IR降消除技术在长输管道上的应用研究

1、IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研第一章IR 降的产生及危害1.1IR 降的产生所谓 IR降系指电流在介质中流动所形成的电阻压降,给电位测量结果造成误差,通常都在几十mV 到几百 mV 之间 ,当电阻率很高时几千mV 也会出现。由于 IR 降在阴极保护电位测量中难以避免，所以消除IR 降的测量技术就成了各国腐蚀专家的首要任务，二十世纪七、八十年代IR 降问题曾引起国际腐蚀界关于阴极保护准则的大讨论，最终以NACERP 0169 92 的修订而告终。针对新的准则制订了测试方法标准NACETM 0497 和 NACETM 0101 。在这些标准中 , 都对测量中的 IR 降加以限定 ,

2、 一般条件下可用断电法 , 对于有干扰存在时就必须使用试片或探头断电法。1.2IR 降的定性分析在不存在接地保护装置牺牲阳极系统及杂散电流影响的管段.IR 降 U=IR其中 I 为流过土壤中的阴极保护电流，R 为该段土壤的电阻。h 代表管道的埋深，s 代表参比跟地面的接触面积。I=i*s,其中 i 代表管道阴极保护的电流密度；R=p*h/s ，其中代表土壤电阻率，h 代表管道埋深；则 U=i* *h 。U的大小只跟i 、 h 有关。按资料，对于3PE涂层管道保护电流密度一般为1 mA/m 2。那么对于 =100 m，埋深为 2m的管道，在防腐层缺陷附近，无接地保护装置牺牲阳极系统及杂散电流影响

3、的情况下，其 IR 降为 200mV。1.3IR 降危害实例1.3.1四川气田榕佛管道1999 年 3 月，德国PIPETRONIX公司对已运行20 年的四川气田南干线榕山至佛荫段管道进行了智能清管检测。榕山至佛荫段管道处于浅丘地区，管径720mm、全长 25.4km、管材16Mn、螺旋焊缝管、设计压力4.0MPa、外防腐层为石油沥青加强级，于1979 年 7 月投入运行。检测显示：（1）在原认为采用涂层加阴极保护方式，长期认真监测通电电位Von 均负于-0.85V ，阴极保护充分的管道上却发生了严重的外腐蚀及穿孔，453 处明显的外腐蚀区，其中穿孔 1 处，大于壁厚50腐蚀区3 处；（ 2）

4、原管道极化电位Voff 在 -0.7 0.78V 之间，没有达到保护电位，管道长期处于欠保护状，未达到阴极保护应有的效果；（3）腐蚀坑集中分布于石油沥青防腐层破损处，涂层完好的地方管道没有发生腐蚀。.1.3.2 利比亚西部管道利比亚西部管道平行敷设两条不同管径的原油管道和天然气管道，处于沙漠地区， 土壤电阻率很高，中国石油天然气管道工程有限公司的测试显示，管道的IR 降处于530mV 到1040mV之间。1.3.3德国 PLE 公司管道德国 PLE公司曾在 60 年代，对他们所辖管道上进行了IR 降的研究和评价， 发现在 -0.85V电位保护下，管道腐蚀仍很严重。当他们采用消除IR 降成分的方

5、法重新评价这些管道时，只有 60的管道达到了真正的保护（-0.85V ）。在保温夹克管测试中，由于防腐保温层绝缘电阻很大， 测得的保护电位偏负许多，有些超过一2OV甚至更负， 但管道有的仍发生腐蚀，也是 IR 降引起的。在沥青、水泥路面上方测得的电位，明显负于相邻测试桩测得的电位值，这也是由于沥青和水泥高电阻引起IR 降的结果。第二章现有电位测量中IR 降消除方法IR 降是由参数I和 R 共同作用的结果,因此消除 IR降的方法也应从消除或降低这两个参数着手。 目前人们所采用的排除或减小IR 降的方法主要有：断电法、 试片断电法、脉冲技术、极化探头法、 原位参比法 (近参比法 )、 土壤电位梯度

6、技术、 交流电技术等。在 NACE TM 0497 中重点推荐使用的也是断电法。只要条件允许，采用断电法可以测出管道的真实电位，但在实践中，受管道周围条件所限，断电法却往往也不尽人意。NACETM0497指出：“如果有杂散电流、或牺牲阳极与管道直接相连、或存在外部强制电流设备并且不能被中断的话。 很难得到理想的测量结果， 或者说测量结果无法分析” 不得不采用试片或探头来测量管道的真实电位 。2.1 瞬间断电法断电意味着I 0，因而 IR 0。断电之后，管道电位立即降落下来，然后再慢慢衰减。前面这一电位瞬间急落便是IR 降成分。.图 断电后去极化曲线2.2试片断电法试片断电法是在测试点处埋设一裸

