（机械制造及其自动化专业论文）埋地钢质管道管中交流电流检测技术研究.pdf

摘要 捅要 管道作为输送石油、燃气等能源的安全经济的手段在世界各国得到广泛应 用。由于管道自然寿命的下降和人为因素的破坏，一旦发生泄漏事故，将给国家 和人民财产造成重大损失以及人员伤亡和环境污染。及时准确地检测和了解管道 运行的状况，掌握长输管道整体与局部失效模式，对提高管道腐蚀及防护状况评 价的有效性、准确性和科学性都是十分重要的。埋地钢质管道管中交流电流检测 方法是一种应用电磁方法探测管体腐蚀情况及外防腐层破损状况，能实现埋地管 道的不停输、非开挖检测，维护长输管道运行的连续性和可靠性。但在检测过程 中，管中电流的传输容易受到管体本身及外界环境等因素的影响，增加了对管道 整体运行状况评价的复杂性。因此，研究和掌握埋地钢质管道管中交流电流的传 输规律，有效排除相关干扰因素的影响，对提高管道检测的精度和可靠性具有重 要的意义。 在研究国内外大量文献基础上，建立了管地回路系统的数学模型，提出了埋 地钢质管道管中交流电流的线传输理论公式，研究了交流电流在埋地钢质管道中 的传输规律，确定了影响管地系统的基本参数。在依托中国特种设备检测研究院 压力管道部工程实践与现场试验的基础上，验证了该传输规律的正确性，并研究 了不同管径、管道外防腐层、土壤电阻率( 管道途径地区) 对于管中交流电流传 输的影响规律。 此外，研究了地下金属构筑物和高压输电线路等常见典型的影响交流电流信 号在地表采集的规律，通过对最先进的管中交流电流信号衰减防腐层检测技术分 析，综合运用信号处理技术、去噪技术及统计分析技术，并结合小波函数的特点 和m a t l a b 工具箱，研究了管中交流电流信号检测量的有效分离和提取技术，还 原了真实信号数据，并对管体缺陷进行了准确定位，工程实践表明，效果良好。 最后，在上述研究基础上，开发了埋地钢质管道覆盖层质量状况评价系统 软件，实现了对检测管道基本信息的管理和查询，实现了信号的处理和缺陷定位， 以及管道外覆盖层电阻率( r g ) 的计算功能，并通过工程应用，验证了软件的 正确性、适用性和可靠性。 关键词：埋地钢质管道；交流电流；检测技术；小波；外覆盖层绝缘电阻率 北京t 业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p i p e l i n e ，as e c b i ea n de c o n o m i cm e a n so ft r a n s p o r t i n go i la n dg a si nl a r g es c a l e ，i sm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d d u et ot h en a t u r a ll i f ea n dh u m a nf a c t o r , l e a k i n ga c c i d e n t s t a k ep l a c ef r e q u e n t l y , c a u s i n gg r e a te c o n o m i cl o s s ，p e r s o n n e lc a s u a l t i e sa n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n s i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot i m e l ya n da c c u r a t e l yd e t e c ta n dk n o wt h er u n n i n gc o n d i t i o n s ，t o f o r e c a s tt h ew h o l ea n dp a r te x p i r a t i o nm o d eo ft h el o n gp i p e l i n e i m p r o v i n ge v a l u a t i o ne f f i c i e n c y , a c c u r a c ya n ds c i e n t i f i c a l n e s so fp i p e l i n e se r o s i o na n dp r o t e c tc o n d i t i o na l s oh a sg r e a ti m p o r t a n c e a l t e r n a t i n gc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o di n b u r i e ds t e e lp i p e l i n e ，aw a yo fd e t e c t i n ge r o s i o n c o n d i t i o na n de x t e r n a lp r o t e c t i n gc o a t i n go fp i p ed a m a g e dc o n d i t i o