（化学工程专业论文）地下金属管线防腐层状态检测方法的研究.pdf

摘要 本文在分析国内外现有的防腐层检测技术的基础上，提出了地下金属 管线防腐层状态检测的新方法一电流梯度法。 该方法是在采用英国雷迪公司地下管线探测仪基础上开发的，该仪器 原先主要用于物探，对地下金属管线或电缆定位( 位置和深度) ，并不具备 管线外防腐层定性( 防腐层破损点) 、定量( 防腐层绝缘电阻值) 检测功能。 为此，我们开发了管道防腐层检测新技术一电流梯度法，该方法分为定 性检测和定量检测，定性检测是指管线防腐层破损点的定位及整条管线不 同管段质量相对好坏的确定，定量检测是指管线防腐层绝缘电阻值的测 量，它是反映防腐层质量的综合指标，根据绝缘电阻值，参照有关标准， 可对防腐层质量进行评级。 该方法是在不开挖、不影响正常生产的情况下，对地下管线进行管线 定位、外防腐层破损点的定位及外防腐层状态的评估，具有方便、快速、准 确的特点，它既可作为新竣工管道的验收、检测手段，也可对运行的管道进 行定期监测，为管线的管理、维修提供重要依据，对保障地下金属管线的安 全运行具有重大意义。 本方法在天津石化公司化工厂、涤纶厂进行了大量的现场实验，并选 择了三处进行开挖对比验证，取得了令人满意的效果。 关键词：地下管线防腐层电流梯度法检测 a bs t r a c t b a s e do na n a l y s e so ft h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a la n t i c o r r o s i o ni n s p e c t i o nt e c h n i q u e s ， w ep r o p o s e dan o v e li n s p e c t i o nm e t h o df o rt h es t a t u so ft h eu n d e r g r o u n dm e t a l p i p e l i n e sa n t i c o r r o s i o nc o a t i n 争_ m ec u r r e n tg r a d i e n tm e t h o d t h ed e v e l o p m e n to ft h i sm e t h o di sb a s e do nl l s i n gt h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ( r a d i o ，u k ) t h i si n s t r u m e n tw a so r i g i n a l l yu s e dt od e t e c tt h e o r i e n t a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dm e t a lp i p e l i n e so rc a b l e i th a sn oq u a l i t y ( c o a t i n g b r o k e np o i n t ) o rq u a n t i t y ( c o a t i n gi n s u l a t o rr e s i s t a n c e ) i n s p e c t i o nf u n c t i o no ft h e a n t i c o r r o s i o nc o a t i n go fp i p e l i n e s h e n c e ，w ed e v e l o p e dan o v dp i p e l i n ea n t i c o r r o s i o n c o a t i n gi n s p e c t i o nt e c h n i qu i 汕ec u r r e n tg r a d i e n tm e t h o d t h i sm e t h o di n c l u d e sb o t h q u a l i t ya n dq u a n t i t yi n s p e c t i o n t h eq u a l i t yi n s p e c t i o ni st ol o c a t et h ep o s i t i o no ft h e b r o k e np o i n to ft h ea n t i c o r r o s i o nc o a t i n g ，a n dt od e t e r m i n et h er e l m i v eq u a l i t yo f d i f f e r e n t p i p e l i n ep o r t i o n s t h eq u a n t i t yi n s p e c t i o ni st h ei n s u l a t o rr e s i s t a n c e m e a s u r e m e n to ft h ea n t i c o r r o s i o nc o a t i n g t h i sn u m b e ri sas t a n d a r di nr