基于電流測(cè)量的管道陰極保護(hù)狀態(tài)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

，，，，

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 壓力管道事業(yè)部 北京 100029；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院, 北京 102249)

隨著管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)管道檢測(cè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)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(yīng)力破裂缺陷檢測(cè)能力的管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人[1-2]。然而在陰極保護(hù)狀態(tài)檢測(cè)方面，還沒有相關(guān)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究的報(bào)道。陰極保護(hù)主要存在陰極保護(hù)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(duì)管道陰極保護(hù)失效的檢測(cè)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)管/地電位檢測(cè)技術(shù)(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(cè)量的外檢測(cè)方法[3]。這些傳統(tǒng)的外檢測(cè)法存在以下問題：① 對(duì)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(dá)或外檢測(cè)設(shè)備無法檢測(cè)的管段，難以實(shí)施外檢測(cè)[4]；② 在電線、鐵路以及其他陰極保護(hù)設(shè)施附近，外檢測(cè)無法避免外部干擾，判斷雜散電流的干擾地點(diǎn)、量級(jí)和方向；③ 需要檢測(cè)土壤電阻壓降，檢測(cè)過程會(huì)干擾陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常工作[5]。因此，實(shí)現(xiàn)管道電流的內(nèi)檢測(cè)具有深遠(yuǎn)的意義。

1 管道電流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)原理

圖1 管道陰極保護(hù)電流示意

陰極保護(hù)正常工作時(shí)，會(huì)以陰極保護(hù)施加點(diǎn)為中心在管道上形成大小相同、方向相反的保護(hù)電流[4],如圖1所示。陰極保護(hù)的故障都會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)電流參數(shù)的異常，管道陰極保護(hù)發(fā)生斷路時(shí)，該段管道的電流參數(shù)將為零；管道受到附近電氣設(shè)施干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，測(cè)得的電流中將包含干擾信號(hào)；管道與鄰近管道相接時(shí)，將受到其他陰極保護(hù)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(jié)構(gòu)相接時(shí)，會(huì)使其他結(jié)構(gòu)處于同一陰極保護(hù)回路而分配保護(hù)電流，使相接點(diǎn)附近的電流突然下降。測(cè)得的電流將會(huì)在相接處一側(cè)突然降低，因此，通過管道電流檢測(cè)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(hù)工作狀態(tài)以及故障類型。

圖2 管道交接后陰極保護(hù)系統(tǒng)電流示意

內(nèi)檢測(cè)技術(shù)采用電壓差法從管道內(nèi)壁檢測(cè)管道電流，如圖3所示，將兩個(gè)電極與管道內(nèi)一定間距a,b兩點(diǎn)接觸測(cè)得電壓差，根據(jù)管材電阻率、壁厚、外徑、間距長(zhǎng)度參數(shù)可以確定a,b間管道的電阻值，利用公式(1)轉(zhuǎn)化得到管道的電流數(shù)據(jù)。

(1)

式中:I為流過ab段的管內(nèi)電流；Vab指ab間電位差；D為管道外徑；d為管道內(nèi)徑；ρ為管材的電阻率；Lab為ab間管道的長(zhǎng)度。

圖3 電壓差法的管道電流內(nèi)檢測(cè)原理示意

埋地長(zhǎng)輸管道中存在的電流主要包括陰極保護(hù)電流和雜散電流。陰極保護(hù)電流為恒電位儀輸出的直流電，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)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(hù)產(chǎn)生的靜態(tài)干擾、電氣鐵路產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)干擾，幅值一般從幾安培到上百安培[6]。由于內(nèi)檢測(cè)器長(zhǎng)度較短，前后電極一般為2～3 m，所能測(cè)得的電壓降信號(hào)很微弱，因此如何在內(nèi)檢測(cè)器上實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高精度采集是課題的難點(diǎn)。

2 技術(shù)系統(tǒng)方案

管道電流內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)方案框圖如圖4所示。通過對(duì)管道陰極保護(hù)施加標(biāo)準(zhǔn)和管道外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的深入分析，得到管道中的電流在陰極保護(hù)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(jié)果，確定設(shè)計(jì)開發(fā)主要包括能夠掛載在現(xiàn)有檢測(cè)器上的電子電路模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)，明確設(shè)計(jì)開發(fā)需要解決微弱信號(hào)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(dǎo)通兩個(gè)難點(diǎn)。研發(fā)步驟為：完成試驗(yàn)樣機(jī)的研制后，在試驗(yàn)室中的試驗(yàn)管道上進(jìn)行測(cè)試分析及優(yōu)化完善后，進(jìn)一步推出工程樣機(jī)，投入到工程現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)試使用。

