城鎮(zhèn)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿繮CM防腐層檢測(cè)技術(shù)影響因素分析

莊鵬輝

（廈門(mén)市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建 廈門(mén)361004）

1 概述

在埋地燃?xì)夤艿婪栏w系中，防腐層是防止埋地燃?xì)夤艿栏g的第一道防線，完好的防腐層可為埋地燃?xì)夤艿捞峁?9%的保護(hù)，而剩余的1%則由陰極保護(hù)提供[1]。但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，因自身老化、周?chē)h(huán)境變遷及外力破壞等原因，埋地管道外防腐蝕層的防護(hù)效果會(huì)慢慢減弱直至失效，從而導(dǎo)致埋地管道的腐蝕損傷，進(jìn)而嚴(yán)重降低管道的強(qiáng)度、承受能力和可靠性，縮短管線的使用壽命。目前，埋地管道防腐蝕層檢測(cè)技術(shù)主要有交流電壓梯度（ACVG）、直流電壓梯度（DCVG）、密間隔電位測(cè)量（CIPS）等[2、3]。相比其它檢測(cè)技術(shù)，ACVG 法由于具有破損點(diǎn)檢測(cè)靈敏度高、定位準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便和檢出率高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際檢測(cè)中得到普遍應(yīng)用。

目前PCM檢測(cè)儀是運(yùn)用最為廣泛的ACVG 類(lèi)檢測(cè)儀器，其在大發(fā)射機(jī)功率的支持下，電流信號(hào)可傳輸30 公里之遠(yuǎn)，極大地減少加載點(diǎn)位置和縮短檢測(cè)時(shí)間。但實(shí)際檢測(cè)中由于檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)原理理解程度的不同、外界電磁干擾、土壤電阻率和埋設(shè)犧牲陽(yáng)極包等因素的影響，往往導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果差別較大。本文在大量埋地管道日常檢測(cè)與對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影響PCM檢測(cè)結(jié)果的幾個(gè)重要因素進(jìn)行了歸納總結(jié)，從而有助于消除各種檢驗(yàn)影響因素，快速、準(zhǔn)確地確定埋地管道防腐層破損點(diǎn)和評(píng)定防腐層質(zhì)量。

2 檢測(cè)儀器及原理

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)所采用的儀器為英國(guó)雷迪公司生產(chǎn)的PCM 檢測(cè)儀，外觀如圖1 所示。該儀器結(jié)合了多頻管中電流法（PCM）和交流電位梯度法（ACVG）兩個(gè)原理，由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、A 支架（交流電位差測(cè)量?jī)x）等部分組成，在國(guó)內(nèi)埋地燃?xì)夤艿罊z驗(yàn)中應(yīng)用較為廣泛。該發(fā)射機(jī)所采用的發(fā)射電流頻率檔位如表1 所示，發(fā)射機(jī)采用恒流輸出，分為100mA、300mA、600mA、1A、2A、3A 六檔設(shè)定輸出不同大小電流。接收機(jī)有：（4Hz 和128Hz）、（4Hz 和640Hz）兩組測(cè)量接收模式；其中4Hz 用于測(cè)定PCM電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，128Hz 或640Hz 用于測(cè)定定位電流。

表1 發(fā)射檔位對(duì)應(yīng)電流頻率與占比

圖1 PCM 檢測(cè)儀器

2.1 多頻管中電流法檢測(cè)原理

發(fā)射機(jī)由加載點(diǎn)向管道供入特定頻率的電流信號(hào)，當(dāng)電流信號(hào)沿管道向遠(yuǎn)處傳輸時(shí)，它在管道周?chē)a(chǎn)生有規(guī)律的電磁場(chǎng)，由于管道的防腐層和大地之間存在著分布電容耦合效應(yīng)，且防腐層本身也存在著弱而穩(wěn)定的導(dǎo)電性，使得電流信號(hào)傳播過(guò)程中呈指數(shù)規(guī)律衰減規(guī)律[4,5]，其理論推導(dǎo)過(guò)程如下：