e f l e c t i n gt h e c o m p r e h e n s i v eq u a l i t yo ft h ec o a t i n g a c c o r d i n gt ot h er e s i s t a n c ev a l u ea n dr e l a t e d s t a n d a r d ，t h eq u a l i t yo ft h ec o a t i n gc a nb ee v a l u a t e da n dt h ec o a t i n gg r a d ec a nb e d e t e r m i n e d t h i sm e t h o dc a nb eu s e df o rl o c a t i n gt h ep i p e l i n e sa n di t sb r o k e np o i n t ，e v a l u a t i n g t h es t a t u so ft h ea n t i c o r r o s i o nc o a t i n gw i t h o u td i g g i n ga n da f f e c t i n gt h en o r m a l p r o d u c t i o n i ti sc o n v e n i e n t ，f a s t , a n da c c u r a t e t h i sm e t h o dc a nb eu s e di nt e s t i n ga n d e v a l u a t i n go fn e wp i p e l i n e s ，a sw e l la st h ep e r i o d i c a lt e s to fw o r k i n gp i p e l i n e s i t p r o v i d e si m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h em a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n to ft h ep i p e l i n e s ， a n di tg u a r a n t e e st h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h eu n d e r g r o u n dm e t a lp i p e l i n e s an u m b e ro f e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nt h ec h e m i c a lp l a n ta n dt e r y l e n ep l a n t o ft p c c t h r e ep o s i t i o n sw e r es e l e c t e df o rc o m p a r i s o na n dp r o o f , a n dr e s u l t sa l e s a t i s f y i n g k e y w o r d s ： u n d e r g r o u n gp i p e l i n e s ，a n t i c o r r o s i o nc o a t i n g ，c u r r e n tg r a d i e n t m e t h o d ，i n s p e c t i o n 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，论文中不包括其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太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： 乏冬叫 签字日期：溯i 年，。月动日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂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： 乏冬叫 导师签名： 签字日期：如o f 年l o f t 拗日签字日期：丑 善 硼蹿铂 & “ 音8 加 第一章前言 第一章前言弟一早月l ji 随着工业生产的发展，地下管线不断增加，应用日益广泛，生产装置 区地下管线密集，平行交叉，电缆、接地极等纵横交错，构成一个复杂的 地下网络，使管线的探测更加困难。 天津石油化工公司生产厂的主要装置于一九七七年开始建设，一九八 一年开车运行，到目前已经运行2 0 年余年，随着运行时间的延长，加之大 港地区是海滨盐碱地，土壤属极强腐蚀型，在自然环境及人为因素的影响 下，地下管线的外防腐层逐渐老化，防护性能下降，使管线腐蚀加剧，严 重时会导致管道穿孔，威胁正常的生产和生活，仅一九九一年至一九九五 年的五年问，共发生泄漏1 1 4 次，每年要耗资十几万元进行维修，若更换 1 5 的管线则需停水、停车，耗资上百万元，而停车造成的损失就更大了。 