nu s i n gm a g n e t i cm e t h o d ，c a n r e a l i z et h eu n s t o p p e dt r a n s p o r t a t i o na n dn o n e x c a v a t e dd e t e c t i o no fb u r i e dp i p e l i n ea n dm a i n t a i n t h eo p e r a t i o n a lc o n t i n u i t ya n di n t e g r a l i t yo fl o n gp i p e h o w e v e r , d u r i n gi nt h ed e t e c t i o nc o u r s e ， t h e c o m p l e x i t yo fo p e r a t i o n a le v a l u a t i o no ft h ew h o l ep i p ew a si n c r e a s e df o rt h a tt h e t r a n s p o r t a t i o no fc u r r e n ti nt h ep i p ei se a s yt ob ei n f l u e n c e db ys o m ef a c t o r s ，s u c ha sp i p eb o d y i t s e l fa n de x t e r n a le n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，f o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fp i p e d e t e c t i o n ，i ti sc r i t i c a lt os t u d ya n dm a s t e rt h et r a n s p o r t a t i o nl a wo fa l t e r n a t i n gc u r r e n ti nt h e b u r i e ds t e e lp i p e ，a n dt oe r a d i c a t et h ei n f l u e n c eo fc o r r e l a t e di n t e r f e r e n c ef a c t o r s b a s e do ns t u d y i n gg r e a td e a lo fi na n da b r o a dd o c u m e n t s ，t h et h e s i s ，i nw h i c ht h el i n e a r t r a n s p o r t a t i o nt h e o r yf o r m u l ao fa l t e r n a t i n gc u r r e n t i nt h eb u r i e ds t e e lp i p ei s p r o p o s e d ， c o n s t r u c t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep i p e - e a r t hr e t u r nc i r c u i ts y s t e m f u r t h e r m o r et h et h e s i s d i s c u s s e da b o u tt h et r a n s p o r t a t i o nl a wo ft h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ti nt h eb u r i e ds t e e lp i p ea n d d e c i d e df o u rb a s i cp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ep i p e e a r t hs y s t e m b a s e do nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n dl i v ee x p e r i m e n ti nt h ep r e s s u r ep i p ed e p a r t m e n to fc h i n as p e c i a le q u i p m e n td e t e c t i o n i n s t i t u t e ，t h ea c c u r a c yo ft h et r a n s p o r t a t i o nl a wh a sb e e nv e r i f i e da n dt h ei n f l u e n c eo n t r a n s p o r t a t i o nl a wo fa l t e r n a t i n gc u