楊 琪 楊劍鋒 劉文彬 陳良超 張雅新

(1.北京化工大學機電工程學院；2.遼陽石化機動設(shè)備處)

多頻管中電流法在埋地管道檢測中的應用①

楊 琪1楊劍鋒1劉文彬1陳良超1張雅新2

(1.北京化工大學機電工程學院；2.遼陽石化機動設(shè)備處)

介紹了多頻管中電流法(PCM)，并結(jié)合某天然氣埋地管道的實際檢測過程，說明了PCM方法對于埋地管道檢測的可行性和不足之處。

埋地管道 管中電流法 防腐層 無損檢測 油氣運輸

管道運輸是我國石油和天然氣最主要的運輸方式[1]。埋地管道作為管道運輸?shù)闹匾M成部分，由于輸送距離長、難以直接測量以及地表環(huán)境復雜多變等因素不適合運用常規(guī)方法進行檢驗[2]。腐蝕是管道失效的主要原因之一，由于受外部環(huán)境、輸送介質(zhì)及操作等因素的影響，隨著管線服役期的增長，腐蝕導致金屬管道管壁減薄，承壓能力下降[3]。為了保障長輸管道的安全運行，避免重大事故的發(fā)生，業(yè)內(nèi)普遍采用外防腐層和陰極保護組成的防腐系統(tǒng)。通過外防腐層避免管道本體與土壤進行直接接觸，可以有效減輕長輸管道的腐蝕狀況。

我國對管道外檢測技術(shù)的研究開始于20世紀80年代中期，取得了一定的成果，但是沒有投入到實際工業(yè)應用中。近年來，多頻管中電流法(Pipeline Current Mapper，PCM)因設(shè)備價格相對便宜，操作比較簡單，已被行業(yè)內(nèi)廣泛應用于埋地管道的檢測。PCM的主要原理是通過測量管道中電流衰減梯度來確認防腐層的狀況，故也可稱為電流梯度法[4]。它可以通過分析埋地管道中電流的變化，來對管道進行定位、測深、電流強度測量和方向判別，并且可以對管道外防腐層狀況進行評估。PCM具有測量準確，不需開挖直接進行檢測的優(yōu)點[5]，被廣泛應用于石油、化工、城市燃氣及其他管道輸送行業(yè)，通常作為新管道的驗收手段和在役管道的定期檢測方法。

1 PCM系統(tǒng)的組成與檢測原理

PCM系統(tǒng)包括發(fā)射機、接收機和A字架[6]，如圖1所示。通過分析電流的衰減梯度，可以對管線外防腐層的老化狀況進行分段評估，與A字架配合使用可以精確定位防腐層破損點，其精度在厘米級。即使存在支管或管網(wǎng)，也能進行有效測量，對于不同管徑、不同環(huán)境、不同防腐層的鋼質(zhì)埋地管道都可以進行精確檢測[7，8]。

圖1 PCM系統(tǒng)組成

目前針對防腐層完整性，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)建立了較為成熟的質(zhì)量評價模型，根據(jù)評價模型可推算出防腐層的性能參數(shù)值Rg。

從待檢管道某一點接入一個具有固定頻率的激勵信號后，電流從該點沿管道向兩側(cè)傳輸，其強度受到傳輸距離、電流頻率及管線電導率等因素影響，按某一特點函數(shù)進行衰減。待檢管道中任一點電流強度A將隨距離X按指數(shù)規(guī)律進行衰減，其表達式為：

A=A0×e-αx

(1)

式中A——實測電流，mA；

A0——接入點處原始電流強度，mA；

x——檢測點與電流接入點的距離，m；

α——衰減系數(shù)，與管道的多個電特性參數(shù)相關(guān)。

電流A經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后可以得到以分貝(dB)表示的電流值，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

I=20lgA+K

(2)

衰減系數(shù)與電流變化率β具有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

β=8. 686α=(I1-I2) / (x2-x1)

(3)

激勵電流沿管線傳播過程中會逐漸衰減，其速率與管道外防腐層的絕緣電阻率有關(guān)。通過計算檢測信號的損失率，對照相應的防腐層絕緣電阻，從而判斷防腐層老化狀況。