为进一步提高经济效益，我公司在设备维修体制上进行了改革，装置大修 由一年一修改为三年两修，一九九六年又改为两年一修，目前为三年一 修，这就对设备的管理与维护提出了更高的要求。 循环水地下输水管网是我公司的生命线，是生产工艺流程中不可缺少 的设备，为确保生产装置的安稳长满优运行，急需对循环水地下输水管网 进行全面检查，为此，我们开展了地下循环水管网外防腐层检测的研究工 作。以期对地下循环水管网防腐层状况有个准确的了解，为管线的管理与 维修提供依据。 本文是在采用英国雷迪公司地下管线探测仪基础上开发的，该仪器原先 主要用于物探，对地下金属管线或电缆定位( 位置和深度) ，并不具备管线外 防腐层定性( 防腐层破损点) 、定量( 防腐层绝缘电阻值) 检测功能。为此， 我们开发了管道防腐层检测新技术一电流梯度法，并编制数据分析软 件，实现定位、定性、定量多功能测量，合理准确地对防腐层状况做出判 断。 本方法可用于地下管线的定位，外防腐层破损点的定位及外防腐层状 态的评估，具有方便、快速、准确的特点。它既可作为新竣工管道的验 收、检测手段，也可对运行的管道进行定期监测，为管线的管理、维修提 供重要依据，对保障地下金属管线的安全运行具有重大意义。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 管线防腐层检测技术现状 管线检测根据检测设备所处位置不同可以分为管线外检测和管线内检 测两大类。管线外检测是将检测设备放在管线外部来了解有关管线的情 况，例如对管线的防腐层和地下埋深情况的探测：而管线内检测是指将检 测仪器放在管线内部，通过管线中的介质在检测仪器上的皮碗前后形成的 压力差使之在管线中随介质运动，检测仪器将管线情况信息采集并储存起 来，然后，利用计算机对记录到的管线信息进行分析，从而了解管线的状 况，该方法可用于检测管道变形、腐蚀及缺陷等等，但是，由于这种方法 仪器的价格和检测费用十分昂贵，而且不同管径的管线要使用对应的不同 仪器，使其的应用受到了很大的限制，国内的廊坊管道局引进有多套管线 内检测仪器，用于检测不同管径的管线。 管线防腐层是用来在管线裸露金属表面与周围环境之间形成一道保护 屏障，达到减少管线腐蚀，延长使用寿命的目的。随着运行时间的延长， 在自然环境及人为因素的影响下，地下管线的防腐层会逐渐产生老化、剥 离、损伤等缺陷，使防护性能下降，因此，研究防腐层状况的检测的方法 和技术受到重视，目前，世界上已经开发出多种管线防腐层漏点定位和定 量的检测技术，这些技术主要是通过向管线供入直流电信号或交流电信 号，沿管线检测电位、电流或磁场强度的变化来实现的，常用技术如下： 2 1 1 管对地电位法： 沿管线测管对地电位，通过电位高低推定电流流出部位，由此即可测 知损伤部位。该方法简单，但易受周围环境影响，精度低，效果有限。 2 1 2 近电位法： 向管道通入直流电信号，使用开关周期性地“闭路”或“开路”，测 量管线上方及离开管线一定距离的地方的电位，即可得到缺陷部位及大 小，但该法检测较为复杂，不适于柏油路面。 2 1 3 直流电位梯度法： 向管道通入直流电信号，通过一对相距数米的电极来测试管道沿线的 电位梯度，在管道防腐层的损伤部位有电流泄漏，从而引起地表电位的变 第二章文献综述 化，在两个电极之间电位出现明显差别( 直流电位梯度曲线出现陡坡) ， 通过测量该电位的方向，即可测出损伤位置。该法检测精度高，但不适于 柏油路面，检测效果往往依赖于操作者的经验和水平。 2 1 4 皮尔逊法： 向管道通入交流电信号，采用一相应的滤波接受器接受有损伤部位漏 到地表的电信号，以此测得破损部位，该法检测速度快，漏点定位准确， 但不适于柏油路面。 2 1 5 磁场法： 对管道通交流电，通过检测从破损部位流到外部的电流产生的磁场强 度来检测，该方法适于柏油路面，但易受附近磁性体的影响。 2 1 6 电位差法： 对管道通交流电，记录输入电流值，分别测量管线上一定间距两点的 通电前后的电位，计算后，可得到该段管线防腐层绝缘电阻的平均值。该 法可对防腐层进行定量测量，但不能准确得到涂层破损位置，而且该方法 为接触测量，使用比较麻烦，由于接触不良、极化电位、地下杂散电流等 的影响而测量精度低。 2 1 7 管内电流法： 对管道通交流电，测量管道上某两点通电前后的电位降，及此两点间 的漏失电流的大小和方向，来检测损伤部位，通过计算可得到该段防腐层 绝缘电阻的平均值，该法可对防腐层进行定量测量，但该法测量时间长， 小的损伤部位不易测出。 2 1 8 变频选频法： 向管道施加一系列高频交流电信号，测量发射端与接受端的电压值， 为了计算出该段管线防腐层绝缘电阻，在实际测量中，通过改变输入信号 的频率来进行，当被测量的管段防腐层质量较好或者该管段较短时，使用 的频率较低，当被测量的管段防腐层质量较差或者该管段较长时，使用的 频率较高，该法可对防腐层进行定量测量，但不能准确得到涂层破损位 置。 尽管现有埋地管线防腐层检测技术多种多样，但是，管线检测是一项 第二章文献综述 十分复杂的工作，影响因素众多，检测环境复杂多变，每一种方法都不是 十全十美的，都有其优缺点和适用范围，前五种主要用于防腐层破损的定 位，不能用于防腐层的定量检测，而后三种技术则相反。 