圖4 管道電流內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案框圖

2.1 電路模塊設(shè)計(jì)

埋地長(zhǎng)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(jì)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(jí)為幾十微伏，故需要經(jīng)過信號(hào)增益模塊進(jìn)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(hào)放大模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。在對(duì)多種放大器進(jìn)行測(cè)試分析后，選取失調(diào)電壓、零點(diǎn)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(shí)現(xiàn)兩級(jí)增益，利用電容濾除外界信號(hào)的干擾，根據(jù)放大器工作原理可知前級(jí)增益200倍，后級(jí)增益100倍，共2×104倍增益。

圖5 TLC2652差分放大電路圖

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)裝載在漏磁檢測(cè)器上，分別安裝在管道漏磁內(nèi)檢測(cè)器的電源節(jié)和計(jì)算機(jī)節(jié)筒體上，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括前后兩組滾動(dòng)電極及彈性支撐結(jié)構(gòu)，通過借助檢測(cè)器上的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)在管道中的運(yùn)行，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。滾動(dòng)電極中包括實(shí)現(xiàn)電信號(hào)旋轉(zhuǎn)連接的水銀滑環(huán)以及用于絕緣的陶瓷軸承，檢測(cè)系統(tǒng)通過前后兩組電極與管壁金屬接觸導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)電壓差信號(hào)的獲取。

圖6 φ325 mm漏磁內(nèi)檢測(cè)器掛載管道電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)備的接線如圖7所示，設(shè)備包括試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)中采用的儀器儀表兩部分。試驗(yàn)樣機(jī)由前后檢測(cè)電極、支撐結(jié)構(gòu)、信號(hào)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(jì)算機(jī)。試驗(yàn)利用直流和交流電源向被測(cè)試鋼管施加模擬陰極保護(hù)信號(hào)和雜散電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大模塊處理后通過采集卡采集。試驗(yàn)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(diǎn)的間距為1 100 mm，根據(jù)計(jì)算，前后兩個(gè)電極所測(cè)間距管道電阻為45.8 μΩ。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備接線圖

圖8 不同強(qiáng)度直流信號(hào)圖

3.1 陰極保護(hù)電流模擬信號(hào)測(cè)試

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

根據(jù)I=U/R(U為電壓，R為電阻)，將測(cè)得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào),再與實(shí)際電流進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示，可以看出測(cè)得的信號(hào)幅值與實(shí)際信號(hào)的幅值基本吻合，說明開發(fā)的電路模塊可以實(shí)現(xiàn)管道陰極保護(hù)電流、直流干擾等信號(hào)的檢測(cè)采集。

圖9 測(cè)得的電流與實(shí)際信號(hào)的對(duì)比

圖10 1 A直流信號(hào)電壓差曲線

3.2 雜散電流模擬信號(hào)測(cè)試

試驗(yàn)選取1 A的直流信號(hào)以及50 Hz交流信號(hào)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(hào)放大2萬倍后的信號(hào)曲線如圖10所示，

其幅值為0.9 V。1 A直流信號(hào)與2 A交流信號(hào)疊加后的曲線如圖11所示，可見零點(diǎn)上移0.9 V，頻率依然為50 Hz，證明開發(fā)的檢測(cè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)管道電氣設(shè)施交流干擾產(chǎn)生的雜散電流檢測(cè)。

圖11 交直流混合信號(hào)曲線

4 結(jié)語

通過對(duì)管道陰極保護(hù)電流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的研究，包括對(duì)管道陰極保護(hù)電流內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試及檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，證明了利用電壓差法進(jìn)行管道電流內(nèi)檢測(cè)是切實(shí)可行的，其能夠?qū)崿F(xiàn)管道內(nèi)存在的微弱電流信號(hào)的檢測(cè)，并根據(jù)管壁電流曲線的變化判斷管道陰極保護(hù)工作狀態(tài)及故障類型，可為油氣管道的安全運(yùn)行提供重要保障。

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