電流在管- 地回路中傳輸?shù)乃p幅度遠(yuǎn)大于專(zhuān)用傳輸線，可將回路視為特性阻抗的傳輸線，管道中的電流衰減規(guī)律滿足以下式（1）傳輸規(guī)律：

式中：I 為管道電流，A；I0為管道初始電流，A；α 為電流衰減系數(shù)，1/m；x 為接收信號(hào)與加載點(diǎn)的距離，m。

按照微分均勻簡(jiǎn)化算法，該電路模型可大為簡(jiǎn)化[6]，即電流衰減系數(shù)α 滿足以下式（2）關(guān)系：

式中：R 為管道縱向阻抗，Ω；G 為管道防腐層橫向漏電導(dǎo)納，s；L 為管道電感，h；C 為管道分布電容，f；ω 為管道電流角頻率，rad/s。

為直觀表示，對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，此時(shí)管中電流I 電流轉(zhuǎn)換成分貝電流IdB，可得式（3）：

由式（1）和式（3）可知IdB-x（分貝電流與傳輸距離）曲線則是一條傾斜的直線，其斜率Y 與α 成正比關(guān)系。當(dāng)已知某二點(diǎn)的管中電流值時(shí)，即有以下關(guān)系式（4）：

因此，利用接收機(jī)在管道正上方以一定的間距記錄管中激勵(lì)電流信號(hào)大小和測(cè)量點(diǎn)距離，可繪制出電流衰減曲線圖；其陡緩程度（斜率Y）表征了管道防腐層質(zhì)量的優(yōu)劣狀況，可定性地判斷各段防腐層的老化狀況：曲線越陡，電流衰減率越大，防腐層質(zhì)量越差，反之防腐層質(zhì)量越好。若管道防腐層存在破損點(diǎn)，電流信號(hào)便由破損點(diǎn)流入大地，管中電流會(huì)明顯異常衰減，那么衰減曲線便會(huì)有突變點(diǎn)。

此外，式（2）中的G 就包含著能反映防腐層狀況的絕緣電阻值Rg，它們之間的關(guān)系滿足式（5）關(guān)系：

其中φ 為管道直徑，當(dāng)由式（4）計(jì)算出管- 地回路的衰減常數(shù)α 后，通過(guò)式（2）和式（5），便可求出Rg。通過(guò)埋地管道的絕緣電阻值Rg，即可間接評(píng)價(jià)整個(gè)防腐層的質(zhì)量等級(jí)。

2.2 交流電位梯度法檢測(cè)原理

發(fā)射機(jī)向管道供入特定頻率的電流信號(hào)，當(dāng)電流信號(hào)沿管道向遠(yuǎn)處延伸時(shí)，它在管道周?chē)a(chǎn)生有規(guī)律的電磁場(chǎng)，工作人員手持接收機(jī)在管道上方便可探測(cè)到這個(gè)電磁場(chǎng)，進(jìn)而可獲取管線的位置、深度數(shù)據(jù)、信號(hào)強(qiáng)度和電流信號(hào)的方向，同時(shí)以一定間隔將A 支架觸地測(cè)量該電磁場(chǎng)的電位梯度方向和強(qiáng)度。當(dāng)管道防腐層完好時(shí)，A 支架對(duì)應(yīng)的電位梯度箭頭應(yīng)顯示遠(yuǎn)離接地點(diǎn)方向；當(dāng)管道外防腐層有破損，管道中施加的電流信號(hào)會(huì)泄漏于周?chē)寥乐校⑶以诘孛嫔袭a(chǎn)生散發(fā)性的電場(chǎng)分布引起管道周?chē)娢惶荻犬惓＃ㄈ鐖D2 所示），利用A 支架，以步進(jìn)縮小法測(cè)定異常電場(chǎng)的電位梯度方向改變點(diǎn)（如圖3 所示），同時(shí)讀取該點(diǎn)的電位場(chǎng)強(qiáng)度。便可以追蹤到破損點(diǎn)的位置，這就是交流電位梯度法的原理。

