（检测技术与自动化装置专业论文）基于阴极保护技术的长输管道安全预警技术的研究.pdf

摘要 基于阴极保护技术的长输管道安全预警技术的研究 摘要 油气资源的开发以及能源市场的急增，使得管道运输在世界范围内得 到了飞速发展，已经成为国民经济的命脉。由于世界上的管道半数以上运 行时间超过了3 0 年，我国的长输管道也大多投产2 0 年以上，根据国内外 管道运行经验可以知道，此时的管道涂层逐渐进入事故高发期。阴极保护 作为保障长输管道安全运行的重要手段，其保护电位是判断管道保护是否 成功的依据之一，因此对阴极保护电位的监测和预警非常重要。 本文研究的基于阴极保护电位的长输管道安全预警系统，由高精度、 超低功耗、具有g p r s 通信功能的阴极保护电位无线遥测模块和中心监控 站组成：通过无线遥测模块自动采集管道沿线各测试桩上的阴极保护电 位，由g p r s 无线传输方式远传至中心监控站，对管道保护电位分布曲线 进行逐段拟合，通过与理想电位分布曲线的比较及单点保护电位的趋势提 取，实现对阴极保护状态下管道的安全预警和管道防护态势的预测。 现场实验表明，该系统工作可靠、测量精确，能够实现阴极保护电位 的网络化无线实时监测和长输管道的安全预警及定位，从而提高在役油气 管道的阴极保护管理水平，确保管道的安全运行。 关键词：阴极保护，无线遥测，安全预警，缺陷定位 北京化工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns a f e t ye a r ii y w a r n i n g t e c h n o l o g yo fl o n gt r a n s p o i u p i p e l i n eb a s e o nc a t h o d i cp r o t e c t i o nv o m g e a b s t r a c t a st h ee x p l o i t a t i o no fo i la n dg a sr e s o u r c e sa n dt h ei n c r e a s i n go fe n e r g y m a r k e t ，t h et r a n s p o r tp i p e l i n eh a sm a d e ar a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ew o r l da n d b e c o m et h el i f e b l o o do ft h en a t i o n a le c o n o m y b e c a u s em o r et h a nh a l fo f p i p e l i n eo f t h ew o 订dh a sb e e ni ns e i c ef o rm o r et h a n3 0y e a r s ，a n dt h el o n g t r a n s p o r tp i p e l i n e i nc h i n ah a sa l s ob e e nm nf o rm o r em a n2 0y e a r s a c c o r d i n gt ot h ep i p e l i n eo p e r a t i o ne x p e r i e n c eo fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l r e s e a r c h ，1 0 t so fp o t e n t i a la c c i d e n t sm a yh 印p e nt o t h ep i p e l i n ec o a t i n ga t p r e s e n t c a t h o d i cp r o t e c t i o ni s o n eo ft h em o s ti i n p o r t a n tm e t h o d st om a k e 1 0 n gt r a n s p o r tp i p e l i n ew o r ks a f e l y t h ec a t h o d i cp r o t e c t i o nv o l t a g ei s o n e p a r 锄e t e rt oj u d g ew h e t h e rt h ep i p e l i n ei s u n d e rp r o t e c t i o n ，s om o n i t o r i n g c a t h o d i cv o l t a g eo nr e a l t i m ea n dr e a l i z i n ge a r l y - w a m i n gf o rl o n gt r a n s p o r t p i p e l i n ei sv e r yi m p o n a n t a s a f e t ye a r l y - w a m i n gt e c h n o l o g yf o rl o n gt r a n s p o r tp