2 2 地下金属管线在土壤中的腐蚀 2 2 1 土壤具有腐蚀性的原因 土壤是一种具有特殊性质的电解质，它是毛细管多孔性的胶质体系， 土壤的空隙为空气和水所充满，含有的盐类溶解在水中，使其具有离子导 电性。土壤的物理一化学性质，在很大范围内不仅随着组成及含水量的变 化而变化，而且还随着土壤的结构及其紧密程度而有差别，即土壤的性质 及其结构容易出现小范围的或者大范围的不均匀性，这是造成土壤对地下 金属管线腐蚀的主要原因。 2 2 2 地下金属管线在土壤中的腐蚀过程 地下金属管线在土壤中的腐蚀与在电解质溶液中的腐蚀本质是一样 的，大多数的管线在土壤中的腐蚀都属于氧去极化腐蚀，只有少数情况下 ( 在酸性土壤中) ，才发生氢去极化腐蚀。 阳极过程：金属进行溶解并释放出电子。 n h 2 0 f e - f e 2 + n h 2 0 + 2 e 在酸性土壤中，铁离子以水化离子的状态溶解在土壤水分中，在中性 或碱性土壤中，铁离子与氢氧根离子进一步生成氢氧化亚铁， 氢氧化亚铁在氧和水的作用下，生成氢氧化铁。 1 f e ( o h ) 2 + 0 2 + h 2 0-2f e ( o h ) 3 2 氢氧化铁的溶解度很小，但比较疏松，覆盖在铁表面保护性差，但由 于紧靠着腐蚀介质缺乏机械搅拌，氢氧化铁、氢氧化亚铁和土颗粒粘结在 一起，形成一种紧密层，随着时间的增加，而使阳极过程受到阻碍，导致 腐蚀速度减少。 - 4 一 第二章文献综述 在比较干燥的土壤中，因湿度小，空气容易进入，如果土壤中没有氯 离子存在，则铁容易钝化，从而使腐蚀过程变慢。如果土壤相当干燥，含 水分极少，则阳极过程更不易进行，因为这时缺乏使金属成为水化离子的 必要的水分。 阴极过程：阴极过程主要是氧的去极化作用。在土壤中，氧氧的去极 化也是氧与电子结合而生成氢氧根离子。但氧到达阴极的过程比较复杂， 进行得比较缓慢。空气中的氧，首先要通过相当厚的土层，然后再通过金 属表面上的一层静止液层而到达阴极。因此，土壤中的结构和湿度，对氧 的流动有很大的影响。在疏松的土壤中，氧的渗透和流动比较容易，金属 的腐蚀比较严重。在潮湿的粘性土壤中，氧的渗透和流动均较小，所以腐 蚀过程主要受阴极过程控制。 2 2 3 地下金属管线在土壤中腐蚀的形式 由于金属的成分、组织、应力或表面状况的不均匀性以及土壤的物理 化学性质的不均匀性，将不可避免地形成腐蚀电池。有土壤微观结构的差 异或金属成分不纯而形成的电池小到肉眼看不出来，称为微电池。由管道 穿越不同性质的土壤，在长达几公里的范围以内构成的腐蚀电池，称为宏 电池。对于地下管道，着两种电池的作用同时存在。 2 2 3 1 由于充气不均匀引起的腐蚀 当管道埋设通过结构不同和潮湿程度不同的土壤时( 如通过粘土和砂 土时) ，由于充气不均形成氧浓差电池的腐蚀。处于砂土中的金属部分， 由于氧气容易进入，电位高，成为阴极：而处于粘土中的金属部分，由于 缺氧，成为阳极，它们之间构成氧浓差电池，而使粘土中的金属部分遭到 腐蚀。同样，埋设在地下的管道( 特别是水平埋放直径较大的管子) ，由 于各处深度不同，也会构成氧浓差电池，埋设角深的地方( 如在管道的下 方) ，由于氧到达困难，便成为阳极区，腐蚀往往是发生在这个区域。 2 2 3 2 由于杂散电流引起的腐蚀 杂散电流是一种漏电现象。在土壤的腐蚀中，防止它引起的腐蚀有很 大的实际意义，它是由直流电源( 如电气火车、有轨电车、电焊机、电解 槽、电化学保护等) 设备漏失出来的电流。杂散电流漏到地下，进入地下 管道某处，沿着管道流动，再从管道的另一处流出，返回杂散电流源，这 卡 第二章文献综述 样杂散电流从管道流出的地方，成为腐蚀电池的阳极区，腐蚀破坏往往就 发生在这个地方。金属的损失量与流过的杂散电流的电量成正比，符合法 拉第定律。 2 2 3 3 由于微生物引起的腐蚀 对于腐蚀有作用的细菌不多，其中最重要的是硫杆菌和硫酸盐还原菌 ( 厌氧菌) 。 硫杆菌有排硫杆菌和氧化硫杆菌两种，在地下管道附近，由于污物发 酵结果产生硫代硫酸盐，排硫杆菌就在其上大量繁殖，产生元素硫，紧接 着，氧化硫杆菌将元素硫氧化成硫酸，造成对地下管道的腐蚀。 硫酸盐还原菌( 厌氧菌) ：如果土壤中非常缺氧，而且又不存在氧浓 差电池及其杂散电流等腐蚀大电池时，腐蚀过程是很难进行的，但是，对 于含有硫酸盐的土壤，如果有硫酸盐还原菌的存在，腐蚀不但能顺利进 行，而且更加严重，主要是由于微生物的催化作用，使腐蚀过程的阴极去 极化反应得以进行，从而大大加速了腐蚀。 2 3 地下金属管线的外腐蚀防护 防止地下管道腐蚀的最根本的方法是防止产生电化学作用，一种方法 是隔绝法，即在管道表面采用防腐绝缘材料，增大回路的电阻，阻止产生 腐蚀电流：另一种方法是采取阴极保护，即人为地给金属管道外加上一定 的阴极电位，使管道的阳极区消失，抑制电化学作用的产生。目前更多采 用的是阴极保护和防腐绝缘材料并用的联合保护，实践证明，联合保护是 经济有效的防腐措施，防腐绝缘材料的作用是使金属管道与土壤介质隔 绝，阴极保护可以使在施工中防腐绝缘层产生的局部破损以及在使用过程 中随着时间的增长，防腐绝缘层由于的老化而使防护性能下降的部位得到 保护。 2 3 1 地下金属管线常用的外防腐层 目前采用的地下金属管的外防腐层主要是有机材料，包括石油沥青防 腐涂层、环氧煤沥青防腐涂层、聚乙烯防腐层、聚乙烯胶粘带防腐层、聚 氨酯泡沫防腐保温层和熔结环氧粉末涂层等种类。 