圖2 管道防腐層破損處電位梯度示意圖

圖3 A 支架尋找防腐層破損點(diǎn)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

PCM檢測(cè)系統(tǒng)可以在不開(kāi)挖的情況下，方便而準(zhǔn)確的檢測(cè)埋地管道的走向和埋深，同時(shí)精確地定位防腐層破損點(diǎn)，評(píng)估防腐層完好狀況。且該P(yáng)CM檢測(cè)儀器同時(shí)集成了多頻管中電流和交流電位梯度兩種埋地管道檢測(cè)方法，在不同檢測(cè)地理環(huán)境下可以便捷地選用適宜的一種或同時(shí)選用兩種檢測(cè)方法，從而可以高效、精確地確定埋地管道防腐層質(zhì)量好壞情況，下面就兩種檢測(cè)方法各舉一例說(shuō)明。

3.1 多頻管中電流法檢測(cè)案例

本市由于地鐵施工，道路改道，原先位于埋地燃?xì)夤芫€上的部分綠化帶、人行道上變成了城市主機(jī)動(dòng)車(chē)道，使得該處的埋地燃?xì)夤芫€存在占?jí)汉碗s散電流腐蝕雙重風(fēng)險(xiǎn)。因無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間封閉道路進(jìn)行檢測(cè)，故采取多頻管中電流法來(lái)整體評(píng)價(jià)該路段的防腐層質(zhì)量。該機(jī)動(dòng)車(chē)道路段的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2 所示，儀器自帶的PCM防腐層評(píng)估數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，給出了該段管道電流信號(hào)隨距離衰減趨勢(shì)圖（如圖4 所示）；圖4 中橫坐標(biāo)為與信號(hào)加載點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)中Y 為防腐層電流衰減率，IdB為定位電流轉(zhuǎn)換而來(lái)的分貝電流；由圖4 可見(jiàn)，在距信號(hào)加載點(diǎn)100m 至125m 區(qū)間段，管道電流衰減趨勢(shì)較為陡，表明其防腐層質(zhì)量較差，應(yīng)加強(qiáng)日后巡查工作。同時(shí)PCM防腐層評(píng)估數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也給出了該路段的防腐層絕緣電阻率Rg 值，其Rg 值小于0.1kΩ.m2；該段管道竣工資料顯示防腐層為瀝青膠帶防腐形式，通過(guò)查詢GB/T19285-2014 附錄K 中表K.1，可知該管道防腐層級(jí)別為4 級(jí)[7]，其為最低等級(jí)；表明該段管道外防腐層質(zhì)量較差。

表2 機(jī)動(dòng)車(chē)道路段PCM 實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 傳輸距離與防腐層電流衰減率和分貝電流曲線

3.2 交流電位梯度法檢測(cè)案例

當(dāng)埋地燃?xì)夤芫€位于綠化帶和人行道上時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境和條件較為適宜，可采取交流電位梯度法（A 支架）的方式來(lái)精確定位防腐層破損點(diǎn)。在本市某一管線檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)一處防腐層破損點(diǎn)，采用A 支架精確定位該防腐層破損點(diǎn)，測(cè)得的地面電位梯度值為45dB，開(kāi)挖驗(yàn)證后現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示，可見(jiàn)管道上有明顯的兩處防腐層破損點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果表明該P(yáng)CM系統(tǒng)在尋找和定位防腐層破損點(diǎn)方面，具有較高的精準(zhǔn)度。

4 檢測(cè)結(jié)果影響因素

4.1 信號(hào)加載點(diǎn)位置選擇

使用發(fā)射機(jī)向埋地管道加載電流信號(hào)，原則上要使得待測(cè)管線上有較強(qiáng)的電流信號(hào)，同時(shí)使得相伴行的管道盡量沒(méi)有信號(hào)或者信號(hào)盡可能的小，因此加載點(diǎn)的選擇要考慮的因素有：

圖5 防腐層破損處

4.1.1 當(dāng)待測(cè)管道有多個(gè)加載點(diǎn)可選擇時(shí)，盡量選擇管道分布最稀疏、管線防腐層狀況較好的位置作為加載點(diǎn)，同時(shí)盡可能的采用直接連接法加載信號(hào)，例如利用管線上的測(cè)試樁、閥門(mén)井、泄水閥和放氣閥等點(diǎn)來(lái)加載信號(hào)。