i p e l i n eb a s e do n c a t h o d i cp r o t e c t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i tc o n s i s t so fw i r e l e s sr e m o t e m e a s u r em o d u l ew i t hh i g h - p r e c i s i o n ，1 0 w p o w e rc o n s u m p t i o na n dg p r s c o m m u n i c a t i o na n dt h em o n i t o r i n gc e n t e r i tc a nw i r e l e s sr e m o t em e a s u r e i i 摘要 c a t h o d i c v o l t a g e o ft e s t p i p e l i n ea n dt r a n s m i td a t at om o n i t o r i n gc e n t e r t h r o u g hg p r s a tt h em o n i t o r i n gc e n t e ri tr e a l i z e sp i e c e w i s ed a t af i t t i n go f t h e p i p e l i n ep r o t e c t i o nv o l t a g ed i s t r i b u t i o nc u r y e w i t hi d e a lp i o t e c t i o n v o l t a g ed i s t 曲u t i o nc u r v ea n ds i n g l e _ p o i n tp r o t e c t i o nv o l t a g e 仃e n de x t r a c t i o n ， i tc a na c h i e v et h ed e f e c t1 0 c a t i o na n ds a f e t ye a r l y - w a m i n gf o rp r o t e c t i v e c o a t i n go fb u r i e dp i p e l i n e f i e l dt e s t ss h o wt h a tt h i sw i r e l e s sr e m o t em e a s u r i n gs y s t e mi sd 印e n d a b l e a n da c c u r a t e ；i tc a nr e a l i z et h er e m o t er e a l - t i m em o n i t o r i n gf o rc a t h o d i c p r o t e c t i o nv 0 1 t a g ea n dt h ee a r l y w a m i n gf o r t h el o n gt r a n s p o r tp i p e l i n e c o n s e q u 铋t l mi tc a ne n h a n c et h em a n a g e m e n tl e v e lf o rc a t h o d i cp r o t e c t i o no f o i la n dg a sp i p e l i n ew h i c ha r ei n - s e r 、，i c e ，a n de n s u r et h es a f e t yo f p i p e l i n er u n k e y w o r d s ： c a t h o d i c p r o t e c t i o n ， w i r e l e s sr e m o t e m e a s u r e ， s a f - e t y e a r l y - w a m i n g ，d e f e c tl o c a t i o n i n 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：狴函垂一一 日期： 塑墨：圭：三鱼 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：i 塞豳盘 日期：垃星：生：丛 导师签名：陲绰捱l日期：堂苎暂睦吐丝l 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景、目的、意义 管道运输业是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一，近几十 年来，管道运输业在世界范围内得到了飞速的发展，在经济建设中发挥着越来越重要 的作用，产生了巨大的经济效益【1 1 。目前，世界上主要管道干线总长已达2 3 0 多万公 里，其中原油管道5 0 万公里，成品油管道3 0 万公里，天然气管道1 5 0 万公里，并且 以每年4 万多公里的速度在增长。