2 PCM方法的實施

使用PCM系統(tǒng)進行測量時，首先將發(fā)射端接地，通過發(fā)射機向管道接入一低頻電流(通常為4Hz)，電流沿管線形成電磁場，利用接收機可以分析磁場信號來確定管道的位置、走向和深度，并逐點采集電流信號。當管線外防腐層存在破損，或管線本體由于疲勞、腐蝕等原因而產(chǎn)生微裂紋時，電流信號會出現(xiàn)異常的大幅衰減。當發(fā)現(xiàn)信號異常衰減時，可以配合使用A字架對管線的破損點位置進行確認，并確定破損點的大小。通過計算信號電流損失率來確定管道外防腐層的絕緣電阻值，得出外防腐層狀況。

通過檢測管線上形成的電磁場信號和電流信號，PCM系統(tǒng)可以對管線走向、埋深進行檢測，也可以判斷外防腐層破損點的位置和大小。

2.1管道走向的檢測

對于管線走向檢測，常用的方法有零值法和峰值法兩種。

當采用零值法進行管道定位時，電流通過接收機內(nèi)部的豎向線圈，產(chǎn)生了磁場，當接收機位于管道正上方時，線圈與磁場方向平行，受磁場作用最小，產(chǎn)生的感應電流最小，接收機示值為零；當接收機離開管道正上方左右偏移時，感應電流示值增大，零值法探測示意圖如圖2所示。

圖2 零值法探測產(chǎn)生的磁場與感應電流示意圖

當采用峰值法確定管道位置時，接收機內(nèi)部的橫向線圈受電流影響產(chǎn)生磁場，當位于管道正上方時，橫向線圈與磁場方向垂直，接收機線圈受磁場作用最大，感應電流最大，接收機達到峰值，當接收機在管道正上方左右移動時，接收機示值隨之減小，峰值法探測示意圖如圖3所示。

圖3 峰值法探測產(chǎn)生的磁場與感應電流示意圖

2.2漏點處的電輻射分布

當激勵電流信號沿管線傳播時，若管線外防腐層出現(xiàn)破損，該處的電流信號會泄漏流入大地，并形成以破損點為中心的球形等電位梯度線，這一現(xiàn)象可通過接地探針進行檢測。在地表處，等電位梯度線以破損點正上方為中心呈圓形分布，其周圍電位分布呈等距離等電位，破損點電位梯度分布如圖4所示，利用A字架進行跨步電壓測試，接收機箭頭指向破損點。

圖4 埋地管道防腐層破損點電位梯度分布

2.3外防腐層質(zhì)量的判斷

通過計算激勵電流信號損失率，PCM法可以定量判斷外防腐層絕緣電阻，從而評定外防腐層狀況。行業(yè)標準SY/T 5918-2011按照防腐層絕緣電阻值將管道防腐層的老化狀況分為5個等級[9]，對應關(guān)系見表1。

表1 防腐層整體質(zhì)量評價方法

3 基于PCM檢測的應用

將西北地區(qū)某段高壓注氣埋地管道作為待檢管線。該管線的總長度為1.5km，管線直徑為114mm，其中輸送介質(zhì)為高溫高壓蒸汽，壓力為5～6MPa，溫度為200℃。管線原始壁厚為10mm，平均埋深1.5m，無陰極保護。此次檢測使用的儀器為LD PCM埋地管道檢測儀，同時在開挖后使用Olympus 27MG超聲測厚儀、多功能土壤腐蝕速率測量儀CMS-140A進行管道剩余壁厚檢測和土壤電阻率檢測作為輔助檢測手段。

在確認發(fā)射端良好接地后，向該管線接入一個頻率為4Hz、強度為300mA的激勵電流信號。持接收端按峰值法確定管線走向，并沿管線走向進行檢測。在檢測過程中，每隔100m記錄一次當前位置的電流信號強度，并對信號發(fā)生異常變化的位置進行標記，以便開挖后進一步檢測。通過專業(yè)軟件錄入電流信號，可按式(3)轉(zhuǎn)化為對數(shù)電流，并繪制出對數(shù)電流曲線圖(圖5)，圖中的點表示不同位置對數(shù)電流數(shù)值，對數(shù)電流曲線變化趨勢表示了在檢測過程中電流信號的衰減程度。虛線表示衰減平均值，實線表示當前位置電流信號衰減值。可以看出在600～700m、1 400～1 500m區(qū)間，電流信號均出現(xiàn)了較大衰減。其中1 500m處為管匯，存在支管及其他管線的干擾，故筆者選擇700m處作為典型位置進行分析。