l t e n ti nt h ep i p ec a u s e db yd i f f e r e n tp i p er a d i u s ，e x t e r n a lp i p e p r o t e c t i n gc o a t i n ga n ds o i lr e s i s t a n c er a t e ( d i s t r i c tt h ep i p ep a s s i n gb y ) w a sd i s c u s s e d t h el a wo ft h ei m p a c to ns u r f a c ec o l l e c t i o no fa l t e r n a t i n gc u r r e n ts i g n a l s ，w h i c hi sc a u s e db y s o m ec o m n l o na n dt y p i c a lt h i n g ss u c ha su n d e r g r o u n dm e t a ls t r u c t u r e sa n dh i g h - v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e s ，w a sf t r s f l ys t u d i e di nt h et h e s i s a f t e rt h a t ，t h et h e s i ss y n t h e t i c a l l yu s e d s i g u a l - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , n o i s ee l i m i n a t i n gt e c h n o l o g ya n ds t a t i s t i c a la n a l y s i st e c h n o l o g y t h r o u g ha n a l y z i n gt h em o s ta d v a n c e da a e n u a t i o np r o t e c t i n gc o a t i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo f a l t e r n a t i n gc u r r e n ti np i p e c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e tf u n c t i o na n da p p l i c a t i o n o fm a t l a bt o o l b o x ，t h ee f f e c t i v es e p a r a t i o na n de x t r a c t i o nt e c h n o l o g yo fa l t e r n a t i n gc u r r e n ts i g n a l d e t e c t i o nv a l u ew a ss t u d i e d ，r e a ls i g n a ld a t aw a sr e s t o r e d , a n da l s op i p eb o d yd e f e c th a sb e e n a c c u r a t e l yl o c a l i z e d a l l t h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v eh a v e b e e na p p r o v e dp r e t t yw e l lb y a b s t r a c t e n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t s t h et h e s i sd e v e l o p e dt h eo p e r a t i o n a ls o f t w a r eu s e df o re v a l u a t i n gq u a l i t yc o n d i t i o no ft h e b u r i a ls t e e lp i p ec o a t i n g t h em a n a g e m e n ta n di n q u i r yo fb a s i si n f o r m a t i o na b o u td e t e c t e dp i p e s ， t h es i g n a lp r o c e s sa n dd e f e c tl o c a l i z a t i o n ，a n dc a l c u l a t i o nf u n c t i o no fi n s u l a t i o nr e s i s t a n c er a t eo f e x t e r n a lc o a t i n