在传输介质方面，除原油、天然气、成品油外，还 有相当数量的煤炭、矿石、粮食等固体管道，正朝着多功能、多介质方向发展【2 j 。 众所周知，油气管道必须具备一套可靠的防腐系统，才能保障其经济有效的输送 能力。否则，管道一旦发生泄漏不仅会造成国家宝贵能源的浪费，造成巨大的经济损 失，而且会造成泄漏区域的环境污染，贻害后代；而且由于油品的易燃性，泄漏还将 直接威胁管道、设施的安全运行和人民生命财产安全。 长输管道防护层缺陷主要有两大类：破损和剥离【3 】。防护层缺陷产生的原因多种 多样，一般来说，带有防护层的管道长时间埋在地下，涂层在使用过程中不断从土壤 中吸收水分而导致吸潮，以及土壤应力和生物降解等作用都会导致防护层失效【4 】【引。 防护层吸潮后会明显降低机械性能，更易受到土壤应力的破坏。为控制埋地管道在土 壤中的电化学腐蚀，通常采用防腐涂层与阴极保护并用的复合防腐系统实施防护【6 j 1 7 】。 在复合防腐系统中，防腐涂层和阴极保护的作用是相辅相成的。完整的防腐涂层可以 提高阴极保护的效率，有效的阴极保护又可以对防腐涂层的破损点提供阴极保护电 流，使破损点的管道阴极极化而得以保护。因此，两者之中任意一方出现问题，都会 造成防腐系统出现故障，阴极保护和防腐涂层在长输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，我国的长输管道也大多投产 2 0 年以上。根据国内外管道运行经验可以知道，此时的管道涂层逐渐进入事故高发期， 据文献【8 介绍，胜利油田仅1 9 9 8 年一年，地下管道腐蚀穿孔就达3 8 3 7 次，因腐蚀而 更新的管线长度为3 8 9 k m ，耗资3 2 8 9 万元。 为了确保输送管道的安全运营，延长管道的在役寿命，并最大限度的降低输送损 失，对管道的过程参数和异常情况进行实时监测、定位和预警是必然的要求。对阴极 保护和涂层检测技术进行理论上的研究，并将其运用与现场实践当中，有计划地开展 北京化工大学硕士学位论文 管道腐蚀与防护的检测工作。通过对阴极保护下管道涂层质量和腐蚀与防护态势的整 体评价，为管道的维护、维修制定工作计划，可以避免不必要的开挖以及由此造成的 巨额费用，提高管线维修的针对性与工作效率。因此，开展面向管道腐蚀的防护层缺 陷检测和安全预警技术研究，意义重大。 1 2 论文的章节安排及主要研究内容 第一章简要介绍了论文选题的背景、目的和意义，阐述了论文的章节安排及主要 研究内容简介。 第二章查阅回顾了论文课题的相关文献，综述了主要相关技术。给出了几种长输 管道防腐层缺陷的检测方法，分析了国内外管道安全预警系统的工作原理和优缺点， 简单介绍了本课题基于阴极保护技术的长输管道安全预警技术。 第三章首先介绍了阴极保护技术的发展历程、现状和保护原理，在此基础上阐述 了基于阴极保护技术的长输管道安全预警系统的工作原理，给出了整个系统的设计方 案，分析了其关键技术、难点设计和创新之处。 第四章阐述了管道安全预警系统的硬件设计，根据系统硬件设计方案，详细介绍 了各模块的设计电路，包括信号调理微功耗电路、单片机及外围电路以及数据通讯电 路等，并对无线遥测模块进行了精度和功耗测试。 第五章介绍了管道安全预警系统的软件设计，包括无线遥测模块的程序设计和中 心监控站的v c + + 编程，分析了无线遥测模块和中心监控站软件的工作流程，对每个 模块的具体编程实现进行了详细的介绍。 第六章首先介绍了管道防护层缺陷定位与安全预警方法，为后续实验提供了理论 依据和实验指导。接着对基于阴极保护技术的长输管道安全预警系统，分别进行了防 腐层模拟脱落时保护电位监测实验、安全预警定位实验和管道防护态势预测实验，并 进行实验结果分析。 第七章归纳总结了论文课题完成的相关工作以及论文实现的相关成果，并对整个 系统的后续开发工作做出展望。 2 第二章长输管道安全预警相关技术研究 第二章长输管道安全预警相关技术研究 2 1 长输管道防腐层缺陷国内外检测技术 金属腐蚀是非常普遍的现象，所谓金属腐蚀【9 】是指：金属在环境作用下所引起的 破坏或变质。腐蚀环境是指和金属接触的物质，如自然存在的物质：大气、土壤、海 水、淡水、材料及其产品等。油田企业作为钢材消耗大户，因腐蚀造成的损失触目惊 心，并且随着油田提液强度的不断加大，管线输液负荷成倍增加，对管线造成的损坏 日趋严重，穿孔频繁，有效使用周期越来越短，腐蚀情况非常严型1 0 】【1 1 1 。金属腐蚀 已成为制约油田降本增效、生产持续发展的重要因素，因此掌握腐蚀与防护现状、了 解国内外发展方向及加强对金属腐蚀检测技术的研究很有意义。 其中，埋地长输金属管道的防腐检测是研究的重中之重。随着石油工业的持续发 展，长输管道己成为国内石油、磊化工业主要的原油输送方式。目前已敷设长输管道 近万公里，大部分在役管道始建于7 0 年代，管道外虽采用沥青玻璃布作为防腐蚀保护 层，但由于长输管道穿越地区广，地形复杂，土壤性质千差万别，土壤腐蚀性差异极 大【1 2 】。尤其是城镇地区，工业的迅猛发展和环境保护措施不甚严格，土壤局部腐蚀性 大大增强，使得在役2 0 多年的管道防护层的性能、状态大为下降，很多管道的防护层 出现了不同程度的老化、破损、剥离，这些缺陷已成为目前长输管道实现长周期安全 运行的重大隐患。