7、试片，其材质、 埋设状态和管道相同，试片和管道通过电缆连接， , 这样就模拟了一个覆盖层缺陷，由管道的保护电流进行极化，在试片上部用一支硬塑料管直达地面, 在管中填满导电性材料, 测量时把参比电极放在塑料管的顶部, 由于试片与参比电极间的电阻较小所以IR降也小。测量时，只需断开试片和管道的连接导线，就可测得试片的断电电位，从而避免了切断管道主保护电流及其它电连接的麻烦，杂散电流的影响亦小，可忽略不计，而且不存在断电后的极化率差异的宏电池作用。2.3极化探头法极化探头法类似试片断电法。采用极化探头进行电位测量，极化试片平时用导线与管道相连， 使试片受到与管道同样程度的极化。测量时断开试片与管道的

8、连接，切断试片的阴极保护电流，立即进行电位测量，得到极化试片断电电位。此即为极化探头法。极化探头原理图.极化电位测试探头接线示意.2.4近参比法因参比电极和被测表面间土壤电阻（R）变小，而使IR 降减至最小。该法可以在工程实践中推广试行，具有参比点位置固定的特点，克服了地表参比点位置差异可能造成的误差，提高了数据的可比性。不过，对于高电阻、大电流状态下，且参比电极位置又没对准覆盖层缺陷时，IR 降误差仍然存在，这是因为IR 降主要产生在被测表面的头几个毫米位置上。2.5密间隔电位测试法（ CIPS 法）密间隔电位测试就是将参比电极沿管道移动, 使用数据采集器间隔1 2 m连续读取并存储管地电位

9、数据, 通过专用软件, 绘出连续的管地电位曲线。这样 , 就可以得到整条管线完整的阴极保护电位分布曲线。为了消除土壤I R降的影响, 测取外加电流阴极保护系统下的真实管地电位(OFF电位 ) ,测试时数据采集器一端与参比电极相连, 另一端通过电缆与管道测试桩相连, 在阴极保护阳极地床到恒电位仪之间串接一个中断器, 测量前数据采集器应通过全球GPS 定位系统与另外两端送电的CP 站实现中断器的同步。测量时 , 操作人员沿管道行走, 在管道的正上方每隔1m 左右移动参比电极, 测取中断器通断下的管地ON /OFF 电位 , 根据 ON /OFF电位的变化情况来评价管道的阴极保护情况。.2.6加强测

10、试法测量管顶上方管地电位， 同时测量出相对应的与管道垂直的（间隔 10m）电位梯度，经计算获得消除 IR 降的管道 / 土壤界面电位的测量技术。用于修正测试防腐层破损点多的管段的断电电位。计算公式为IR-free A 测量点的消除 IR 降电位， mV。VVon A 测量点的通电电位，mV；Voff A 测量点的断电电位，mV；Von 通电状态下， A 与 B 两测量点间的直流地电位梯度，mV；Voff 断电状态下， A 与 B 两测量点间的直流地电位梯度，mV；.第三章IR 降消除方法的应用与比较3.1克轮线消除 IR 降实验（近参比法、瞬间断电法）在克轮输气管线开挖验证和防腐层修复现场，管

11、道破损点段被整体挖出，利用该条件，分别使用地表参比法、近参比法、瞬间断电法进行了测试： （使用接地摇表测量该地土壤电阻率为 31?m）近参比法、断电法实验步骤：（ 1）在管道防腐层破损点处进行简单打磨处理，暴露钢管。（ 2）将万能表正极插用力压到钢管上，万能表负极接便携式参比电极。（ 3）将参比电极放置在紧贴管道防腐层处 （留有少许土壤） ，并将参比电极下部分用土埋好，少量浇水，读取万能表读数，记为近参比法电位。（ 4）将参比电极放在管道正上方的管堤上，少量浇水，读取万能表读数，记为通电电位。（ 5）使用手机与守候在末站恒电位仪前的人员联系，切断恒电位仪开关。过程中用相机全程拍摄万能表的读数变

12、化。 通过分析拍摄下的视频确定断电电位：视读数第一次变化的时刻为断电时刻，第二次电位变化的时刻视为IR 降消除的时刻，该电位视为断电电位。断电电位的读取问题：不论是在极化建立或是衰减瞬间都会产生很强的电位脉冲，不同环境、 规格和涂层种类的管道脉冲强度不同，时间参数也不同，为避免电位脉冲对测试结果产生影响，根据现场所用万用表的响应时间及管道的实际状况，确定读数的时刻。虽然不同文献中， 50ms到 100ms、500ms读数时刻都被推荐过，但读数差距不大。在现有的实验条件下， 我们根据北京安科公司的经验， 取断电后万能表的第二次变化时刻为断电电位读数时刻。.图通电电位Von图断电电位Voff （视

