核電廠埋地管防腐蝕層缺陷的定位與尺寸檢測

黃紅科，章強，魏松林，劉朝，張江濤，張鋒，但體純，龔怒，肖調(diào)兵

（1.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223；2.中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300）

防腐蝕層和陰極保護系統(tǒng)是防止埋地管腐蝕失效的有效屏障，防腐蝕層老化檢測是有效控制防腐蝕層老化降質(zhì)失效、保障埋地管正常運行的重要措施，美國核管會在核電廠通用經(jīng)驗反饋報告中對埋地管防腐蝕層的管理作了明確規(guī)定［1］。核電廠地下埋地管線龐雜，考慮到大量開挖檢測可能會對核電廠的安全運行造成不利影響，需建立非開挖或少開挖的埋地管防腐蝕層檢測技術(shù)。美國電力研究院在多份技術(shù)報告中建議采用直流電位梯度法開展埋地管防腐蝕層和陰極保護的檢測［2-3］，美國腐蝕工程師協(xié)會也已經(jīng)將直流電位梯度法作為一種間接檢查方法列入相關(guān)標準中。

國內(nèi)已開展了埋地管防腐蝕層缺陷周圍陰極保護電流分布規(guī)律的探索工作，這些工作主要是基于土壤箱試驗的理論研究［4］，而用直流電位梯度法開展防腐蝕層破損定量檢測的研究報道較少。

本工作建立了室外真實埋地管試驗場，模擬核電廠埋地管服役環(huán)境，研究地表電位差與防腐蝕層缺陷位置及尺寸的關(guān)系，通過測量地表電位差實現(xiàn)對埋地管防腐蝕層缺陷定位和尺寸檢測，進而為建立非開挖或少開挖的防腐蝕層檢測方法提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原理

如圖1所示，A 為防腐蝕層缺陷的中心位置，M為A 正上方地表上的位置，B為地表上與M 點有電位差的點，R為等電位差的若干點圍成的圓的半徑，即地表等電位差線（以下簡稱等勢線半徑）。當(dāng)防腐蝕層發(fā)生破損后，從陽極地床發(fā)出的陰極保護電流經(jīng)土壤從防腐蝕層破損點流入埋地管，理論上形成一個漏斗形等電勢場，圖中箭頭方向為電流方向。在土壤表面，M 點的電位最低，距離M 點越遠，電位逐漸升高。在M 點設(shè)置一個參比電極1，在距離M 點為x的某點設(shè)置參比電極2，可測量地表電位差，如圖2所示，電壓表負極連接參比電極1（缺陷正上方M 點），電壓表正極連接參比電極2。在地表通過測量可繪制出地表等電位差線，根據(jù)試驗需要調(diào)整x，開展相關(guān)試驗。

圖1 防腐蝕層缺陷周圍土壤電勢場示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil electric potential field around the anti-corrosion coating defect

圖2 地表電位差測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of ground surface potential difference test

根據(jù)陰極保護下埋地管防腐蝕層缺陷周圍電場的相關(guān)理論，防腐蝕層缺陷尺寸可用式（1）表示：

式中：D為防腐蝕層缺陷直徑；t為管道埋深；ΔU為缺陷正上方M 點周圍某點B（隨距離x的變動而變動）到缺陷正上方M 點的地表電位差；ΔE為缺陷上方M 點的通斷電電位差，即土壤電位降。

該式是基于若干假設(shè)條件下的理論模型，影響土壤環(huán)境的因素很多，實際土壤環(huán)境難以達到理論假設(shè)的條件。

1.2 試驗場和試驗條件

為模擬核電廠埋地管現(xiàn)場服役環(huán)境，建立了試驗場，如圖3所示。敷設(shè)多根尺寸與核電廠常用埋地管相當(dāng)?shù)穆竦毓埽L度為30～80 m，并排間距為3～5 m。選擇環(huán)氧樹脂（1號管）、3PE（三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯，2號管）和四油三布（3號管）三種典型核電廠埋地管用防腐蝕層材料，按照工藝規(guī)范涂敷在管道上。三種防腐蝕層的絕緣電阻率從大到小依次為3PE、環(huán)氧樹脂、四油三布。圖中4 號管遠離1～3號管道，每根埋地管上預(yù)制了直徑分別為50，80，113 mm 的防腐蝕層缺陷，分別位于管道的8，14，22 m 處，其布置示意圖見圖4。試驗場安裝了恒電位儀、電流調(diào)節(jié)器、深井陽極，恒電位儀向管道提供陰極保護電流，通過開關(guān)控制每根管道的斷開或接入，通過電流調(diào)節(jié)器控制陰極保護電流的大小。