2 3 1 1 石油沥青防腐涂层 石油沥青防腐涂层原料来源丰富而且廉价，有较好的耐腐蚀性能，与 第二章文献综述 其配套的外防腐工艺积累了较成熟的经验，取得了一定的防腐效果，所以 在我国仍广泛使用。按施工等级分为普通级( 三油三布) 、加强级( 四油 四布) 和特加强级( 五油五布) 三级。 对于石油沥青防腐涂层的要求：具有良好的防腐绝缘性能及足够的机 械强度，为达到上述要求，一要正确选用材料，二要考虑适当的防腐结 构，特别是对于输送温度较高的热油管道，温度的影响必须考虑，因为石 油沥青是一种热塑性材料，高温会使绝缘层变形，甚至损坏，而且加速其 老化。 2 3 1 2 环氧煤沥青防腐涂层 环氧煤沥青防腐涂层主要由环氧树脂、煤沥青、填料和固化剂组成。 它综合了环氧树脂机械强度高、粘结力大、耐化学介质侵蚀和煤沥青的耐 水、抗微生物、抗植物根系穿透的优点，易于施工，获得厚涂膜，是一种 优良的防腐绝缘材料，在石油工业中获得了广泛的应用。按施工等级分为 普通级、加强级和特加强级三级，其结构由一层底漆和多层面漆组成，面 漆层间可加玻璃布增强。环氧煤沥青防腐涂层用于地下金属管道外防腐 时，应根据土壤腐蚀性选用不同结构和等级的覆盖层。 2 3 1 3 聚乙烯防腐层 聚乙烯防腐层技术是目前国内外地下管道外防腐的主要技术体系之 一，因其防腐性能好、吸水率低、机械强度高等性能，近二十年来在国内 地下输水、输气、输油管道上获得了越来越广泛的应用。我国过去采用两 层结构的聚乙烯防腐层，从19 9 5 年后，开始采用三层结构的聚乙烯防腐 层。两层结构的聚乙烯防腐层的底层为胶粘剂，外层为聚乙烯；三层结构 的聚乙烯防腐层底层为环氧涂料，中间层为胶粘剂，面层为聚乙烯。地下 金属管道采用聚乙烯防腐层作外防腐时，应根据土壤腐蚀性选用不同结构 和等级的覆盖层。 2 3 1 4 聚乙烯胶粘带防腐层 聚乙烯胶粘带防腐层由于施工方便，所需装备简单，能在现场实现机 械化施工，防腐性能较好，所以获得了广泛的应用。一般地段应用的聚乙 烯胶粘带防腐层分为普通级和加强级两个等级，对于特殊地段、特殊环境 可根据情况设计结构和等级。目前，我国由于原材料限制和生产工艺上存 第二章文献综述 在问题，生产数量较少，造价较高。 2 3 1 5 聚氨酯泡沫防腐保温层 聚氨酯泡沫防腐保温层以其低的导热系数、吸水率、环境污染和较高 的保温效率，施工机械化程度高，已经成为防腐保温的主要材料之一，聚 氨酯泡沫作为输送热介质管道的保温层，主要与聚乙烯防腐层配套使用， 其结构为防腐层保温层一防护层组成的复合结构。 2 3 1 6 熔结环氧粉末涂层 熔结环氧粉末涂层是近二十年来发展起来的新型防腐层技术，采用静 电喷涂工艺涂敷环氧粉末涂料，一次成膜，具有操作简便、无污染、涂层 抗冲击和抗弯曲性能好、耐温功能高等优点，在国外尤其是美洲地区得到 广泛应用，我国也应用了十几年。熔结环氧粉末涂层为一次成膜的结构， 其厚度应符合管道工程的设计规定，设计无规定时，可根据涂层使用条件 选用不同的涂层级别，涂层级别分为普通级和加强级两种。 2 3 2 地下金属管线的阴极保护 阴极保护是将被保护金属进行外加阴极极化以减少或防止金属腐蚀的 方法，它包括外加电流阴极保护和牺牲阳极保护法。 2 3 2 1 外加电流阴极保护 外加电流阴极保护是指将被保护金属与直流电源的负极相连，利用外 加阴极电流进行阴极极化的方法，其保护原理是：向被保护的金属通入一 定量的直流电，把被保护金属相对于阳极装置变成一个大阴极，使被保护 金属免遭电化学腐蚀。 外加电流阴极保护在实施时是直流电流从电源的正极经过导线进入接 地阳极，再从阳极转入土壤，电流在土壤中经过绝缘层有破损的地方而流 入被保护的管道中，然后沿管道流向汇流点，再沿导线流回电源的负极， 这样，地下管道整个表面便成了阴极，金属被保护，但接地阳极却遭到强 烈的腐蚀破坏。 地下管道的外加电流阴极保护的优点是：驱动电压高，输出电流大， 保护距离长，能灵活地控制电流的输出量，适用于各种土壤电阻率的环 境，施工较简单，缺点是：平时要有人维护管理，维护费用高，对临近的 金属设备有干扰。 一8 - 第二章文献综述 2 3 2 2 牺牲阳极保护 牺牲阳极保护是指选择一种比被保护金属的电极电位更负的金属材料 ( 如镁、铝、锌) 与被保护管道连接起来，由于这种金属的电位较负，它 就成了腐蚀电极的阳极，被保护管道就成了阴极而免遭电化学腐蚀。 因为这种方法是以电极电位更负的金属材料本身遭到强烈腐蚀去保护 地下管道，所以成为牺牲阳极保护。牺牲阳极与被保护的管道的电位差仅 几百毫伏，发出的电流一般是毫安级的，故牺牲阳极保护的范围不如外加 电流阴极保护的范围大，而且要消耗一定量的有色金属，并且受土壤电阻 率的限制，但是其优点是：不需要电源，不需要人员经常维护管理，由于 牺牲阳极保护负电位不很大，不会使管道超过最大保护电位，因此不会造 成绝缘层对金属管道附着力的恶化，又由于每个阳极输出电流强度不大， 阳极与阴极管道距离很近，特别适用于地下管道错综复杂的厂区管网和现 代化城市，使被保护管道以外的其他金属构筑物避免了由杂散电流所引起 的干扰。 