13、频截图）注：在现有条件下，为了把握合适的断电电位测试时刻，我们用视频功能将断电电位的变化记录下来，根据断电去极化衰减曲线（如下） ，取了断电后电位第二次变化的数值作为断电电位。图使用电位记录仪得到的去极化衰减曲线使用近参比法和瞬间断电法消除IR 降的比较位置地表参比法 /V近参比法 /V瞬间断电法 /V近参比法 IR 降瞬间断电法 IR 降 /V/V109#+970m-1.326-1.326-1.10200.225110#+300m-1.328-1.327-1.0880.0010.239通过以上测试， 在克轮输气管道以上位置，使用地表参比法与近参比法测得的电位相差不大，而瞬间断电法与地表参比法

14、测得的电位有明显的差距，均超过200mV。近参比法未能有效消除IR 降原因理论分析：从消除 IR 降的原理上说，只能把参比电极放置在靠近管道表面的位置，而不是管道-电解质界面； 如果最近的防腐层缺陷与参比电极的位置相隔很远，即使把参比电极放在带防腐层的管道表面，也不能显著降低IR 降。3.2迪轮线消除 IR 降实验（瞬间断电法）在迪轮线出站段进行了IR 降消除实验，仅在测试桩上进行实验。使用接地摇表测量该.地土壤电阻率为17?m。迪轮线断电法实验步骤：（ 1）将万能表正极与测试桩接线柱相连，万能表负极接便携式参比电极。（ 2）将参比电极放在管道正上方的管堤上，少量浇水，读取万能表读数，记为通电

15、电位。（ 3）使用对讲机与守候在迪那作业区恒电位仪前的人员联系，切断恒电位仪开关。过程中用相机全程拍摄万能表的读数变化。通过分析拍摄下的视频确定断电电位：视读数第一次变化的时刻为断电时刻，第二次电位变化的时刻视为IR 降消除的时刻，该电位视为断电电位。迪轮线 IR 降消除实验数据测试桩编号地 表 参 比 法断电法 /V断电法 IR降/V/V2#-1.1175-0.88530.23224#-1.149-0.94370.20535#-1.1557-0.94310.21266#-1.1572-0.89820.2597#-1.143-0.89950.24358#-1.15-0.9280.2229#-1

16、.148-0.8950.25310#-1.156-0.8990.25711#-1.156-0.9460.2112#-1.14-0.8840.256使用瞬间断电法测得电位与地表参比法电位比较.3.2实验结论（ 1）在 3PE防腐层有较高的电阻率，在这类管道上采用外加电流阴极保护会产生较大的电阻IR 降，会对测试结果产生影响，需要经过消除IR 降的测试才能测出管道的真实阴极保护电位。（ 2）对采用3PE 防腐层这类高电阻率防腐层管道，单纯使用近参比法，难以有效消除IR 降。（ 3）克轮线、迪那线所实验位置的管道在普遍存在超过200mV的 IR 降误差的情况下，极化电位仍负于GB-T 21447-2

17、008 钢质管道外腐蚀控制规范规定的最小保护电位，处于保护状态。（ 4）在尚未对进行 IR 降的有效消除前， 各条管道恒电位仪输出电位值设定为-1 。15V，是较为保险的做法。3.3实验局限（1）由于没有高速电位记录仪等设备，不能准确读取断电法中断电电位，只能通过经验取断电后电位第二次变化的值作为断电电位，结果可能含有一定误差。（2）断电法需要耗费较多的人力和时间，不能作为全线电位测量的手段，仅能作为特定位置的评价、验证方法使用。（3）在塔轮线、吉牙线、英轮线等使用2 台以上恒电位仪器的管道上以及使用牺牲阳极法保护的牙- 牙凝析油、液化气、天然气管线上，无法使用断电法进行实验。.3.4消除 I

18、R 降方法的比较以克轮线、迪轮线IR 降消除实验为出发点，结合试片断电法、CIPS 法、极化探头法的原理及 IR 降消除相关文献，对各种消除IR 降方法比较如下：IR 降消除方法比较近参比法瞬间断电法加强测试法试片断电法CIPS 法极化探头法描述U=IR（在无接地保护装置牺牲阳极系统及杂散电流影响情况下）公式消 除减小土壤电方式阻 R优点参比点位置固 定 的 特点，克服了地表参比点位置差异造成误差使保护电流I降为零一定条件下，测得 IR 降较为准确同断电法同断电法修 正 了 断 电不必频繁的法 在 测 试 防切断阴保电腐 层 破 损 点源；受杂散多 的 管 段 电电流影响较位时的误差小；应用范