圖3 埋地管試驗場示意圖Fig.3 Schematic diagram of buried pipe test site

圖4 埋地管防腐蝕層預(yù)制缺陷示意圖Fig.4 Schematic diagram of anticorrosion coating prefabricated defects on buried pipe

2 防腐蝕層缺陷定位

2.1 并行管道對地表電位差的影響

防腐蝕層缺陷定位可通過檢測地表電位實現(xiàn)，地表電位最高點為防腐蝕層缺陷位置。核電廠廠區(qū)埋地管并排運行，地表電場較為復(fù)雜，這對電位差的檢測有所干擾。為了研究并行管道對地表電場的影響，分別在2號管道單獨運行和全部管道并行兩種工況下開展對比試驗，控制陰極保護電流為20 m A，沿2號管道以0.2 m 的間隔測量管道上方的地表電位。如圖5所示，兩種工況下，缺陷越大，地表電位越大，且在兩個較大的缺陷處均呈現(xiàn)出明顯的電位波峰。單管運行工況下，缺陷位置的地表電位波峰更高，更易于識別缺陷，這是因為在多管運行工況下，多根管道的陰極保護電流進入土壤并相互影響，形成相對均勻的地電位場。綜上所述，通過地表電位可準確識別單管運行工況下的防腐蝕層缺陷位置，缺陷越大，地表電位的波峰越高，多管運行工況下缺陷定位識別度有所降低。實際檢測中，可通過斷開并排相鄰管道的陰極保護電流提高缺陷定位檢測的準確性。

圖5 單管運行和多管并行工況下地表電位的變化Fig.5 Changes of ground surface potential under the working condition of single pipe operation and multiple pipes operation in parallel

2.2 防腐蝕層種類對缺陷地表電位的影響

在陰極保護電流相同的條件下，不同防腐蝕層的絕緣電阻率不同，其缺陷周圍的地電位場也不同。試驗中陰極保護正常開啟并維持管地電位在合理保護區(qū)間內(nèi)，陰極保護電流相同，沿管道方向測得管道上方的地表電位。由圖6可知，1～3號埋地管在缺陷處均呈現(xiàn)出地表電位波峰，與2.1中的試驗規(guī)律相似，缺陷越大，地表電位波峰越高。對比3根埋地管，2號管道的地表電位最大，1號管道的次之，3號管道的最小。這是因為完好的防腐蝕層也會存在均勻微弱的電流泄漏，防腐蝕層絕緣電阻率越高，電流泄漏就越少（缺陷上方地表電位越大，與其他位置形成出的地表電位差也就越大）。綜上所述，防腐蝕層的絕緣電阻率越大，缺陷上方地表電位越大，越適宜通過直流電位梯度法對防腐蝕層缺陷進行定位。

圖6 3根埋地管上方地表電位的變化Fig.6 Changes of ground surface potential of 3 buried pipes

3 防腐蝕層缺陷的尺寸檢測

3.1 缺陷上方地表電位差等勢線整體形貌

基于1.1節(jié)的試驗原理，通過測量缺陷上方以M 點為圓心的周圍地表電位差ΔU，觀察等勢線的實際形貌及分布規(guī)律。保持陰極保護系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，控制1號管、2號管、3號管的陰極保護電流相等，以M 點為圓心，沿不同角度分別測量確定12個等電位差為10，20，30 m V 的點，將12個等電位差的點用線圍成圓，在某管道3個缺陷位置處分別開展試驗。

