，返回值是一个0 。9 0 。之间的正值，需要加上1 8 0 。来校 准成实际角度。最后一种情况，当实部值为正，虚部值为负时，即测得数据值在 天津大学硕士学位论文第二章管道防腐层阻抗测量技术原理 第四象限，返回值是一个9 0 。 0 。之间的负值，需要另外加上3 6 0 。来校准。 所以，相位需要通过实部和虚部符号的判断进行校准后得到，如表2 2 所示。 表2 2 相位校准表 实部符号虚部符号 象限 相角值( 。) 正 负 正 正 第一象限 第二象限 负负第三象限 正 负 第四象限 t a n - 1 ( 1 r ) 8 0 万 1 8 0 + t a n 一( z 咖了1 8 0 ) 8 。+ t a n 一研咖了1 8 0 ) 3 6 。+ t a n 一( z 咖了1 8 0 ) 2 2 2 3 实际实部虚部计算 一旦阻抗的幅值i z l 和相位伊被正确的计算， 部阻抗分量，如下式所示： 实部阻抗分量：乙= i z l x c o s p 虚部阻抗分量：z i = l z l s i n q , 便可以计算实部阻抗分量和虚 公式( 2 9 ) 公式( 2 1 0 ) 天津大学硕士学位论文第三章管道防腐层阻抗测量系统实现 第三章管道防腐层阻抗测量系统实现 3 1 测量系统硬件设计 3 1 1 硬件系统总体设计 该系统是由单片机控制，基于a d 5 9 3 3 的管道防腐层阻抗测量系统。单片机 选择a t 公司的a t 8 9 s 5 2 。单片机和a d 5 9 3 3 通过1 2 c 实现通讯，单片机负责设 置a d 5 9 3 3 的工作模式，控制测量过程，读取测量结果，并通过串口将测量结果 传输给p c 机。 系统采用u s b 供电，在v i n 和v o u t 之间接入待测电阻，测量之前先大致 估计一下待测电阻的范围，然后选择相应电流电压转换电阻。将扫描频率施加在 未知的阻抗上，响应信号被a d c 采集，a d c 的输出送到片内d f t 模块进行数 字处理，提取出其实部和虚部，单片机将a d 5 9 3 3 测量得到的阻抗的实部和虚部 通过串口传到上位机，上位机经过计算和校准得到准确的阻抗值。系统硬件结构 框图如图3 1 所示。 t t ，一、 v o u “ 。l 数字频率合成器 - 卜囊蠹p 吣l 可编簪磐謦大器 7 i( d i ) s ) 。l 竺竺! l p g a l 振荡器 7 一一 s c l 1 t 接口卜一温度传感器 微控制嚣 $da- “u 。：。 i上位机 | 实部寄存器| i 虚部寄存器l 离散傅里叶变换 鏊嚣 卜一 低遥滤波嚣 ( 1 0 2 4 点d f n ( l p f ) p 一 增益放大嚣 图3 一l 系统硬件结构框图 1 9 天津大学硕士学位论文第三章管道防腐层阻抗测量系统实现 3 1 2a t 8