19、围广同断电法类似于试片断电法使用 GPS断 不必频繁的流和高速记 切断阴保电录仪，结果 源；受杂散较准确且再 电 流 影 响现性好；对 小；应用范全线阴保状围广；一定况评估；程度上代替参比电极；费用低缺点高电阻、大频繁断开阴保相 比 于 断 电需开挖埋设检测系统费电 流 状 态电源，且无法法 增 加 了 工试片、改造用较高，一下、参比电消除由杂散电作量测试桩，工次性投入大极位置未对流和二次电流程量较大准覆盖层缺导致的非欧姆陷时无效压降。使 用 牺 牲 阳 极 牺牲阳极无特殊要求 牺 牲阳无特殊要求条件要 与 管 道 断要 与 管 道 断极要与管道开；开；断开；. 多 站 保 护 多站保护 多

20、站保的各站要同时的 各 站 要 同护的各站要同步断开；时同步断开；同时同步断开；适 合克轮气线、迪管道轮气线、迪牙凝析油、 轻油、液化气线克轮气线、 迪全部25 条除了使用牺全部25 条轮气线、 迪牙管道牲阳极保护管道凝 析 油 、 轻的管道油、液化气线第四章建议4.1实施进一步的IR 降消除工作的方案GB-T 21447-2008 钢质管道外腐蚀控制规范规定对于长输油气管道，应每年测试瞬间断电电位一次。 且根据迪轮线和克轮线的实验结果，塔里木油田管道上真实存在着明显的IR 降，有必要进行进一步的IR 降消除工作，并根据去IR 降后的电位调整恒电位仪的输出。4.1.1现有实验手段的方案（瞬间断

21、电法）目前不购置新设备的条件下，在使用强制电流阴极保护且只投用一台恒电位仪的管线（克轮气线、迪轮气线、迪牙凝析油、轻油、液化气线等5 条管线）上可以进行通瞬间断电法消除 IR 降。通过测量掌握以上管道部分特征点的的IR 降的大小，评估管道全线的IR 降大小。此法只能用于克轮气线、迪轮气线、迪牙凝析油、轻油、液化气线等管线。4.1.2使用高速记录仪记录去极化电流衰减的方案（瞬间断电法）使用现有实验手段，且通过记录仪记录去极化电流衰减曲线，从而提高现有实验手段中断电电位测量的准确性。需购置高速电位记录仪2 台。（ RX4000B记录仪报价2450 元，按2 台计增加费用4900元）.此法只能用于克

22、轮气线、迪轮气线、迪牙凝析油、轻油、液化气线等管线。4.1.3使用 CIPS 法的方案使用 CIPS 仪，定期检测对各管线全线的断电电位，评估全线的阴保有效性。需购置 CIPS+DCVG一套。（天津市嘉信技术工程公司报价27.6 万元）。在配置足够多的中断器的情况下，该法的适用范围扩展到所有强制电流保护的管道，但该法仍然不适用于采用牺牲阳极保护的管道。值得注意的是：仅使用 CIPS 法对阴保有效性进行评价，从原理上来说，因为有杂散电流、二次电流等干扰， 不能完全消除IR 降，在怀疑有上述干扰因素时，必须结合其他方法( 加强测试法 ) 和仪器（ SCM）使用 CIPS 法，才能达到有效消除IR

23、降的目的。4.1.4埋设断电试片的方案该法需要寻找专业的阴保施工队伍进行施工，选取管线特征性较强的点进行试片安装以及测试桩的改造。在日常维护中，也需要定期对试片进行维护防止其失效。（北京安科阴保施工估价为2000 元 / 测试桩）该法适用于塔里木油田所有长输管道。4.1.5使用极化探头法的方案从消除 IR 降的原理上来说，由于极化探头特殊的结构, 其测量参比电极与被测量对象之间的电阻被压缩至最小，且处于封闭的环境中测量，消除了杂散电流、二次电流等干扰的影响 , 能最大限度地减小IR降。但由于尚未在我管道上进行实验验证，其效果仍有不确定性；通过联系天津中海辰兴公司，对方表示可以免费邮寄一支极化探头作为实验使用；我们将分析比较极化探头法和CIPS 法测得的电位，以确定该法是否适用于塔里木油田输油气管道。应用极化探头法，则阴保班