4.1.2 同時(shí)加載點(diǎn)應(yīng)該避開(kāi)管線有直接接地點(diǎn)的位置，避免信號(hào)傳輸回路形成“短路”現(xiàn)象。

4.2 接地地極選擇

儀器良好的接地性，可以使得電流信號(hào)有效地流經(jīng)管線回到發(fā)射機(jī)形成閉合回路，同時(shí)能夠清晰、準(zhǔn)確地為接收機(jī)所接收，因此接地點(diǎn)的選擇應(yīng)注意：

4.2.1 采用人工設(shè)置接地地極棒的法式形成回路時(shí)，應(yīng)選擇垂直管線方向上30 米至50 米范圍內(nèi)來(lái)敲打接地地極棒。

4.2.2 避免將其它管線或金屬構(gòu)件作為接地地極使用，環(huán)境允許時(shí)可選擇水溝、池塘、建筑物的接地線和避雷針地極等易導(dǎo)電的位置作為接地地極。

4.2.3 檢查接地回路電阻，一般回路電阻值應(yīng)在數(shù)十歐姆至200 歐姆之間。如果回路電阻值偏大時(shí)，可通過(guò)增加地極數(shù)量和向接地地極澆水的方法來(lái)降低接地回路電阻值。

4.3 發(fā)射信號(hào)頻率選擇

對(duì)于導(dǎo)電良好的管線盡可能采用低頻發(fā)射信號(hào)，以利于信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸；而對(duì)導(dǎo)電性較差的管線（例如球墨鑄鐵管）要盡可能采用高頻發(fā)射信號(hào)，使得信號(hào)容易在管線上感應(yīng)傳輸。當(dāng)管線現(xiàn)場(chǎng)條件較為復(fù)雜時(shí)或者采用A 支架檢測(cè)時(shí)，需要發(fā)射機(jī)所提供電流信號(hào)帶有方向性，因此一般選擇帶有8Hz 頻率的電流信號(hào)，即ELFCD 或LFCD 檔位。

4.4 輸出信號(hào)電流值選擇

在選擇發(fā)射機(jī)輸出電流值大小時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證在測(cè)試區(qū)間內(nèi)管線上有足夠的剩余電流強(qiáng)度（末端大于10mA），后續(xù)方能完整、全面地進(jìn)行防腐層整體性能評(píng)價(jià)。同時(shí)電流值的大小，也應(yīng)使得接收機(jī)在管線正上方的電流分貝讀數(shù)大于20dB，但不超過(guò)80dB，電流信號(hào)讀數(shù)在30～70dB 之間時(shí)，檢測(cè)精度較為靈敏。此外為了遠(yuǎn)距離傳輸和檢測(cè)方便，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中會(huì)選擇大電流輸出，但長(zhǎng)時(shí)間的大電流輸出，往往會(huì)造成防腐層破損點(diǎn)處電流密度增加，進(jìn)而導(dǎo)致破損點(diǎn)管體腐蝕和防腐層的起泡、剝落，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的發(fā)射電流輸出，一般輸出電流大小選擇在300mA～1A 之間。

4.5 非檢測(cè)用電信號(hào)影響

PCM系統(tǒng)檢測(cè)是利用管道傳播電磁信號(hào)，因此非發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁信號(hào)不可避免的會(huì)對(duì)檢測(cè)過(guò)程和結(jié)果帶來(lái)干擾；最常見(jiàn)為恒電位儀外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)所產(chǎn)生的非檢測(cè)電流信號(hào)，一般檢測(cè)儀器不會(huì)受該電磁信號(hào)諧波影響，因此可不斷開(kāi)恒電位儀所加載的陰保電流。管道外部的干擾電磁信號(hào)包括并行埋設(shè)的通信、供電等市政管線產(chǎn)生的電磁信號(hào)以及設(shè)置在地面上的高壓變電箱和大功率通信發(fā)射基站所產(chǎn)生的電磁信號(hào)，這些信號(hào)卻是檢測(cè)過(guò)程中要慎重考慮的干擾因素，應(yīng)當(dāng)采取措施減弱或暫時(shí)屏蔽這些干擾電磁信號(hào)的影響。