由圖7可知，等勢線以缺陷正上方為圓心，并未呈現(xiàn)出理論上規(guī)則的圓形，但近似于圓形。部分等勢點偏離導(dǎo)致等勢線不規(guī)則，且缺陷越大，等勢線越規(guī)則。這表明，以缺陷正上方M 點為中心，缺陷周邊形成近似圓形的等勢線，由于土壤電阻率不可能絕對均勻，導(dǎo)致等勢線不規(guī)則。另外，缺陷越大，從缺陷處流入的電流越大，地電場電流密度越大，受土壤影響越小，等勢線越規(guī)則。

圖7 不同直徑的防腐蝕層缺陷上方地表等勢線形貌Fig.7 Ground surface equipotential line morphology above the anti-corrosion coating defect with different diameters

3.2 缺陷上方與遠大地地表電位差的分布規(guī)律

保持陰極保護系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，控制1號管、2號管、3號管的陰極保護電流相等，以防腐蝕層缺陷正上方M 點為圓心，測量缺陷周圍1～5 m范圍內(nèi)地表電位與缺陷上方M 點的地表電位差，以此反映地表電位差的分布規(guī)律。由圖8可知，距離缺陷越遠，地表電位差越趨于穩(wěn)定，單位距離內(nèi)電位差越大，缺陷越大，相等距離的電位差越大；反之，缺陷越小，相等電位差點離缺陷的距離越小。

圖8 不同直徑缺陷上方地表電位差的分布Fig.8 Distribution of the ground surface potential difference above the defects with different diameters

3.3 防腐蝕層缺陷大小與地表電位差的關(guān)系

與上述試驗相同，保持每根埋地管的陰極保護電流相同，測量地表電位差，擬合地表電位差與缺陷直徑的關(guān)系。為提高試驗結(jié)果的準確性，取與缺陷正上方M 點距離為1 m 的圓周上12個等間隔點的測量值均值。

由圖9、圖10及表1可知，地表電位差與通斷電電位差之比和地表電位差均與防腐蝕層缺陷直徑呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度均高于98%。其中，圖9中曲線平均擬合優(yōu)度高于圖10中的，這表明地表電位差與通斷電電位差之比的方法略優(yōu)于直流電位梯度法。另外，三種防腐蝕層管道的曲線擬合優(yōu)度中2號管道的最高，1號管道的次之，3號管道的最低。這是由于防腐蝕層絕緣電阻率越大，其均勻微小的泄漏電流對缺陷位置電位場的影響就越小，防腐蝕層缺陷周圍電位場越規(guī)律，這一結(jié)論與與2.2節(jié)的相同。綜上所述，可通過測量地表電位差，并開挖少數(shù)缺陷，建立地表電位差與防腐蝕層缺陷直徑的關(guān)系模型，用于檢測其他防腐蝕層缺陷的直徑。

表1 圖9和圖10中曲線的擬合優(yōu)度分析Tab.1 Analysis of fit goodness of the curves in Figure 9 and Figure 10

圖9 地表電位差與通斷電電位差的比值與缺陷直徑的關(guān)系Fig.9 Relationship between the ratio of ground surface potential difference to on-off potential difference and the defect diameter

圖10 地表電位差與缺陷直徑的關(guān)系Fig.10 Relationship between surface potential difference and defect diameter

3.4 防腐蝕層缺陷直徑與地表等勢線半徑的關(guān)系

與3.3節(jié)中的試驗條件相同，保持3根管道的陰極保護電流相同，以防腐蝕層缺陷正上方M 點為圓心，分別測量并繪制10，20，30 m V 等勢線，以等勢線圍成的圓的半徑為等勢線半徑，為減小誤差，取等勢線上12個點到圓心的距離的平均值為等勢線半徑。在每個缺陷上方均開展相同的試驗并獲取數(shù)據(jù)。

由圖11、表2和表3分析可知，等勢線半徑與防腐蝕層缺陷直徑呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度均高于95%，平均擬合優(yōu)度達97.55%。通過開挖可測量少數(shù)防腐蝕層缺陷直徑、地表等勢線半徑，并建立地表等勢線半徑與防腐蝕層缺陷直徑的關(guān)系模型，通過地表電位差和等勢線半徑的測量也可計算埋地管防腐蝕層缺陷的直徑。

