，，，，

(1.中國特種設備檢測研究院 壓力管道事業(yè)部 北京 100029；2.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院, 北京 102249)

隨著管道內檢測技術的發(fā)展，國內管道檢測技術研究機構已經(jīng)先后開發(fā)出了具備管道金屬損失缺陷、管道外徑變形缺陷、管道應力破裂缺陷檢測能力的管道內檢測機器人[1-2]。然而在陰極保護狀態(tài)檢測方面，還沒有相關內檢測技術研究的報道。陰極保護主要存在陰極保護斷路、雜散電流干擾、與鄰近管道短接這幾種失效模式，目前對管道陰極保護失效的檢測普遍采用標準管/地電位檢測技術(P/S)、密間隔電位法(CIPS)、直流電位梯度法(DCVG)等基于電壓參數(shù)測量的外檢測方法[3]。這些傳統(tǒng)的外檢測法存在以下問題：① 對山區(qū)、海底管道及大埋深或定向鉆穿越段等人員無法到達或外檢測設備無法檢測的管段，難以實施外檢測[4]；② 在電線、鐵路以及其他陰極保護設施附近，外檢測無法避免外部干擾，判斷雜散電流的干擾地點、量級和方向；③ 需要檢測土壤電阻壓降，檢測過程會干擾陰極保護系統(tǒng)的正常工作[5]。因此，實現(xiàn)管道電流的內檢測具有深遠的意義。

1 管道電流內檢測技術原理

圖1 管道陰極保護電流示意

陰極保護正常工作時，會以陰極保護施加點為中心在管道上形成大小相同、方向相反的保護電流[4],如圖1所示。陰極保護的故障都會導致管道內電流參數(shù)的異常，管道陰極保護發(fā)生斷路時，該段管道的電流參數(shù)將為零；管道受到附近電氣設施干擾時，會產(chǎn)生感應電流，測得的電流中將包含干擾信號；管道與鄰近管道相接時，將受到其他陰極保護干擾，引起本身電流的增大或減小，如圖2所示；管道與其他埋地金屬結構相接時，會使其他結構處于同一陰極保護回路而分配保護電流，使相接點附近的電流突然下降。測得的電流將會在相接處一側突然降低，因此，通過管道電流檢測工具采集管線上的電流數(shù)據(jù)，分析電流參數(shù)曲線可以得知管道陰極保護工作狀態(tài)以及故障類型。

圖2 管道交接后陰極保護系統(tǒng)電流示意

內檢測技術采用電壓差法從管道內壁檢測管道電流，如圖3所示，將兩個電極與管道內一定間距a,b兩點接觸測得電壓差，根據(jù)管材電阻率、壁厚、外徑、間距長度參數(shù)可以確定a,b間管道的電阻值，利用公式(1)轉化得到管道的電流數(shù)據(jù)。

(1)

式中:I為流過ab段的管內電流；Vab指ab間電位差；D為管道外徑；d為管道內徑；ρ為管材的電阻率；Lab為ab間管道的長度。

圖3 電壓差法的管道電流內檢測原理示意

埋地長輸管道中存在的電流主要包括陰極保護電流和雜散電流。陰極保護電流為恒電位儀輸出的直流電，根據(jù)工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)一般為1～5 A。雜散干擾電流主要包括：其他陰極保護產(chǎn)生的靜態(tài)干擾、電氣鐵路產(chǎn)生的動態(tài)干擾，幅值一般從幾安培到上百安培[6]。由于內檢測器長度較短，前后電極一般為2～3 m，所能測得的電壓降信號很微弱，因此如何在內檢測器上實現(xiàn)微弱信號的高精度采集是課題的難點。

2 技術系統(tǒng)方案

管道電流內檢測系統(tǒng)開發(fā)方案框圖如圖4所示。通過對管道陰極保護施加標準和管道外檢測標準的深入分析，得到管道中的電流在陰極保護系統(tǒng)發(fā)生故障、外防腐層失效、受到外界電流干擾下的參數(shù)變化。根據(jù)研究結果，確定設計開發(fā)主要包括能夠掛載在現(xiàn)有檢測器上的電子電路模塊和機械結構，明確設計開發(fā)需要解決微弱信號的穩(wěn)定放大采集和接觸電極與金屬管壁之間的穩(wěn)定導通兩個難點。研發(fā)步驟為：完成試驗樣機的研制后，在試驗室中的試驗管道上進行測試分析及優(yōu)化完善后，進一步推出工程樣機，投入到工程現(xiàn)場中測試使用。