为了能确切了解长输管道防护层的物理、化学性能和技术状态，准 确掌握各种缺陷( 破损、剥离等) 的数量、位置及分布规律，全面制订切实可行、经济 合理的维修措施，长输管道缺陷检测技术的研制、开发、应用己成为当前管道储运行 业一项重要而迫切的任务。 目前，国内外在埋地管道腐蚀方面已经做了大量的研究，开发了各种各样的检测 技术。针对腐蚀引起的管道防腐层缺陷的检测方法多种多样，大体分为内部检测和外 部检测两大类：内部检测主要是管内智能清管器，通过检测壁厚来分析管道的腐蚀、 裂纹等管体缺陷情况。该项技术主要检测管道的内腐蚀，但使用不便，测试费用高； 在外部检测法中，比较成熟的方法主要有标准管地( p s ) 电位测试法、皮尔逊测试法 ( p e a r s o n ) 、密间隔电位测试法( c i p s ) 、直流电压梯度法( d c v g ) 、电流衰减法等。 这些方法虽然可以检测防护层缺陷及其位置，但都需要人工在地面沿管线测量，且对 检测人员的经验依赖性强。不可否认，以上两类检测技术都可以对管道安全起到定 的预警作用。 3 北京化工大学硕上学位论文 2 1 1 内部检测法【1 3 h 1 6 】 管道内部检测主要采用智能清管器进行在线检测，采用漏磁或超声波的原理，是 目前最主要的管道无损检测技术( n d t ) ，虽然检测费用较高，但由于智能清管器能提 供多种信息，如金属管壁的损失、管道泄漏位置等等，因此在一些发达的欧美国家应 用广泛。中国对这项技术也进行了引进。 2 1 2 标准管地( p s ) 电位测试【1 7 】【1 8 】 这是一种为了控制管道外壁腐蚀最常用的测试技术。通常是在阴极保护状态下， 间隔l 1 5 k m 沿管道布置的测试点处测量管对地电位，通过区别当前电位与以往电位 的差别，间接了解涂层状况。p s 测试的优点是在现场取得数据，不需要开挖管道， 直接在每公里检查桩上就可以方便地测得数据。缺点是测试的数据受许多因素的制 约，尤其是在涂层屏蔽时数据会检测不出来，而被屏蔽的管道最易产生局部腐蚀或坑 蚀。另外，该方法不能进行缺陷定位，只能进行涂层和阴极保护的总体评价。 2 。1 3 皮尔逊检测法( p e a r s 0 n ) 【1 5 】【1 9 】【2 0 】 这是以1 9 4 0 年技术发明人p e a r s o n 命名的检测法。该方法需要在管道与大地之间 施加1 0 0 0h z 的交流信号，该交流电会在管道防腐层的破损处流向大地，从而在破损 点的上方形成交流电压梯度，其电流密度随着离防腐层破损点距离的增加而减小，当 防护层存在缺陷时，交流信号漏入大地，管道上方前后行走的两位相距3 6 m 的检测 人员，可以利用适当的滤波接收装置测出缺陷处电流密度引起的电位梯度，并由此确 定缺陷的位置。这种方法具有较高的检测效率，但易受外界电流干扰，常给出不存在 的缺陷信息，没有现场经验的人不易确定涂层缺陷的位置。 援赫确成 藏壤芦 图2 1p e a l l s o n 检测原理图 f i g 2 1d e t e c t i o n 研n c i p l eo fp e a r s o nt e d m i q u e 4 第二章长输管道安全预警相关技术研究 2 1 4 密间隔电位测试法【1 9 】【2 1 h 2 6 】 密间隔电位测试( c l o s ei n t e r v a lp o t e n t i a ls u r v e y c i p s ) 技术是目前比较先进的管道 检测技术之一，类似于标准p s 电位测试，但它以较小的距离( 约o 9 米) 测取数据。用 该方法检测之前，需要将电流中断器安装在阴极保护电流的输出回路中，以预先设置 好的通断比中断阴极保护电流，间隔地测取阴保电流通断时的电位值，也就是所谓的 “o n ”“o f f ”电位值。检测到的通断电位是两条相临的曲线，有缺陷时，o n 电位向正 向偏移，o n ，o f f 电位曲线互相接近，说明涂层电阻减少，从而可以根据电位差的大 小及向正向偏移的程度来判断腐蚀的程度。当“o f f ”电位向正向偏移高于规定的 一8 5 0 m v ( 相对于c u 饱和c u s 0 4 参比电极) 时，说明管体腐蚀正在发生，阴极保护不起 作用。 c i p s 检测法以较小的间隔记录管道全线的管地电位，并对管道防腐蚀情况作出 分析，可大致用于缺陷定位( 准确定位需要与d c v g 配合使用) ，具有较高的检测效率。 但杂散电流、土壤变化等因素给检测数据带来较大误差，对涂层缺陷的分析需要检测； 人员具有丰富的经验。 2 1 5 直流电压梯度法( d c v g ) 【2 7 】【2 8 】 也称直流脉冲技术( d c p ) ，与皮尔逊技术相似，但使用频率为1 h z 的( o n 和o f f 比为l ：2 ) 的直流脉冲信号，由于较多电流流向缺陷处而造成较大的电位梯度，通过两 根相距1 以m 的探极在地面上测量，中心零位的高灵敏度的毫伏表接在两根探极之间， 根据毫伏表在防腐层缺陷前后位置的摆动情况确定缺陷的位置，也可估算缺陷的尺 寸。该技术测试过程中不受交流电干扰，不需拖拉电缆，受地貌影响小，操作简单， 准确度高，但该方法不能指示管线阴极保护效果，不能指示涂层剥离，且需沿线步行 检测。 ， 2 1 6 电流衰减法【8 】f 2 9 】 电流衰减法又称多频管中电流法，用以对管道防腐层的状况进行评估，目前在国 内外应用都较广泛。应用该方法前，需在管道上的一点( 如管道的测试桩) 加入固定频 率的电流信号，此电流信号沿管道流动并随距离x 的增加呈指数衰减，即，= 厶e 蠕( 口 成为衰减系数) ，将此式作对数变换，并以分贝表示为i d b ，即令如= 2 0 l o g j + k ( k 5 北京化工大学硕上学位论文 为常数) ，则j 扭= l o g 。一缎，而i d b 的变化率】，= 鱼鲤_ 逸( 扭柳) ，y - x 是一条直线， 工2 一工l 它与纵轴的截距直接反映衰减系数口的大小。 当管道防腐层有缺陷存在时，电流将从防腐层破损点处漏失到土壤中，电流衰减 系数增大，有缺陷时的曲线见图2 2 。 图2 2 有缺陷时的i d b x ，y 理论曲线 f i g 2 - 2i d e a lc u i 、，eo fi d b - x ，1 xw i t l ld e f i 贮t 该方法实际上通过检测由管内电流引起的地面磁场的变化，从而判断防腐层的状 况。该方法可长距离检测管道防腐层状况，也可缩短距离对管道防腐层缺陷点进行定 位。但对于一些有局部牺牲阳极保护的管道，或者为限制阴极保护范围而设有绝缘法 兰的管段，以及有支线的管段此方法不再适用。 2 1 7 涡流检测法【3 0 】【3 1 】 无论是电化学腐蚀、杂散电流腐蚀还是厌氧菌腐蚀，其结果都是金属量蚀失、腐 蚀产物垢积，造成埋地钢管的电导率和磁导率下降。显然，只要检测出因腐蚀所致的 这一物理性质的变异部位和变异程度，经过与已知( 已发生腐蚀和未发生腐蚀) 的情况 对比，就可以指出腐蚀地段并对腐蚀程度做出评价。 基于以上原理，在稳定激励电流小回线周围建立起一次磁场，瞬间断开激励电流 便形成了一次磁场“关断”脉冲。这一随时间陡变的磁场在管体中激励起随时间变化的 “衰变涡流”，从而在周围空间产生与一次场方向相同的二次“衰变磁场”，二次磁场穿 过接收回线中的磁通量随时间变化，在回线中激励起感生电动势，最终观测到用激励 电流归一化的二次磁场衰变曲线一瞬变响应，响应晚期是与被测管道直接相关的时变 信息。从地面所采集的脉冲瞬变数据体中分离、提取与被测管道直接相关的时变信息， 采用专用软件计算检测点处埋设管体的金属蚀失量和平均剩余管壁厚度。 6 第二章长输管道安全预警相关技术研究 图2 3 衰变涡流检测示意图 f i g 2 - 3d e t e c t i o np r i i l c i p l eo ft e m 慨h n i q u e 2 1 8d c v g 和c l p s 综合检测技术【3 2 1 为克服单一检测技术的局限，国内外检测技术的最新进展是组合几种检测方法对 防腐层缺陷进行检测，可记录管道真实保护状态和防腐层缺陷定位、定量综合。d c v g 和c i p s 综合检测技术就是近年来发展起来的防腐层缺陷地面检测技术。其基本原理 如下：先采用d c v g 法进行测量，确定破损点准确位置以后，再采用c i p s 密间隔电 位测试技术检查保护度和对缺陷定量。在破损点上方地表设置一个参比电极1 ，与之 相隔一定距离x 后( 沿与管道垂直方向) 再设置一个参比电极2 ，测出两个参比电极的 电位差，并使用c i p s 设备测出参比电极1 点的通、断电电位，依据一定的公式即可 计算出防腐层破损点的等效圆直径。用这个方法可定量缺陷，可确定缺陷( 含微小缺陷) 分布，可确定阴极保护情况，可实现实时存储及处理数据，但检测效率较低。 2 1 9 电化学暂态检测技术【3 3 】【3 4 】 埋地管道防腐层缺陷应包括两个方面：防腐层破损和防腐层剥离。对于埋地管道 防腐层缺陷检测，以往的研究几乎都集中在防腐层的破损检测方面，至于防腐层的剥 离检测却鲜有报道，且上述技术都不能检测管线涂层剥离的情况。而基于电化学暂态 检测的技术可弥补这个缺点。 埋地管道防腐层有四种可能存在的情况( 见图2 4 ) 。( a ) 是理想状态，( c ) 从管道维修 的角度考虑是无关紧要的，( b ) 和( d ) 在使用阴极保护的情况下是非常重要的。当有破损 点存在但防腐层与钢管互相粘结时，阴极保护体系可使保护电流到这些破损点，将金 属极化到某个电位，通常为0 8 5 v 或更负，使“漏铁点”得到保护，免遭腐蚀。 7 北京化丁人学坝i 学位论文 ( a ) 完整无掇 圈_ ( b ) 破损无剿离 ( c ) 剥离无破撮 ( d ) 剥离，有破擐 图2 4 防腐层町能存在的四种状态 f i g 2 4f o u rp o s s i b l es t a t u so fp i p e l i n ec o a t i n g 图2 5 足不同状态防腐层的电化学等效电路。其巾( a ) 防腐层完整无损；( b ) 防腐层 h 现剥离但管道未腐蚀。破损利剁离腐蚀的等效电路( 图2 5 c ) 虽相同，但其组元参数 却不棚同。破损时防腐层欧姆电阻r f 较小，其电容值c 湘成增大，而山于阴极保护的 作用，极化阻jr d 值相对较火；出现剥离时由于发生腐蚀导致r 。