gh a v eb e e nr e a l i z e di nt h et h e s i s f u r t h e r m o r e ，t h ea c c u r a c y , a p p l i c a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yh a v eb e e nv e r i f i e db yt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：b u r i e ds t e e lp i p e l i n e ；a l t e r n a t i n gc u r r e n t ；d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ；w a v e l e t ； i n s u l a t i o nr e s i s t a n c er a t eo fe x t e r n a lc o a t i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 盛名：刍垂垫导师签名：趁堡 日期：堂：坐：兰墨 第1 章绪论 ! 曼! 皇曼皇曼量曼曼皇曼皇皇曼曼曼量置曼曼曼曼皇量曼曼曼皇! ! 鼍曼! 鼍皇皇曼i ii i 皇! 鼍曼曼! 曼曼晕曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着我国能源结构的变革和能源需求的增加，石油、天然气在我国能源需求 中逐年增加。管道作为输送石油、燃气等能源的安全经济的手段在世界各国得到 了广泛的应用。与其它运输方式相比，管道运输具有连续运输，输送量大、投资 省、见效快、安全密闭、损耗小和效率高等突出优点【1 1 。一个国家油气管道的发 展与国家油气工业的发展程度和发展结构密切相关 2 1 。因此，管道运输业越来越 得到各国重视，被称为国家的生命线。 我国自1 9 5 8 年第一条长输石油管道建成以来，截止到2 0 0 6 年底，中国长输 油气管道总长度己超过5 万公里，其中天然气管道3 万公里，原油管道1 5 万公 里，成品油管道1 5 6 万公里，形成了初具规模的跨区域的油气管网。“十一五” 期间中国将继续新改扩建油气管道1 4 万公里，包括川气东送、西气东输二线、 中俄原油管道等，油气管道业已经成为我国五大运输行业之一 3 ，4 】。 然而随着管道的长时间运营损耗、设备的自然老化、地理和气候环境的变化 以及人为损坏等原因，泄漏故障时有发生，给国家和人民的生命、财产及生存环 境带来了极大的危害，同时也造成了严重的资源浪费。1 9 7 0 年至1 9 9 2 年，美国 共发生油气管道事故9 0 0 0 多起，平均每年4 0 0 多起；1 9 8 1 年至1 9 9 6 年，前苏 联发生输气管道事故7 5 2 起：近2 0 年间，加拿大发生油气管道事故8 0 0 多起。 其中，损失最惨重的是1 9 8 9 年发生在前苏联境内的输气管道爆炸事故，有8 0 0 多人葬身火海。我国管道安全形势也相当严峻，1 9 9 5 年1 月3 日，济南市和平 路中压煤气管道破裂，泄漏煤气进入电缆沟内并起火爆炸，造成1 3 人死亡，4 0 多人受伤，2 2 公里长路段的人行道和部分路面遭到不同程度的破坏，直接财产 损失4 2 9 1 万元；1 9 9 9 年1 2 月8 日，西安市莲湖路古都大酒店门前非机动车道 地下天然气管道发生爆炸，2 0 0 米的路面被强大的冲力炸开，造成1 5 人受伤， 并且导致大面积停电，直接经济损失3 0 0 余万元；2 0 0 0 年1 月2 8 日，广西贵港 市城区富士花园至港北区公安分局南梧公路段发生地下油气管道爆炸事故，造成 8 人当场死亡、1 6 人受伤，公路严重损坏；2 0 0 3 年8 月2 1 日上午，深圳市福华 三路发生煤气管道连环爆炸，造成9 人受伤，直接经济损失约9 0 万元。 因此，为确保管道的安全运行，应及时准确地检测和了解管道运行的状况， 掌握长输管道整体与局部失效模式，提高管道腐蚀及防护状况评价的有效性、准 确性和科学性，以最大限度地减少经济损失和环境污染。同时，国内外相关法规 标准也提出了压力管道定期检测评价的要求【5 5 5 】。 对于管体的检测，国内外提出和发展了许多检测技术和方法，主要可分为直 北京t 业大学工学硕士学位论文 流法和交流法两大类 6 ，5 6 1 。埋地钢质管道管中交流电流检测方法是一种应用电磁 方法探测管体腐蚀情况及外防腐层破损状况，能够实现埋地管道的不停输、非开 挖检测，维护了长输管道运行的连续性和可靠性。但在实际检测过程中，管中电 流的传输会受到管体本身、外防腐层及周围土壤环境的影响，同时地表检测信号 还会受到地下金属构筑物、高压输电线及地下杂散电流等因素的影响，增加了对 管道整体运行状况评价的复杂性。因此，研究和掌握埋地钢质管道管中交流电流 的传输规律，去除相关干扰因素的影响，对提高管道检测的精度和可靠性具有重 要的意义。 