圖5 高壓注氣管道對數(shù)電流曲線

此次檢測外防腐層絕緣電阻檢測結(jié)果見表2，其中優(yōu)級管線長度為680m，占全長的 45.9%；良級管線長度為500m，占全長的33.8%；中級管線長度為100m，占全長的6.8%；差級管線長度為200m，占全長的13.5%。

表2 檢測管線防腐層性能檢測結(jié)果

對照表1可以對防腐層狀況進行分級，對照圖5發(fā)現(xiàn)，在700m處，絕緣電阻較低，外防腐層質(zhì)量狀況存在問題，需要開挖后進行進一步檢測。因此在600m、700m及1 200m處挖掘探坑進行接觸測量。其中，700m處探坑所得數(shù)據(jù)為實驗數(shù)據(jù)，600m和1 200m處探坑所得數(shù)據(jù)為對照數(shù)據(jù)。管線走向和探坑位置如圖6所示。

圖6 管線走向和探坑位置示意圖

挖開后，發(fā)現(xiàn)管線外防腐層存在局部破損，使用多功能土壤腐蝕速率測量儀CMS-140A對周圍土壤進行土壤電阻率檢測，以確定管線周圍土壤的腐蝕速率，檢測結(jié)果見表3。

表3 管線土壤腐蝕性檢測

使用Olympus 27MG超聲測厚儀對管線進行剩余壁厚檢測，壁厚檢測鐘位如圖7所示，檢測數(shù)據(jù)見表4。

圖7 壁厚檢測鐘位示意圖

mm

(續(xù)表4)

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該段管道所在地區(qū)土壤電阻率最小值為30.4Ω·m，土壤腐蝕速率最大值為0.012 88mm/a；該段管道最小剩余壁厚為8.7mm。根據(jù)SY/T 0087.1-2006，以全線管道最薄弱危險點部位管壁減薄程度為依據(jù)進行評價[10]，管壁減薄程度是綜合反映管道腐蝕與防護的各種單項因素對管道安全性的影響，所以評價結(jié)果是對外腐蝕導致安全狀況的整體評價。

管壁減薄程度采用3步評價方法，分別為最小剩余壁厚評價、危險截面評價和殘余強度評價。凡是前一步已經(jīng)給出明確結(jié)論的，無需進行下一步評價。

最小剩余壁厚評價方法：

a. 當最小剩余壁厚超過0.9倍的原始壁厚，可以繼續(xù)使用；

b. 當最小剩余壁厚不超過0.2倍的原始壁厚或小于2mm，必須立即更換；

c. 其余條件進行第2步評價，對單純點蝕，無腐蝕面時，可跳過第2步，直接進行第3步評價。

此次測量的管線原始壁厚為10mm，最小剩余壁厚8.7mmlt;9mm，需對管道進行危險截面評價：管道最小安全壁厚Tmin=PD/2σ=6×114/2×130=2.63mm，管道剩余壁厚比Rt=8.7/2.63=3.31gt;1，說明管道可以繼續(xù)使用，但需加強監(jiān)控。

4 結(jié)論

4.1利用PCM方法可以在非接觸情況下對埋地管道外防腐層進行檢測，通過分析電流信號衰減趨勢來確定外防腐層的質(zhì)量狀況和定位破損點。

4.2PCM方法在使用過程中易受外界電流和支管分流的干擾，測量結(jié)果不夠直觀，在實際運用中需要配合其他檢測手段進行輔助。

4.3在此次實際檢測中，發(fā)現(xiàn)管線外防腐層破損一處，管線本體壁厚有所減薄但可以繼續(xù)使用，需加強監(jiān)控。

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ApplicationofMultipipeCurrentMethodinBuriedPipelineDetection

YANG Qi1, YANG Jian-feng1, LIU Wen-bin1, CHEN Liang-chao1,ZHANG Ya-xin2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology;2.MechanicalEquipmentDivision,LiaoyangPetrochemicalCompany)

The multipipe current method (PCM) was introduced. Through considering the actual detection of a buried gas pipeline, the PCM’s shortcomings in practical application were pointed out and the feasibility of applying PCM method to monitor buried pipelines was verified.

buried pipeline, pipeline current method, erosion resistant coating, NDT, petroleum and natural gas transportation

楊琪(1992-)，碩士研究生，從事埋地管道的無損檢測工作。

聯(lián)系人陳良超(1989-)，博士研究生，從事煉化設(shè)備的安全評價工作，chenliangchao@htwt.cn。

TQ055.8+1

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0254-6094(2017)05-0502-06

2017-01-04，

2017-03-13)