圖4 管道電流內檢測系統(tǒng)技術方案框圖

2.1 電路模塊設計

埋地長輸管道管材電阻率一般為0.166 Ω·mm2·m-1，以常見的φ325 mm×6 mm(直徑×壁厚)埋地鋼制管道為例,其每米管道的電阻按式(2)計算。

(2)

則根據(jù)歐姆定律,每米管道上產(chǎn)生的電壓差幅值數(shù)量級為幾十微伏，故需要經(jīng)過信號增益模塊進行放大處理才能滿足采集系統(tǒng)的精度要求，因此微弱信號放大模塊的開發(fā)設計是重點。在對多種放大器進行測試分析后，選取失調電壓、零點漂移、溫度漂移較低的TLC2652放大芯片[7]。如圖5所示，電路利用兩片TLC2652芯片實現(xiàn)兩級增益，利用電容濾除外界信號的干擾，根據(jù)放大器工作原理可知前級增益200倍，后級增益100倍，共2×104倍增益。

圖5 TLC2652差分放大電路圖

2.2 機械結構設計

管道電流檢測結構裝載在漏磁檢測器上，分別安裝在管道漏磁內檢測器的電源節(jié)和計算機節(jié)筒體上，機械結構包括前后兩組滾動電極及彈性支撐結構，通過借助檢測器上的驅動結構，實現(xiàn)電流檢測結構在管道中的運行，具體結構設計如圖6所示。滾動電極中包括實現(xiàn)電信號旋轉連接的水銀滑環(huán)以及用于絕緣的陶瓷軸承，檢測系統(tǒng)通過前后兩組電極與管壁金屬接觸導通來實現(xiàn)電壓差信號的獲取。

圖6 φ325 mm漏磁內檢測器掛載管道電流檢測結構設計圖

3 試驗與結果分析

試驗設備的接線如圖7所示，設備包括試驗樣機和試驗中采用的儀器儀表兩部分。試驗樣機由前后檢測電極、支撐結構、信號處理模塊、直流電源組成。所采用的儀器儀表包括直流電源、交流電源、納伏表、采集卡與計算機。試驗利用直流和交流電源向被測試鋼管施加模擬陰極保護信號和雜散電流信號，信號經(jīng)過放大模塊處理后通過采集卡采集。試驗采用規(guī)格為φ325 mm×8 mm(直徑×壁厚)的半管道，前后電極接觸點的間距為1 100 mm，根據(jù)計算，前后兩個電極所測間距管道電阻為45.8 μΩ。

圖7 試驗設備接線圖

圖8 不同強度直流信號圖

3.1 陰極保護電流模擬信號測試

試驗選取0.5～3 A的直流電流，經(jīng)過處理后測得放大后的信號如圖8所示，從圖中可以看出直流信號較為穩(wěn)定，與理論相比僅存在約0.05 V基礎零漂電壓，去除零漂后采集得到的信號強度和輸入電流強度變化相對應。

根據(jù)I=U/R(U為電壓，R為電阻)，將測得的電壓信號轉化為電流信號,再與實際電流進行對比，結果如圖9所示，可以看出測得的信號幅值與實際信號的幅值基本吻合，說明開發(fā)的電路模塊可以實現(xiàn)管道陰極保護電流、直流干擾等信號的檢測采集。

圖9 測得的電流與實際信號的對比

圖10 1 A直流信號電壓差曲線

3.2 雜散電流模擬信號測試

試驗選取1 A的直流信號以及50 Hz交流信號模擬直流干擾以及工頻干擾。1 A直流電流產(chǎn)生的45 μV信號放大2萬倍后的信號曲線如圖10所示，

其幅值為0.9 V。1 A直流信號與2 A交流信號疊加后的曲線如圖11所示，可見零點上移0.9 V，頻率依然為50 Hz，證明開發(fā)的檢測模塊能夠實現(xiàn)管道電氣設施交流干擾產(chǎn)生的雜散電流檢測。

圖11 交直流混合信號曲線

4 結語

通過對管道陰極保護電流內檢測技術的研究，包括對管道陰極保護電流內檢測系統(tǒng)硬件的設計、系統(tǒng)試驗測試及檢測數(shù)據(jù)的分析，證明了利用電壓差法進行管道電流內檢測是切實可行的，其能夠實現(xiàn)管道內存在的微弱電流信號的檢測，并根據(jù)管壁電流曲線的變化判斷管道陰極保護工作狀態(tài)及故障類型，可為油氣管道的安全運行提供重要保障。

參考文獻：

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