1 2 埋地管道管中交流电流技术研究现状 1 2 1 埋地钢质管道管中交流电流传输规律研究 z s i g m o n dm p a l 等人在1 9 8 9 年基于电磁原理【7 朗，将埋地管道、外覆盖 层与大地作为整体，针对埋地钢质管道提出并建立了线传输理论模型，如图1 1 和图1 2 所示。 嗝蜀 埋深 髓外髓层 矿茂 图1 1 埋地管线横截面 f i g 1 - 1t h ec r o s s - s e c t i o no f b u r i e dp i p e l i n e - ：一r l 图1 2 传输线微段模型 f i g 1 - 2m i c r os e g m e n tm o d e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e 天津大学倪世坤进一步发展了上述理论，针对外防腐层质量的整体评价，得 出了防腐层绝缘电阻值的计算方法及一次参数计算方法，并编制了实用化的管道 防腐层检测及管道管理系鲥9 1 。 十五期间，在上述线传输理论基础上，由中国特种设备检测研究院、北京工 业大学等单位参与的国家“十五”科技攻关课题中，将推导出的外覆盖层电阻率 第1 苹绪论 r g 值作为管道安全评价的重要标准，并形成了城市埋地钢质管道三层p e 与沥 青外覆盖层安全质量状况检测与分级评价标准草案。 通过建立灰色关联分析模型【10 1 ，计算电流电压衰减率与埋深、土壤电阻率、 杂散电流、管地电位、外覆盖层电阻率的灰色综合关联度，实现了各影响因素对 电流电压衰减率的影响度大小的定量分析。 文献 1 0 还讨论了以每立方米电流的衰减值( d b m 3 ) 来评价同一外覆盖层、不 同管径管道的外覆盖层评价方法，制定了统一的分级评价标准，相同状况的外覆 盖层对于不同的管径也可以得到相同的泄漏量，能更加准确地反映外覆盖层的状 况，消除了管道直径的影响。 1 2 2 地表电流信号的采集 1 2 2 1 信号采集模型 埋地钢质管道在通入交流电流后，会在管道的周围形成交变的环形磁场，可 以在地表用探测线圈去感应这个磁场的强弱，来反映地下管线中电流和电压的大 小【l l 】，探测模型如图卜3 所示。 图1 3 地表交流信号提取模型 f i g 1 3a l t e r n a t i n gc u r r e n ts i g n a le x t r a t i n gm o d e lo nt h es u r f a c e 由毕奥沙伐尔定律可知探测线圈中感生电动势的有效值为： 乒裟扩= 糍 ( 1 ) 式中 r 探测线圈的匝数； s 探测线圈的横截面积( c m 2 ) ； r 、z 探测线圈的位置( m ) ； 鳓真空磁导率； ，管中电流大小( m a ) ； 北京工、出大学工学硕十学位论文 缈信号频率( h z ) 。 对于相同的磁场，场强大小与离场源的距离成反比，接收机的上下两个线圈 可同时测得两个信号的大小，以此得到管线埋深。测深模型【1 2 1 如图1 - 4 所示，e t ， e b 分别为上下线圈产生的感应电动势，x 为两个线圈间距离，i 为管中电流。 k 五 e t - ( a 与 j l e b 一! 一、川f j j ， 一 d 孓 图1 4 测深模型 f i g 1 - 4t h ed e p t hm e a s u r e m e n tm o d e l 1 2 2 2 检测方法 根据管道在运行过程中受到内、外两个环境的腐蚀情况，管道检测技术可以 分为内检测( 智能检测) 和外检测( 涂层检测) 两种。随着计算机技术的广泛应 用，国内外检测技术都得到了迅猛发展。根据论文的研究内容，这里主要介绍管 道外检测技术( 外腐蚀防护检测) 。管道外检测技术的目的是在检测涂层及阴极 保护有效性的基础上，通过挖坑检测，达到检测管体腐蚀缺陷的目的，对于目前 大多数不具备内检测条件的管道是十分有效的【5 0 5 4 1 。 管道外腐蚀检测可以分为开挖检测和非开挖检测，地面开挖检测能最直接、 客观的反映出涂层的腐蚀状况，也能验证地面非开挖检测的准确性，同时也是对 非开挖部分进行校验。由于开挖检测受到各种实际情况的制约与限制，对管道的 外腐蚀检测主要借助于各种检测仪器在地面进行无损检测。对管道的非开挖检 测，主要是对覆盖层绝缘参数的检测。反映阴极保护电流密度的覆盖层参数称为 覆盖层绝缘性能参数【6 】，即覆盖层电阻率，单位为q m 2 ( 泄露电导单位为倒数) 。 关于这一参数的测试方法，国内外有许多文献进行了报道【1 3 1 7 】，归纳起来，有 直流法和交流法两大类。常用的管道外腐蚀检测技术交流方法有以下几种： 1 ) 多频管中电流法( p c m ) 多频管中电流法亦称交流电流梯度法，是通过埋地管道的某一点向管道供入 交流信号，当信号电流在埋地管道中流动时，周围便产生相应的电磁场，它与管中 第1 苹绪论 电流的大小成正比，从地表的磁场分量可准确测定管中信号电流的大小【1 8 】。 交流电流梯度法分为定量检测和定性检测。定量检测是通过对管线防护层绝 缘电阻值的测量，来判断防护层的优劣以及防护层老化、剥落、损伤等缺陷的程 度；定性检测是用来定位防护层破损点位置【1 9 】。 