2 4 本论文的研究目的与主要研究内容 随着石油工业的发展，地下管线在输送水、油品、天然气等各种物流 中，因其连续性高、安全、高效、成本低等优点而得到广泛的应用，发挥 着不可替代的作用，是企业生存和发展的生命线，其安全稳定运行对工业 生产和人民生活有着重大意义。但由于自然环境土壤的腐蚀性以及某种程 度上的人为因素，常常使管线发生腐蚀泄漏事故，造成环境问题或污染。 减少地下管线腐蚀的常用方法是进行防腐层保护，因此，地下管线防腐层 的检测技术，得到各国的高度重视，陆续开发出多种检测技术，但在这些 检测技术中，有些检测精度低，无法满足要求；有些操作复杂，对人员的 要求高；而有些设备的投资大，企业无法承受，因此，开发一种新的具有 方便、快速、准确特点检测技术，满足企业对地下管线检测和管理的需 要，摆在我们的面前。 第二章文献综述 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 、在查阅大量的国内外资料和广泛调研基础上，分析现有的各种 检测方法的优缺点，根据现场实际情况，开发新的检测方法， 并进行应用和验证； 2 、 分析管道的腐蚀机理，建立管一地体系的等效电路，给出防腐层绝 缘电阻的计算方法； 3 、进行大量的现场实验和开挖验证，为生产厂制定地下管线的维修计划 和日常维护提供依据。 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 3 1 地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 由于地下金属管线防腐层在管线腐蚀防护的重要作用，因此加强地下 金属管线防腐层的检测，对保障地下金属管线的安全运行具有重大意义， 为此，本文开发研究了一种新的检测方法一“电流梯度法。 3 1 1“电流梯度法”的检测原理 “电流梯度法 是一种在不开挖、不影响正常生产的情况下，能迅 速、简便、准确地测量地下管道防腐层状况的新方法。该方法分为定性检 测和定量检测。定性检测是指管线防腐层破损点的定位及整条管线不同管 段质量的相对好坏的确定。定量检测是指管线防腐层绝缘电阻值的测量， 它是反映防腐层质量的综合指标，根据绝缘电阻值，参照s y t 5 9 1 8 9 4 ， 可对防腐层质量进行评级。它既可作为新竣工管道的验收、检测手段，也 可对运行的管道进行定期监测，为管线的管理、维修提供重要依据，保证 管线的安全运行。 3 1 1 1 定性检测： 当一定频率的信号电流从管道某一点供入后，电流沿管道流动并随距 离的增加而衰减，对于干管及较长的管道，电流i 将随距离x 呈指数衰减， 即： i = i oe - a x ( 1 ) 式中： i o 一初始电流值，单位：m a a 一衰减系数，单位：d b m x 一测量点与供电点的距离，单位：m i x 点处的电流读数，单位：m a 将电流读数经对数转换后得到以分贝( d b ) 表示的电流值id b ，转换 关系为： id b = 2 0 1o g i + k( 2 ) 式中：k 一常数，单位：d b 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 定义y 为i d b 的变化率，单位为d b m ，即： y=(id b l i d b 2 ) ( x2 一xi ) ( 3 ) 通过把测试数据进行转换，可绘制出i x ，i d b x 和y x 曲线，图3 1 所 示的为其理论曲线，即管道防腐层无破损时的曲线： 图3 1 管道防腐层无破损时的曲线图 i x 曲线为实测结果，其规律不易观察，i d b x 则为一直线，其斜率为 y ，与0 【成正比，y - x 贝i j 是一水平直线。 当管道出现防腐层破损时，部分信号电流必将从该处流入土壤中，因 此，i d b x 曲线必将有异常的衰减，在y x 曲线上会出现一个明显的脉冲形 突变，这就是利用电流的异常衰变，确定防腐层破损点的原理。 图3 2 所示为管道防腐层有破损时的id b x ，y - x 曲线： 图3 2 管道防腐层破损时的曲线图 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 3 1 1 2 定量检测 当在埋地管道和大地之间施以交流信号时，管一地之间存在弱耦合，使管一 地体系可看成是一个相对均匀的传输线路，这一回路可以描述成由许多个微段组 成，每个微段等效成如图3 3 的等效电路： 图3 - 3 微段等效电路 图中：z i 为管道纵向阻抗； y i 为管道横向导纳； z s 为土壤内阻抗： y s 为土壤的横向导纳 其中：z i = r i + j ( i ) k iy i = g i + j ( - ) c i 式中：r i 为管道的单位长度纵向电阻单位q m l i 为管道的单位长度纵向电感单位h i n g i 为管道的单位长度横向电导单位1 q m c i 为管道的单位长度横向电容单位f i n 土壤是由固体颗粒、液体和气体组成的多相混合物，在一定的条件下，地的 电性可以作简化处理应用”电流梯度法”检测埋地管道时，土壤中的电流以传 导电流为主，即z s = r sy s = g s 图三微段等效电路可写成图四形式，为讨 论问题的方便，图3 4 可等效为图3 5 简化形式 r i d xi i d xr s d x 图3 - 4 微段等效电路 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 其中r = r i + r 。 