密間距電位檢測技術(CIPS)在陰極保護系統有效性評價中的應用

曹生虎 湯天遴 桑紹雷

(北京普斯維斯防腐科技有限公司，北京 100102)

0 引言

埋地鋼質管道陰極保護有效性的傳統檢測方法是在管道測試樁位置采用地表法進行管地電位測量，通過測得的管道對大地的電位差來判斷管道電位是否介于技術規范要求的-0.85～-1.2V之間。一般使用高阻抗數字萬用表和飽和Cu/CuSO4參比電極，在管道測試樁處進行電位測量。該檢測方法的最大問題在于檢測結果只能對測試樁附近很短的距離有效(一般不超過3m)，而管道測試樁按照技術規范要求一般按照間距1km進行布置(環境復雜區域可能加密)，這使得采用地表法檢測的管地電位來判斷整條管道陰極保護系統的有效性明顯不科學、嚴謹。同時對管道沿線的某些局部影響因素，如距離測試樁很近的較大防腐層缺陷可以對測試樁的檢測讀數產生較大的影響，對于距離測試樁較遠管道上的諸如金屬搭接等故障無法通過數據反映出來。由此可見，通過傳統方法檢測測試樁管的電位得出管道防護方面的信息是有局限性的。為打破只能在測試樁上陰極保護電位的檢測限制，大約在50年前歐洲出現了管道密間距電位檢測技術。在檢測過程中，用一根長導線通過某個測試樁上測試線與管道相連，沿著管線路由以小間距測量管地電位。由于整條管道的金屬管體可以看做個等電位體，這樣可測出管道路由上任意點的陰極保護電位數值，進而得到整條管線上陰極保護電位的分布情況，根據檢測結果采取相應防范措施。CIPS檢測設備是使用一個具有數據記錄功能的靈敏毫伏表替換常規的萬用表，對大量檢測數據加以記錄，并配合數據分析軟件進行數據處理和分析。

1 密間距電位測量(CIPS)法技術原理

密間距電位測量是在有陰極保護系統的管道上，通過測量管道的管地電位沿管道的變化(一般每隔1-5米測量一個點)，來分析判斷防腐層的狀況和陰極保護系統是否有效。陰極保護電流(CP)加載到管道上時，通過管道、防腐層和土壤構成回路。在回路中加入電流中斷器定時中斷陰極保護電流，這樣就可以通過GPS 同步測量。測量出的電位有通電位(Von)和斷電位(Voff)兩種測量時能得到兩種管地電位，分別是陰極保護系統電源開時的管地通電位(Von電位)，陰極保護電流瞬間關斷電位(Voff電位)，見圖1。

圖1 密間距電位測量原理圖

日常測量陰極保護電位的方法中，使用數字萬用表和飽和硫酸銅參比電極進行測量。所測得的電位是管體與地面間的電位差(包含土壤的IR電壓降)，而管道的真實保護電位是指管體到與防腐層接觸的土壤之間的電位差。

Voff是陰極保護電流瞬間關斷電位，該電位是陰極保護電流對管道的“極化電位”，在陰極保護系統關閉的瞬間時土壤中流動電流為0，因此Voff電位不含土壤的IR電壓降，所以，Voff電位是實際有效的保護電位。目前國外評價陰極保護系統效果的準則大部分采用Voff值來判斷(即≤-850mV 有效，-1200mV時過保護)[1]。國內目前大部分地區由于受測量技術的限制仍沿用Von電位來評價保護效果的居多，這樣就存在一定的偏差，特別是對防腐層破損及管道在高阻值埋設區域的保護效果出現誤判。

2 CIPS測量步驟

(1)管道定位。在進行CIPS檢測之前，須用管線定位儀來確定管線路由，同時采用木樁標識，以確保參比電極始終沿管線頂部進行放置。

(2)檢測前準備。在現場檢測前一天需對CIPS主機及斷電器進行充電，探杖進行硫酸銅溶液灌裝。

(3)串接電流中斷器。對所有為獨立管道提供陰極保護電流的陰極保護站恒電位儀串接電流中斷器，且電流中斷器中斷周期與主機一致，同時電流中斷器及主機架設GPS衛星，以保證所有中斷器與主機同步中斷；對存在犧牲陽極保護的管段，原則上需將犧牲陽極斷開檢測。

(4)尾線連接。將準備好的漆包線(一般在0.15mm～0.3mm之間)用小刀或打火機將外層包漆剔除干凈，與管道測試樁測試線進行電性連接，確保接觸良好，接頭牢固。

(5)檢測。雙手持探杖，以80～100步/分為行進速度，實踐證明沿管線正上方以扭秧歌姿勢行進，可以保證探杖與地面充分接觸，避免大量無效數據的產生。檢測過程中需有專人對尾線進行維護，避免車輛、植被或人為繃斷。