如图卜5 所示，对直线管道及较长的管道，检测电流i 沿管线流动时随距离x 的增加而有规则地衰减，并满足关系式： i = i o e 一“x ( 1 2 ) 式中 厶信号供入点的电流( m a ) ； 口衰减系数，它与管道的电特性参数管道的纵向电阻r ( q 聊) 、 横向电导g ( 1 ( q m ) ) 、管道与大地之间的分布电容c ( ，m ) 、管道的自 感l ( m h m ) 密切相关，它还可用电流变化率y ( d b m ) 来表示： 】，：8 6 8 6 口：! 坐二垒( 1 - 3 ) 爿2 一爿1 式中 y 电流变化率，可通过测定管道上方一系列五( m ) 点上的电流l ( a ) 而获得； 电流梯度值，= 2 0 1 0 9 i k ，k 为常数。 r 舒卜口 么舔 里地管道 覆盖层漏点 ? j 一j ? jj r 一，l 一i j i 1 ii j 一1 、，。，。，1 、，- 图卜5p c m 法检测原理 f i g 1 - 5t h e d e t e c t i o np r i n c i p l eo fp c m 通过测量结果可绘制出一彳和】，一x 曲线。当防护层有破损时，部分电流 将从该处流入土壤，匕一z 有异常衰减，在y x 曲线上出现明显的脉冲，如图 1 - 6 所示，从而判定此处为破损点。 利用p c m 探测仪中的a 字架( 电位梯度法，地表电位差零值点) 可精确定位 破损点的位置。 北京工业大学工学硕士学位论文 图卜6 一x 与】，一石曲线 f i g 1 - 6 t h ec u r v eo fl n - xa n dy x 2 ) 皮尔逊法 皮尔逊法是在金属管道上加一交流信号，当管道防腐层有破损时，该处电流 将通过露点流向大地，然后沿地线返回信号源，形成回路电流。此时，电阻值下 降，露铁点电流在地面上形成一定的电位分布，正对露铁点处电位梯度最大，电 位发生突变，从而找到露点位置。通过电位衰减数值大小，可判断露点的大小 2 0 1 。 皮尔逊法的检测原理，如图1 - 7 所示。 图卜7 皮尔逊原理图 f i g 1 7t h ep r i n c i p l eg r a p ho fp e a r s o n 皮尔逊法能精确定位防腐层破损的位置，但不能准确判断破损点的大小，不 能检测防腐层的优劣以及防腐层的剥离；适于埋深小于3 m 各种直径的输油、气、 水的地下管，不适于局域性管网，对水泥或沥青路面存在“接地难”问题。但皮 尔逊的信号检测灵敏度较高，位置偏差较小，检测速度快，不受阴极保护系统的 影响。 3 ) 变频一选频法 变频选频法 2 卜2 5 1 是东北输油管理局和邮电部第五研究所经多年研究和实践 取得的一项研究成果，也是通过计算管道防腐层的绝缘电阻来评价防腐层的整体 状况。目前已经研制出与变频选频法配套使用的专用管道防腐层绝缘电阻测量 第1 罩绪论 仪( a y - 5 0 8 型系列) ，它的基本原理是把埋地管道视为单线大地信号通道，经 过大量的数学推导得出防腐层绝缘电阻在交频信号沿单线大地传输方程中传播 常数的实部中。当防腐层材料、结构、管道材料等参数为已知时，防腐层绝缘电 阻就可以计算出来了。经过理论推导，建立了下列数学模型： = ( z 1 x z 2 艺+ r e l z ) 2 ( 1 4 ) = ( 2 l l n l v o l l v = ，2 l ( 1 - 5 ) 式中，1 传播常数实部； z l 横向阻抗实部； z r 横向阻抗虚部； y l 纵向导纳实部； y 卜纵向导纳虚部； z i 纵向阻抗模值： i 习横向导纳模值； 被测管道长度； y l 广埘测管段末段电位； 珩一输入信号电位。 其中 x ：i 2 n i ( 了b _ - 忑a ) + 缈c 留万+ j ，、c ( 1 - 6 ) o 1 一一1 - w l y c ，1 - 1 rh 1 ( 6 口1 。 式中融一直流漏电流引起的漏电阻，即管道绝缘电阻； 口管道外半径( 含防腐层) ； 卜金属管外径： 攻卜- 角频率； c l 一防腐层横向电容； 辔江防腐层绝缘材料损耗角正切。 测量出l 、h 2 的值，由式( 1 5 ) 求出，1 带入式( 1 - 4 ) ，再将式( 1 4 ) 代入式( 1 6 ) ，即可计算出管道绝缘电阻( r ) 。 变频选频法的优点：利用长输管道每公里所设的测试桩，现场应用方便，检 测速度较快，不受测量管段外有无分支或绝缘法兰的影响，不用断开阴极保护电 源，而且测试距离长，能够对测量管段进行绝缘电阻率的综合评价。 变频选频法的缺点：只能测试一段距离管线的防腐层绝缘电阻率，无法准确 确定破损点的位置。由于该方法计算中需要一些原始参数，如土壤介电常数、土 壤电阻率等，标定较为困难，使最后测量结果误差加大。采用高频信号检测显然 易受其他信号的干扰，故不适宜用于分布比较复杂的城市管网检测。变频选频法 北京工业大学t 学硕士学位论文 检测示意图，如图1 8 所示。 = g 图1 - 8 变频选频法示意图 f i g 1 - 8d i a g r a m m a t i cs k e t c ho ff r e q u e n c yc o n v e r s i o ns e l e c t i o nm e t h o d 1 2 2 3 检测信号的影响因素 影响埋地管线检测信号的因素很多，诸如发射场源、管道位置、测试距离、 管道直径、管道外覆盖层绝缘电阻率、破损点在管道位置的影响、漏铁面积大小、 土壤介电常数、载流管线、拾取信号极间距离、接受信号方式、泄漏介质连接方 式、管道材质、检测管道长度、回路状况等，这些因素或多或少的都对检测信号 产生影响。 1 ) 地下相邻管线的干扰 在城市基础建设中，由于“公共走廊”的存在，大量的管线被放在一起，这 样使得待测管线更容易被相邻管线产生的二次场所干扰。如图卜9 所示，检测点 的信号为实测信号与干扰信号的叠加。 检测点 待 图1 - 9 相邻管线干扰模型 f i g 1 - 9t h ei n t e r f e r e n c em o d e lo fa d j a c e n tp i p e l i n e 2 ) 相邻高压输电线干扰 高压输电线中电流辐射产生的工频电磁场会对附近的埋地管线感应出交流 电压，并引起交流腐蚀。由于“公共走廊 的存在，强电线路对埋地管道存在交 第1 苹绪论 流干扰【2 6 】。这些干扰因素主要有： 电容影响 电容影响主要产生在施工期间，若已埋地或放在地上及沟里这一影响可忽略 不计。 电阻影响 通过干扰源接地装置处的电压等电位线形成的电压( 漏斗) 井，即通常所说 的地中位升，从而导致管道本身的电压可能发生改变。 感应影响 当电流在一条相导线中流动时，在导线周围产生磁场，该磁场同时存在于空 气和邻近大地中。导线中流动的交变电流产生的磁场不是静止的，它是以交流系 统的固有频率为函数的速度沿导线横向向外扩张，这些收缩与扩张的磁力线不断 “切割”钢质管道，从而在管道中产生电流或电压，如图1 1 0 所示。 高压线 线 图1 1 0 高压线干扰示意图 f i g 1 10t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g hv o l t a g ew i r ei n t e r f a c e 3 ) 杂散电流干扰 设计或规定的回路以外流动的电流称为杂散电流。通常有以下几类，如图 1 1 1 所示。 北京t 业大学工学硕十学位论文 图1 1 1 杂散电流分类 f i g 1 iit h ec l a s s i f i c a t i o no fs t r a yc u r r e n t 其中，对埋地钢质管道影响最为普遍且最严重的就是直流电气化铁路系统 2 6 】，干扰示意如图1 1 2 所示。 接触轨 cj 审 屯轨 广j t。么众。 、 图1 - 1 2 电气化铁路干扰不恿图 f i g 1 12t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yi n t e r f a c e 假定土壤介质均匀，土壤电流分布也相对均匀，那么管道中电流密度z 和土 壤中电流密度厶有： 五：旦：一4 p 0 8 ( 1 - 7 ) 厶rd 岛 式中冠管道电阻( q ) ； 第1 章绪论 r 土壤电阻( q ) ； 扁土壤电阻率( q c 肌) ； 届管道电阻率( q c m ) ； 万为管道壁厚( c 聊) ； d 为管道外径( c 研) 。 土壤电阻率远大于钢电阻率，故大部分电流已不在土壤中流动，而沿管道流 动。杂散电流等于负荷电流与行轨电流之差【2 7 1 ，即 渺= 厶 一掣 m 8 ， 七：r( 1 - 9 ) v 名 式中，轨道电阻( q ) ； 名为轨对地过渡电阻( q ) ； 厶负荷电流( i i a ) ； f ( 功行轨电流( i n a ) 。 大地中若存在大量杂散电流，必然会引起大地电位梯度的变化【2 6 1 ，从而对埋 地管道管中交流电流的传输和地表信号的采集产生影响，因此，需要采取防护措 施和及时排流。 1 3 课题来源 论文课题来自国家“十一五 科技支撑计划课题“生命线工程安全保障关键 技术研究及工程示范”的“在用埋地钢质管道外腐蚀检测( 不开挖) 评价关键技 术研究”专题的“埋地钢质管道管中交流电流与直流电位分布测试技术研究 子 专题( 2 0 0 6 b a k 0 2 8 0 1 ) 。 1 4 课题主要研究内容 ( 1 ) 在研究国内外大量文献基础上，建立管地回路系统的数学模型，提出 了埋地钢质管道管中交流的线传输理论公式，研究交流电流在埋地钢质管道中的 传输规律，确定影响管地系统的基本参数。依托中国特种设备检测研究院压力管 道部工程实践与现场试验基础上，验证该传输规律的正确性。 ( 2 ) 研究不同管径、管道外防腐层、土壤电阻率( 管道途径地区) 对于埋 北京工业大学工学硕十学位论文 地钢质管道管中交流电流传输规律的影响。 ( 3 ) 研究地下金属构筑物和高压线等常见典型的影响交流电流信号在地表 采集的规律。 ( 4 ) 通过对管中交流电流信号衰减防腐层检测技术分析，综合运用信号处 理技术、去噪技术及统计分析技术，并结合小波函数的特点和m a t l a b 工具箱的 应用，研究管中交流电流信号检测量的有效分离和提取技术，还原真实信号数据， 并对管体缺陷进行了准确定位。 ( 5 ) 开发埋地钢质管道覆盖层质量状况评价系统，实现对检测管道基本信 息的管理和查询，实现信号的处理和缺陷定位，以及管道外覆盖层电阻率( r g ) 的计算功能。 1 5 本章小结 本章首先介绍了埋地钢质管道检测的研究背景，指出了管中交流电流检测技 术研究的重要意义，分析了管中交流信号的传输规律及相关影响因素，简述了地 表电流信号的采集模型和各种不同的检测方法，以及影响信号检测的各种因素。 此外，对论文的主要研究内容进行简要说明。 第2 章埋地管道管中交流电流信号传输理论研究 第2 章埋地管道管中交流电流信号传输理论研究 2 1 概述 随着国家经济的快速发展，对埋地管道检测提出了更高的要求( 高精度，高 效率) ，然而现有的检测方法在操作上均较为复杂。本文所采用的方法是发射某 一频率的正弦交流电流信号于埋地管道和大地之间，在管道上方地面任意一点， 用探测线圈去感应待测管道中感应电流产生的磁场强弱来确定这一点管道中电 流的大小。如果管体发生破损，管中电流会泄漏到大地中，磁场会产生波动，以 此来评价管体质量。在综合考虑了管道直径、防腐层材料及防护状况、土壤等影 响管中电流传输的因素后，将线传输理论应用到此管道一大地回路传输系统研究 中，以期达到提高管道检测精度和效率的目的。 2 2 建立埋地钢质管道线传输理论模型 当在管道和大地之间施以交流信号时，假设管道防腐层完好，由于管一地之 间的弱耦合，使管一地体系可以看成是一个相对均匀的传输线路。取长输管道一 段微段，如图2 1 所示，建立如下分布参数模型。 v izjvl z j 十d vk z ) l 一 - _ z _ - d 一 一一口j 】- z q 乒、，。脚 i ( z ) + d i ( z ) l 管道金属 d z 7 y ，7 ，一 一9 司j w 二e j - 目o 目叫 。 管道涂层 - j ： 图2 - 1 埋地管道微段模型 f i g 2 1m i c r o - s e g m e n tm o d e lo f b u r i e dp i p e l i n e 在一定的测量范围内，管道和土壤可以看成是均匀的，即管地体系的单位长 度纵向分量阻抗和横向分量导纳不变。取其中的微段d z ，当d z 的长度远小于信 号的最短波长时，在这一小段上的电路参数的分布性可以忽略，可以用一个等效 的集中电路参数来代替，如图2 - 2 所示。 北京工业大学工学硕七学位论文 i ( z ：f )i ( z + 止，t ) ，-一 图2 2 线元d z 的集总参数等效电路 f i g 2 - 2l u m p e dp a r a m e t e re q u i v a l e n tc i r c u i to f l i n ee l e m e n td z 在图2 2 中，r 为管地系统的电阻，它由两部分组成，即管体本身电阻和大 地内阻；l 为回路中电感；g 为管地电流的泄漏而产生电导；c 管地之间由于覆 盖层的存在而形成电容。 根据基尔霍夫定律有： k + 止) 叫z 力：一r a z i ( z , t ) 一工z 掣 泼 ( 2 1 ) l f ( z + z ) - i ( 叫) ：一g a z v ( z , t ) 一弛掣 l u l 将上式两边同除以应，并取l i r n a z 寸0 ，可得传输线方程： l i mv ( z + a z ) - v ( z ) ：o v ( z , t ) ：一r i + 三空 a z - - o a zg za ( 2 2 ) 鹄学二型3 z = 一g v + c 塑o t 位卅 & 受积分边界条件的限制，一般很难精确求解，故采用近似假定和数值分析相 结合的方法。 假设分布参数r 、l 、c 和g 为不随位置变化的均匀传输线稳态情况，此时 因此，可得 o v _ ( - z , t ) = 一( 尺+ _ ，国l ) i ：一z f ( z ) 亿 a i ( - z , t ) ：一( g + j 缈c ) v = - y v ( z ) o z 其中，z 为串联驻抗，z = r + j c o l ；y 为并联导纳，y = g + j c o c 。 用代入法，得二阶微分方程为 ( 2 4 ) 协 妙叫 0 力 呻眯 = = 删 第2 章埋地管道管中交流电流信号传输理论研究 i!_ii iii i_i 加椰( 加o ( 2 - 5 ) i 厂( z ) 一z y i ( z ) = 0 其通解为 jy ( z ) = 4 p _ + 4 严( 2 - 6 z ) j 【f 【z ) 5 ( z ) 膨。 式中，4 、4 为待定系数，由边界条件决定。其中 口= 压亨= ( r + j c o l ) ( g + j c o c ) z 0 = 万= ( r + j c o l ) g + j c a c 设输入端的电压和电流为z o 和z o ，距离输入端为z 处的电压和电流为圪和 t 。代入上式可得 f y ( z ) = 圪= 4 p 一+ 4 p 口： 卜母扣审， 眈彳 故，4 = 半严4 = 半g 一 将4