图3 - 5 微段等效电路 g + j 以：坠j 竺坚 。 ( g i + i c o c o + g 当所加入的交变信号为正弦波时，可用下边微分方程表示 孚：- ( g + j c a l ) i d x 罢一( g + j c o c ) u 把式( 5 ) 对x 求导，并将式( 4 ) 值代入可得 一d2i：限+jcol)(g+jcoc)idx 、 令r = 、( r + j c o l ) ( g + j c o c ) ：a + j p 在有线传输理论中，q 称为衰减系数， 1 3 称为相移系数，则式( 6 ) 解方程后得 i = h e l l + b e “( 7 ) 式( 7 ) 中第一项随x 的增大而减小，在有线传输理论中称为入射波，第二项随x 的增大而增大，称为反射波在埋地管道的检测中，大部分情况下可忽略反射信 号的影响，则式( 7 ) 可简化为 i = h e l ( 8 ) 在管道的检测中，微段电路长度远小于信号波长，因此，可以忽略相移常数的影 响，式( 8 ) 可简化为 i = h e 吨 ( 9 ) 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 起点电流已知时，即z - - 0 时，电流为i 。，则式( 9 ) 为 昶 i = i o e - o 1 ( 1 0 ) 管道上任一点的电流可由检测仪器测出，则可由式( 1 0 ) 计算出q 值，由 r ：、( r + j c o l ) ( g + j c o c ) ：a + j p 整理后得： 一其中，我们所需要的管道防腐层绝缘电阻r g 包含在g 中，在r 、l ，c 己知的情 况下求出g 后即可计算出r g 3 2 检测仪器及检测方法 检测仪器为英国雷迪公司生产的管线探测仪，它包括一台 r d 4 3 3 h c t x 一2 型发射机和台r d 4 3 2 p d l 一2 型接收机，发射机可向管道施 加多个不同频率的电信号，接收机可探测信号电流值。该探测仪主要用于 地下管线走向定位及埋深测量，不具备其它功能。由于它能够测量管线信 号电流，针对这一特点，课题组开发出电流梯度技术，使其功能进一步扩 展为具有检测管道外防腐层状态的能力。具体检测方法分三步进行： 首先，用发射机向管道送入信号电流：将发射机输出线的一端接在管 道上，另一端接到远地极上，接在管道上的信号供入点尽量选择在干管并 且它附近的管道没有接地装置。远地极与被测管道的垂直距离应大于3 0 米，附近不要有其它管道，远地极与地要有良好的接触，必要时，可在其 附近浇水。施加信号电流后，要检查回路各处接触是否良好，调整输出电 压到适当位置，选择适宜的工作频率，以避免外界对测试的干扰。 第二，测量管中信号电流：选定与发射机相对应的频率，在管线定位 的基础上，沿管道进行电流测量，可以等距或不等距进行，间距视被测管 线长短而定。在测量中发现异常时，应检查读数，并检查是否有支管，以 区分是由于支管引起的异常，还是由于防腐层破损引起的异常，必要时， 再加密测量。 第三，测量数据的处理：将数据x i ，i j 及管道情况录入计算机，经处 理后，得到id b - x 和y - x 曲线，经过对曲线的综合分析可定性地了解被测管 第三章地下金属管线防腐层状态检测方法的研究 道的状况，对防腐层破损点进行精确的定位。把数据通过r g 计算模块计算 后，可得到防腐层绝缘电阻r g 值，按表3 - 1 即可评级。 表3 1 沥青防腐层等级划分： 绝缘电阻值 1 0 0 0 05 0 0 0 3 0 0 0 5 0 0 01 0 0 0 3 0 0 0 8 2 3 - 4 72 91 9 一级 c p 南给术d a 6 0 0 x 8 2 2 - 5 626 5 四缓 c p 北给水由5 0 0 x 8 3 8 5 020 3 四级 泵房南给水 中9 0 0 x 1 03 8 5 838 9 三缓 第四章涤纶厂、化t j 的管线检测 表4 - 6 化工厂告【i 分管段r g 值计算数据 管道名称骨径擘厚分段双频对比瞻他等级 ( 咖)( m )( k o * m 2 ) 水汽南给水0 3 2 5 x 8 3 55 52 】o凹级 芳烃里同水 中3 2 5 87 5 一1 0 5l i l 凹级 片烃里给水 m 3 2 5 x 82 0 一1 0 0 74 3 一级 芳烃给水 0 2 7 3 x 8 2 97 7l - 1 0 凹级 8 l1 0 524 5叫缀 艿烃网求 m 2 7 3 x 84 27 4 l1 4 凹级 8 21 0 236 7 二级 凹段给求 0 8 2 5 x l o1 04 054 2 级 43 1 l ：工厂开挖验证 经分析检测结果，决定选择3 处进行开挖验证。确认化上j 冉5 处营段 的防腐层存在破损，选择其中2 处进行开挖，即水汽南给水祁片烃坐回水 片jo jl 型管道防腐层电火花检 i i ；仪进行防腐层质量检测，并进行，防腐层 删厚以及局部剥离宴验另外，选l 处进行定量检测即芳烃给、四水。 