较小，界面电容c 。1 较 大。但剥离时防腐层本身未破坏，故其欧姆电阻r 敲大，防腐层电容值c 扔然很小。 根据电化学参数值的不同，就可以用电化学暂念技术进行管道防腐层的缺陷检测。 号串 c ， 抽) 钰 一气努 图2 5 不同状态防腐层的l u 化学等效l 乜路 f i g 2 5e 1 e c t r o c h e m i s t 巧e q u i v a l e n tc i r c u i t so fc o a t i n gi nd if f e r e n ts t a t u s 以石油沥青为例，由于石油沥青防腐层的高绝缘性能，故c d = 常小，经研究发现， 当激励信号为某4 频率范围的恒流方波时，图2 5 c 的等效电路可以简化为图2 。6 的形 式。 r p 图2 6 缺陷防腐层简化的等效电路 f i g 2 - 6s i m p l i 6 c a t i o nf o re q u i v a l e n tc i r c u io fc o a t i n gw i t hd e f e c t 图2 7 是缺陷防腐层在某一频率恒流方波激励下产生的电位相应。这和防腐层出现 第二章长输管道安伞预警相关技术研究 破损( 防腐层有局部的缺口) ，界面电容c d 值低，极化阻力r p 高；而当防腐层出现剥离( 防 腐层和管体出现了鼓包而又没有大得可看得见的缺口) ，界面电容c d 值高，极化阻力 r p 低。由于防护层破损与剥离时电化学等效电路中组元参数值的差异，阻抗谱呈现明 显不同的特征，通过测量电位响应曲线及测出的电化学参数，就能分析与判断防腐层 是否存在剥离。 l t v r t 恒漉方浚激励破擐响应教靡 剥高啊应激励 图2 7 恒流方波激励及其电位相应曲线 f i g 2 - 7c o n s t a n tc u r r e n ts q u a l l ew a v ei n c e l l t i v ea n dt h e i rc o n e s p o n d i n gc i l e s 2 2 长输管道安全预警技术国内外研究现状 目前，国内外与长输管道安全预警相关的技术主要有两种：基于分布式光纤传感 器技术的管道泄漏监测和基于声波传感器技术的管道测漏技术。但是这两种技术都是 针对由于挖土施工、人为破坏等引起管道泄漏的报警技术，不是针对由于地下水、土 壤等物质引起的管道自然腐蚀、穿孔的预警。事实上，地下管道由于腐蚀引起的危害 远比人为破坏引起的危害大。 文献 3 5 】提到的油气管道雷达预警测漏技术，是针对我国输油气管道的实际情 况、采用了被动探测和主动探测相结合的工作原理、能较好地解决长期困扰油气管道 自然破坏和人为破坏两大安全难题。但是，由于油气管道雷达预警测漏技术主要是利 用雷达在油气管道上进行探测发现破损、断裂、漏气、漏油、打孔盗油等并定位，而 这种探测存在许多差异，没有现成的经验，需要进行研究。 由于目前埋地管道防护普遍采取防腐涂层和阴极保护并用的复合防腐措施，因 此，通过检测管道的阴极保护电位可以间接了解管道的防腐、防护态势。本文提出的 管道安全预警技术就是基于阴极保护电位的遥测数据。虽然国外在2 0 世纪6 0 年代就 已经实现了阴极保护电位的遥测，国内陕京线采用了卫星控制全线阴极保护站同步通 9 北京化工大学硕士学位论文 断电测试，但基于阴极保护电位的埋地管道安全预警和定位技术，尚未见文献报导。 2 2 1 基于光纤传感技术的长输管道安全预警技术【3 6 】1 加】 ( 1 ) 基本原理 分布式光纤传感器是一种传感型光纤传感器，它具有同时获取在传感光纤区域内 随时间和空间变化的被测量分布信息的能力。光波在光纤中传播时，其特征参量f 如振 幅、相位、偏振态、波长等) 在外界因素( 如压力、振动、位移、温度等) 的作用下会 发生变化，利用这一特性，在油气管线铺设的同时，铺设一条或几条光缆，利用光纤 作为传感器，拾取管线周围的压力和振动信号。通过对信号的分析和处理，对管线油 气泄漏、管线附近的机械施工和人为破坏等事件进行迅速判断和准确定位，以提高油 气管线的监测水平。 当油气管线发生泄漏时，泄漏出的高温高压石油和天然气会对附近的光纤施加作 用力，使光纤发生弯曲和抖动，导致辐射模的增大或减小。同时，当油气管线附近 有机械施工或人为破坏时，也会对光纤施加作用力，使光纤的损耗和输出光功率发生 变化。利用这一特性，通过对光纤输出光功率频谱的分析，判定油气管线是否有泄漏 等事件的发生，并通过对背向散射光的测量，完成泄漏等事件的定位。 ( 2 ) 系统构成 系统的原理结构如图2 8 所示，激光脉冲发生器发出具有一定时间和功率的光脉 冲经光纤耦合器注入光纤，在光纤中向前传输，光纤上各点的背向散射光返回到入射 端，经耦合器到光功率探测器，转换成电信号，再经放大、滤波、模数转换和数字信 号处理后，将结果送给计算机数据分析系统( 背向散射光检测子系统) 。同时，光脉冲 继续向前传播，在光纤的另一端耦合到光功率探测器，并转换成电信号，经放大、滤 波、模数转换和数字信号处理后，其结果也送给计算机数据分析系统( 输出光功率检测 子系统) 。