4.6 土壤電阻率因素

埋地管線中的電流信號(hào)通過(guò)電磁感應(yīng)經(jīng)由土壤介質(zhì)向外傳播為接收機(jī)所探得，尤其是采用A 支架測(cè)量電場(chǎng)電勢(shì)位時(shí)，土壤的電阻率是需要考慮的又一重要影響因素。不同的土壤層以及季節(jié)的更替（溫度、雨水和凍土的出現(xiàn)）都會(huì)引起土壤電阻率的變化，進(jìn)而會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的影響。采取A 支架精確定位防腐層破損點(diǎn)時(shí)，因土壤電阻率的變化，破損點(diǎn)電勢(shì)值的大小與破損點(diǎn)的大小不一定成正比關(guān)系[8]，一般可根據(jù)地面情況適當(dāng)?shù)臐菜畞?lái)提高土壤導(dǎo)電性，消除土壤電阻率變化的影響。研究表明，土壤電阻率的變化最多會(huì)引起10%檢測(cè)信號(hào)幅度衰減，但不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的有效性產(chǎn)生重大影響。在實(shí)際定期檢驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)同一管線的檢驗(yàn)，最好選在每年相同時(shí)間點(diǎn)上，把土壤電阻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響降到最低。

4.7 犧牲陽(yáng)極因素

除了第一道管道外防腐層保護(hù)之外，出于施工建設(shè)方便和周?chē)褂铆h(huán)境考慮，城鎮(zhèn)埋地燃?xì)怃撡|(zhì)管道還廣泛采取犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方式來(lái)構(gòu)建第二道管線防腐墻，即在管線周?chē)裨O(shè)較多的陽(yáng)極棒，并且將其通過(guò)電纜導(dǎo)線與管道焊接在一起。管線上犧牲陽(yáng)極的存在會(huì)大大地消耗掉檢測(cè)電流信號(hào)，使得檢測(cè)電流信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)小于理論距離；同時(shí)犧牲陽(yáng)極的存在有可能會(huì)掩蓋周?chē)^小的防腐層破損點(diǎn)信號(hào)，例如犧牲陽(yáng)極電纜焊接處的防腐層破損點(diǎn)。在檢測(cè)過(guò)程中，犧牲陽(yáng)被作為破損點(diǎn)記錄下來(lái)，通過(guò)降低接收機(jī)的靈敏度來(lái)精確定位泄漏電流的最大點(diǎn)，并結(jié)合管線定位走向圖，便可判別是否是電纜焊接處的防腐層破損點(diǎn)。

5 結(jié)論

5.1 PCM 系統(tǒng)可有效地評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)埋地燃?xì)夤艿婪栏瘜淤|(zhì)量，并精確的定位防腐層破損點(diǎn)。

5.2 PCM系統(tǒng)加載點(diǎn)和接地地極的選擇，應(yīng)當(dāng)采取直接加載和良好接地點(diǎn)降低接地電阻的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)檢測(cè)管線上形成有效電流信號(hào)的目的。當(dāng)管線現(xiàn)場(chǎng)條件較為復(fù)雜時(shí)或者采用A 支架檢測(cè)時(shí)，發(fā)射頻率選擇ELFCD 或LFCD 檔位，輸出電流大小選擇在300mA～1A 之間。

5.3 PCM系統(tǒng)不會(huì)受外加陰極保護(hù)電流信號(hào)的影響，但管線近距離的通信和供電電纜、高壓變電箱、大功率通信發(fā)射基站的存在，會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾，應(yīng)當(dāng)避開(kāi)。

5.4 土壤電阻率的變化不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生有效性的影響，定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇每年同一時(shí)間進(jìn)行同一管線檢驗(yàn)。

5.5 管線周?chē)鸂奚?yáng)極的存在使得檢測(cè)電流信號(hào)衰減明顯，要注意辨別犧牲陽(yáng)極附件的小防腐層破損點(diǎn)。