水汽南给水管段开挖后的情况见图4 9 ，开挖处距加电点3 0 m 一3 5 m 问的 图4 9 水汽南开挖现场 管段，开挖长度5 m 防腐层外观基本完好，订：泵房什 水管与1 管树立处防 j ；5 层局部卅观脱离现敦，a ：脱离处有血积2 2 c m ，深约3 m m 的蚀坑，见图 41 0 ：再制f 什防腐层外罐有锈斑，见图4 】：用屯火花榆描仪检测，n 第四章海纶厂、化工厂的管线检测 l2 k v 档，防腐层有两处祸点，在2 0 k v 档，有一处漏点，见图4 9 中画圈 处；测试涂层厚度1 0 m m ，进行剥离实验，结果为合格。 图4 一1 0 管壁上的蚀坑 图41 1 防腐层上的锈斑 芳烃里回水管段开挖后的情况见图4 1 2 ，开挖处距加电点7 0 m 一7 5 m 问 的臂段开挖长度5 m 。外防腐层基本完好，有两处因当年施上造成的损伤 和雎痕，被挤压处管壁；j 有薄薄的一层沥苛；管道与其它管道措接，挤压 外防腐层，经电火花检涡仪检测，该处防腐层有破损，见图4 一j3 。 第凹章涤纶厂、化l ：厂的管线检测 图41 2 芳烃里开挖现场 婚蝴 图4 1 3 管线搭接情况 在管道f 方有吊耳表面无肪腐处理呈裸露状态见阳4 1 4 ，经 电火花枪漏仪检测在12 k v 档，防腐层有三处漏点，在1 6 k v 档，有两处漏 点在2 0 k v 档，有= 处漏点：涂层测试厚度为7 m m ，进行剥离实验，结果 为合格。 第四章涤纶厂、化。i ：厂的管线检测 嘲 图4 一1 4 裸露的吊耳 芳烃给水和芳烃同水开挖处为距加电点8 2 m 一10 2 m 问的管段，开挖现场 见图4 1 5 ，检测数据分别为2 0 0 0 n m 2 和3 0 0 0 n m2 与软件计算结果基本一 致。 图41 5 芳烃给、回水开挖现场 44 经济效益分析 循环水地下输水管网是我公司的牛命线，是生产工艺流程中不可缺少 的设备。这些管网自一九七七年建设、一九八一年投入使片j 以来，埋于地 下精近2 0 年，加之各种腐蚀因素的作片j 及施工质最的影响使防腐层质量 随着时间的推移逐渐老化退变，腐蚀加剧。近年来管道泄漏频繁从一九 第四章涤纶厂、化工厂的管线检测 九一年至一九九五年的六年间，仅化工厂共发生泄漏1 1 4 次，每年要耗资十 几万元进行维修，若更换1 5 的管线则需停水、停车，耗资上百万元，而停 车造成的损失就更大了。应用此项技术对地下循环水管网进行检测，初步 了解了管线的外防腐层的状态，取得了良好的效果，主要表现在： 1 对出现的泄漏点定位准确，避免了抢修中的盲目性，缩短了抢修工 期。以往根据泄漏到地面的水迹来确定开挖地点，有时泄漏点距开挖地点 偏差少则2 3 米，多则5 6 米，大大增加了抢修中的工作量，延长了抢 修周期，应用该技术后，由于定位准确，使破损部位得到了及时的抢修， 每年可节约维修费用约1 0 万元。一 2 初步了解了外防腐层的状态，对防腐层质量较差的管段做到心中 有数，在装置大修中及时维护，在日常管理中密切注视，保证管网的正常 运行和生产的顺利进行，每年可节约管道更换费用及非计划停车的损失合 计约5 0 万元。 此外，本检测技术适用范围宽，可用于输送水、石油、天然气、煤气 等物料的地下金属管道的检测。目前，我国许多大中城市实现了集中供 热、煤气化，随着时间的推移，地下管道泄漏事故频发。一九九六年，天 津、青岛、福州等地发生煤气泄漏中毒事件，济南、扬州发生煤气爆炸恶 性事故，由此看出，管道的泄漏已经成为事故的主要隐患，输油管线的泄 漏不仅会造成物料的损失，更严重的还会造成环境污染。而采用本检测技 术能对管线的防腐层破损点准确定位，避免了抢修中的盲目性，缩短了抢 修工期，使破损部位得到及时的抢修，保证了管线的正常运行和生产的顺 利进行。此外，采用本检测技术能够了解管线防腐层状况，对防腐层质量 较差的管段及时维护，防患于未然，保证国家的财产和人民生命的安全， 因此，具有巨大的经济效益和社会效益。 第五章、结论 第五章、结论 本文在英国雷迪公司的地下管道检测仪器的基础上，经过理论推导， 多次反复进行现场实验，不断修改和完善之后，开发出“电流梯度法”， 该方法可用于地下管线的定位、外防腐层破损点的定位及外防腐层状态的 评估，了解地下管线运行现状，指导管线的维护，保障管道安全运行。 通过本论文的工作，得到如下结论： 1 本文在英国雷迪公司的地下管道检测仪器的基础上，开发出“电流梯度 法，该方法分为定性检测和定量检测。定性检测是指管线防腐层破损 点的定位及整条管线不同管段质量的相对好坏的确定。定量检测是指管 线防腐层绝缘电阻值的测量，它是反映防腐层质量的综合指标，根据绝 缘电阻值，参照s y t 5 9 1 8 - 9 4 ，可对防腐层质量进行评级。该方法具有 方便、快速、准确的特点，属国内首创，处于国内领先水平。 2 采用“电流梯度法”进行了大量的实验，对化工厂、涤纶厂的地下循环 水管线进行检测，检测长度约3 0 0 0 多米，其中选择化工厂的3 处进行开 挖，证明检测结果是准确的。“电流梯度法”在管线外防腐层的检测中 取得了很好的应用效果。 3 本文提出的检测方法可用于地下管线的定位、外防腐层破损点的定位及 外防腐层状态的评估，对维护地下金属管道安全运行有保障作用，具有 良好的经济效益和社会