计算机对光纤输出功率检测子系统的测量数据进行分析和融合，获得沿光纤 路径上压力和振动信号的变化，根据其频谱特征判定是否有油气管线泄漏、机械施工 或人为破坏等事件的发生，并利用背向散射光检测子系统进行精确定位。因此，输出 光功率检测子系统可以获得光纤上损耗变化的频谱特征，并判定故障类型。背向散射 光检测子系统主要适用于光纤上各点静态和动态损耗的测量，具有完成故障定位的功 能。 l o 第二章长输管道安全预警相关技术研究 麓h 量陬 脉冲h 离h 苎? 到幽r | 絮 _ _ _ w _ _ o _ _n 旌 捌i 光赫冲控制 计算机 图2 - 8 光纤法管道安全预警系统结构图 f i g 2 - 8s 仃u c t i l r ef i g u r eo fp i p e l i i l es a f e 哆e a r l y w 暑肌i n gb 嬲e do no p t i c a lf i b e rt e c 圭l i l i q u e 但是，这种技术需要开挖土方、破坏现有管道的保温层，把光纤埋入到管道表面， 施工量大、成本高而且影响石油、天然气等的管道输送。因此从施工和成本角度看， 都不太适合。 2 2 2 基于声波检测技术的长输管道安全预警技术【4 1 】十3 】 ( 1 ) 声波检测防盗基本原理 众所周知，物体间的相互碰撞均会产生振动，发出声音，形成声波，声波不但能 在空气中传播，而且能在液体和固体中传播。声波在空气中传播时，空气阻力使声波 急剧衰减，其传播速度仅为3 4 0l i l s ，而声波在钢管中传播时，由于受到极小的阻力， 其传播速度高达5 0 0 0 州s 以上。 打孔盗油时产生的声波沿着钢管高速传播，安装在钢管外壁上的高灵敏度声学传 感器接受到该声波后，对信号进行放大、滤波、一线判别，然后传输给总站主机。主 机对接收到的信号进行特殊的数字信号检测和二线判别，获得正确的报警信号。由于 各分站以编码发送信号，主机定位接收信号，定位显示报警位置，同时记录报警时间， 因此，一旦发现盗油打孔，主控计算机立刻自动启动报警系统，发出报警信号。 ( 2 ) 系统构成 声波法管道预警检测系统的总体结构如图2 9 所示，主要由三部分组成：上层管 理单元、中心d s p 处理单元、无线传输模块和多个检测单元。现场采集信号的声波传 感器可以检测到lk m 以外的信号。信号经放大器( 放大倍数为1 0 0 倍) 放大后，送入 d s p ( 数字信号处理) 主板进行处理，判断是何种信号( 如敲击、钻孔或是环境干扰信 北京化t 人学坝i j 学位论义 号) ，然后将有用数据通过无线电传输送到总站，总站( 工控机) 对接收到的数掘进行处 理、判断后给出相应的报警信息。主控计算机还可以定时向各分站发出探测信号，根 据各分站的自动应答信号确定各分站设备的运行状况，如发现某一分站设备异常，同 样发m 声光报警信号。 然黪 缀麓麓繁缵缀鬻貔骥翳嬲燃 缀凌驻缓渤磁兹兹驻瀣黼黻戮徽 绻懿餐灞 繁。j 燃镞净懋1 攀缓断；象 镌罄 图2 9 声波法管道安全预警示意图 f i g 2 9s t r u c t u r ef i g u r eo fp i p e l i n es a f e t ye a r l y w a m i n gb a s e do ns o u n dw a v et e c h n i q u e 但足，传感器的安装需要破坏管道的保温层，需要丌挖七方和影响生产。此外， 它成本高，1k m 造价在l 1 0 4 美元以上，而日信号的传输采用中继通信方式，一旦 某个点的通信设备出现故障，将影响整条管道的安全运行监测。国际上主要是美国和 法国使用声波技术。因其造价昂贵和使用不方便，我国较少采用。 2 2 3 基于雷达测漏技术的长输管道安全预警技术 3 5 】 ( 1 ) 基于雷达测漏的基本原理 油气管道雷达预警测漏系统将埋入地下的金属输油气管道，视为一根特殊的导线， 并在其上加高频脉冲信号，这时脉冲信号就会沿着管道进行传播。根据雷达和传输线 理论可知，有破损的管道对高频信号可等效为一介质不连续的传输线或者是有障碍物 的空间。当高频脉冲信号在传输过程中遇到介质变化处( 管道破损点) 必然会产生波的 反射。这时，雷达测距组合机就可采用先进的计算机技术和信号高速采集处理技术， 将反射波及时记录存储，并通过分析、比较、判断，及时报警。同时，对油气管道运行 巾产，t 的老化、疲劳和腐蚀等做到及早发现、适时提示、准确定位，以便迅速采取措 施。 1 2 第二章长输管道安全预警相关技术研究 图2 1 0 油气管道雷达预警系统图 f i g 2 - 1 0s t m c t l l r ef i g u r eo f p i p e l i n es a f e t ye a d y - w a m i n gb 觞e d 0 nr a d a rt e c h n i q u e ( 2 ) 精确定位的基本原理 根据距离、速度、时间关系方程式s = ( 1 2 ) v t ，只要雷达测距组合机能够准确地获 得反射波的延时时间t 和在油气管道上的反射波传输速度v ，就可以计算出油气管道 破损点距中心基站的精确距离，并显现在显示组合机上，从而达到准确定位的目的。 中心基站与油气管线上的n 个监控站的双向通信，主要采用g s m 、g p r s 通信模式。 