(6)記錄。在檢測過程中，詳細記錄恒電位儀輸出，測試樁編號及主機顯示異常數據管段周圍環境情況，以備后續分析數據，查找異常原因。

(7)分析。檢測完畢，通過專用軟件將檢測數據導入電腦，進行數據處理后，繪制通斷電電位曲線圖，確定電位異常管段，分析原因。見圖2。

3 CIPS在長輸管道陰極保護有效性檢測的應用

3.1 管線背景

某管線分兩段，其中一段于1998年投產，采用石油瀝青防腐層，另一段于2004年投產，采用3PE防腐層，管線全長179Km，大部分處于沙漠地段，管線采用外加電流的陰極保護方式，其中全線共設7個陰極保護站。

3.2 CIPS檢測過程中需注意的問題

3.2.1 CIPS通斷時間

根據GB21246規范要求CIPS檢測過程中典型的通/斷周期宜為：通電800ms，斷電200ms或通電4s，斷電1s或通電12s，斷電3s。本次CIPS檢測采用的是英國雷迪公司生產的儀器，采用通電4000ms，斷電1000ms。

在檢測管線斷電電位過程中，電流中斷后的受斷電脈沖影響，管/地電位會經歷一段時間波動，最終趨于穩定。因此在GPS同步中斷模式下測量整流器OFF電位時， 需在GPS中斷器關斷整流器后設置一段延遲時間，可增加測量的準確度。依據CIPS檢測中設置的OFF時間，延遲時間的設置應滿足表1。

圖2 CIPS檢測示意圖

表1 斷電時間與延時時間的關系

3.2.2 保護電流流失

在檢測管道某段與4條管線與待檢測管道呈垂直方位敷設，該管段CIPS檢測過程中發現管地電位出現急劇下降，但隨著檢測距離的延伸管地電位慢慢上升。隨后用PCM管道防腐層檢測儀對該段管道進行檢測，信號輸入點選在靠近管道穿越敷設的第一個測試樁處，PCM檢測通過管道穿越段信號迅速下降，且在與待檢測管道交叉敷設的一條管道上明顯檢測處電流信號，表明該條管道與檢測管道存在電性搭接。

3.2.3 直流干擾

在檢測管道某段，有3條采用聯合陰極保護系統的管道與其平行敷設，且管道間距小于10m。該管段CIPS檢測過程中發現管地電位急劇攀升，最高通電位達-2000mV，斷電位達-1600mV，但隨著檢測距離的延伸管地電位慢慢下降。經過與并行的3條管道管理單位協商關閉陰極保護系統后，檢測管道通電位降至-1700mV，斷電位降至-1180mV，表明檢測管道收到其他管道陰極保護系統影響，見圖3。

圖3 直流干擾段CIPS檢測結果示意圖

3.2.4 長效參比電極失效

管道CIPS檢測過程中發現一處陰極保護站內恒電位儀顯示的保護電位與進站位置檢測出的管地電位存在較大差距(達350mV)，為查找原因，采用便攜式參比電極進行校準，同時對站內埋設長效信號參比電極位置進行開挖，采用進參比法檢測，結果顯示與CIPS檢測結果接近，證明恒電位儀長效信號參比電極失效。

3.2.5 陽極地床埋設位置的影響

在CIPS檢測過程中發現部分管段會出現通電電位攀升，而斷電電位變化不明顯的情況，但隨著檢測距離的延伸通電電位逐漸恢復正常。經過反復測試，發現類似管線全部距陽極地床距離相對較近，土壤中的電力線密度相對較大，使IR降升高，導致通電電位偏高。

3.3 檢測結果分析

由于該管道最早于1998年投產，采用石油瀝青防腐層，防腐層破損情況較多，CIPS檢測發現管道全線斷電電位 65%處于保護狀態。

根據CIPS檢測結果可以看出，該條管線存在陰極保護電流大量流失的情況。

根據現場CIPS及PCM檢測結果分析，該條管道存在防腐層破損、老化，絕緣接頭(法蘭)漏電、管道搭接等導致陰極保護電流流失的現象。經后續開挖檢測發現，在CIPS檢測數據出現異常的管段存在較多機械損傷防腐層的情況。

4 結束語

(1)利用CIPS檢測技術最直接的可以對整條埋地管線的陰極保護系統有效性給予最準確的評判，為后續系統維護比較準確的切入點。

(2)綜合利用CIPS及PCM檢測技術，不但可以相互佐證檢測分析結果，更能準確判斷整條管線防腐層、金屬搭接的準確區域，還能判斷絕緣接頭(法蘭)漏電等現象。

(3)目前國內對埋地鋼質管道外腐蝕直接評價(ECDA檢測)規范中已經將CIPS檢測納入為ECDA檢測評價的必選手段，在國內中西部地區的長輸埋地管道檢測中已經得到普遍應用。

[1]GB/T 21448, 埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S].