其主要优点是克服了自建无线通信网受距离、地形、地物等方面影响，仪表运行更加 及时、准确、稳定、可靠。 但是，要确定“目标”的距离s ，必须测定反射波的延迟时间t 和反射波的传输速度 v 。由于管道不是完全均匀的媒质，因此在传输途径中，波的传输速度也是不同的。t 是反射脉冲对于发射脉冲的延迟时间，比较容易确定；而v 的误差将对定位的准确性 有很大的影响。必须通过实践找到一种测定v 的有效办法，才能较好地解决了“目标” 的定位。目前油气管道雷达预警测漏技术正处在实验阶段，经现场试验，达到技术指 标所规定的要求后，才可投入试运行。 2 2 4 基于阴极保护技术的长输管道安全预警技术 如何探索出一种方法，它能充分利用管道运行的现有条件，不需要大量的施工， 成本又低才是适合我国石油、天然气长输管道安全运行的。本课题研究的基于阴极保 护技术的长输管道安全预警技术就是这样一项技术。 为控制埋地管道在土壤中的电化学腐蚀，通常采用防腐涂层与阴极保护并用的复 合防腐系统实施防护。在复合防腐系统中，防腐涂层和阴极保护的作用是相辅相成的。 完整的防腐涂层可以提高阴极保护的效率，有效的阴极保护又可以对防腐涂层的破损 点提供阴极保护电流，使破损点的管道阴极极化而得以保护。因此，两者之中任一出 现问题，都会造成防腐系统出现故障。其中，阴极保护是电化学保护方法的一种m j 。 它通过对被保护金属体施加电流，使其电极电位负移，使金属减弱由原子态自发变为 1 3 北京化工大学硕士学位论文 离子态的趋势，因而从根本上抑制了腐蚀的发生。由于这个过程必须在电解质中进行， 因此埋地钢管非常适宜采取阴极保护。阴极保护是控制钢质储罐和管道腐蚀的有效方 法，它有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长储罐和管道的使用寿命。 阴极保护【4 5 】就是以某种方式在被保护金属构筑物上施以足够的阴极电流，通过阴 极极化使金属电位负移，从而使金属腐蚀的阳极溶解速度大幅度减小，使之完全停止。 根据提供电流的方式不同，对埋地管线的阴极保护通常可分为两种形式：采用具有较 负电位的金属阳极与被保护管道实行连接，即牺牲阳极法；使用外加电源对被保护管 道施以负电流，即强制电流法。 不管是采用强制电流法还是牺牲阳极法，为便于长输管道投入运行后对阴极保护 系统的检测，在管道边相隔一定距离处都设置了保护电位测试桩。正常情况下，测试 桩上的保护电位维持在工程设计时的电位值，当管道腐蚀严重时，会引起保温层剥离 和防腐层脱落，导致保护电位异常。因此，只要监测管道测试桩的保护电位，通过对 阴极保护电位分布模型的研究，建立一种通过监测保护电位来确定管道覆盖层质量的 评价方法，就可以知道管道的某个位置是否发生了异常，从而起到对长输管道的安全 预警。 2 3 本章小结 本章主要介绍了国内外在埋地管道腐蚀方面的几种检测技术，详细介绍了基于光 纤传感技术、声波检测技术、雷达测漏技术和阴极保护技术的长输管道安全预警系统 的工作原理和优缺点。 1 4 第三章基于阴极保护技术的长输管道安全预警系统 第三章基于阴极保护技术的长输管道安全预警系统 3 1 绪言 阴极保护作为保障长输管道安全运行的重要手段，其保护电位是判断管道保护是 否成功的依据之一。如今，管道运行进入事故多发期，对阴极保护电位的监测和预警 非常重要。本文研究的基于阴极保护技术的长输管道安全预警系统，通过无线遥测管 道沿线各测试桩上的阴极保护电位，在监测中心对管道保护电位分布曲线进行逐段拟 合，通过与理想电位分布曲线的比较及单点保护电位的趋势提取，实现对管道防护层 的缺陷定位和安全预警。该技术充分利用了管道运行的现有条件，不需要额外增加传 感器，成本低，可对由于地下水、土壤等物质引起的管道自然腐蚀、穿孔的进行预警， 掌握这些缺陷对管道的危害程度及其发展趋势。只有确切、实时地了解长输管道防护 层的受保护现状，准确掌握各种缺陷的数量、位置及发展趋势，并综合考虑生产实际 和经济效益，才能全面制定切实可行、经济合理的大修措施。 3 2 阴极保护技术 3 2 1 综述【4 6 h 5 0 1 自1 8 2 4 年英国化学家d a w 首次应用锌牺牲阳极来防止固定木船铜包皮的铁螺钉 的腐蚀，十年后他的学生著名科学家法拉第发现了电流与腐蚀的定量关系一法拉第 定律，奠定了现代电化学与阴极保护的理论基础，1 9 2 8 年科恩在新奥尔良的输气管道 上首先安装了为阴极保护提供直流电流的整流器，当年又在国家标准局华盛顿年会上 报告了试验结果，提出了o 8 5 v 的保护原则，为现代阴极保护技术奠定了基础。阴极 保护技术经过1 7 0 多年的发展，已经成为实用、简便而又非常有效的防蚀措施，已经 应用于国防及国民经济建设的各个领域，如舰船、码头、海洋工程、地下金属构筑物 等，该技术取得了明显的经济效益和社会效益。 我国的阴极保护技术开始于1 9 5 8 年，当时仅限于小规模的试验，6 0 年代初开始 在各油田试用，到1 9 7 0 年长输管道开始建设时，阴极保护已是必不可少的技术，它 可以成功控制埋地管道的腐蚀，延长管道的寿命，为管道的安全生产提供了技术保证。 1 5 北京化工大学硕士学位论文 不过，7 0 年代的管