表2 圖11中曲線的擬合優(yōu)度分析Tab.2 Analysis of fit goodness of the curves in Figure 11

表3 通斷電電位數(shù)據(jù)Tab.3 On-off potential data

圖11 缺陷上方地表等勢線半徑與缺陷直徑的關(guān)系Fig.11 Relationship between the radius of surface equipotential line above defect and the diameter of defect

3.5 基于少量開挖的防腐蝕層缺陷直徑校核計算

對基于ΔU／ΔE、ΔU、R與埋地管防腐蝕層缺陷直徑的線性關(guān)系建立的校核計算方法進行對比，為減少埋地管開挖工作，可開挖少量缺陷，通過計算獲得線性系數(shù)，結(jié)合地表測量的ΔU、ΔE、R等值，采用校核計算的方法在未開挖情況下獲得其他防腐蝕層缺陷的直徑。由于埋地管防腐蝕層缺陷面積已知，將試驗校核計算獲得的缺陷直徑與實際缺陷直徑進行比較獲得準確度。對于3.3至3.4節(jié)中的試驗結(jié)論，分三種方法開展校核計算，每種方法分單缺陷校核和雙缺陷校核兩種情況，這兩種情況分別相當(dāng)于在開挖一個缺陷或開挖兩個缺陷的條件下，通過ΔU／ΔE、ΔU、R的測量值，校核計算獲得其他缺陷的直徑。單缺陷校核時，將某一缺陷直徑D代入式（1），獲得相應(yīng)參數(shù)后計算另外兩個缺陷的直徑并與實際值進行比較。雙缺陷校核時，選擇某埋地管上的兩個缺陷建立線性關(guān)系，通過相關(guān)測量數(shù)據(jù)，獲得第三個缺陷直徑的校核計算值，并與實際值進行比較。以校核計算的缺陷直徑與防腐蝕層實際缺陷直徑的比值作為準確度，當(dāng)比值小于1時，以實際比值為準確度，當(dāng)比值大于1時，以2與比值的差值為準確度。

表4 1號埋地管防腐蝕層缺陷直徑校核計算的準確度Tab.4 Accuracy of diameter checking calculation of No.1 buried pipe anti-corrosion coating defect%

表5 2號埋地管防腐蝕層缺陷直徑校核計算的準確度Tab.5 Accuracy of diameter checking calculation of No.2 buried pipe anti-corrosion coating defect%

表6 3號埋地管防腐蝕層缺陷直徑校核計算的準確度Tab.6 Accuracy of diameter checking calculation of no.3 buried pipe anti-corrosion coating defect%

4 結(jié)論

影響陰極保護電位分布的因素較為復(fù)雜，土壤電阻率、陰極保護電流、缺陷位置分布等都可能對陰極保護電位場分布產(chǎn)生影響，進而對防腐蝕層缺陷定位和尺寸定量檢測產(chǎn)生影響。應(yīng)用直流電位梯度法開展核電廠陰極保護條件下埋地管防腐蝕層的檢測，得出如下結(jié)論：

（1）可通過沿管線測量地表電位差并繪制曲線的方法識別防腐蝕層缺陷位置，缺陷越大，識別度越高。核電廠廠區(qū)環(huán)境中并行管線對防腐蝕層缺陷的定位檢測有一定影響，通過斷開并行管線與陰極保護系統(tǒng)的連接，可提高防腐蝕層缺陷定位的準確性。

（2）地表電位差與缺陷上方通斷電電位差的比值、地表電位差和地表等勢線半徑均與防腐蝕層缺陷直徑呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度均高于95%，可通過建立線性關(guān)系模型，實現(xiàn)在非開挖或少開挖條件下的防腐蝕層缺陷直徑檢測。

（4）對于防腐蝕層缺陷的定位和尺寸檢測，防腐蝕層絕緣電阻率越大，檢測準確度越高，越適用于通過直流電位梯度法開展防腐蝕層缺陷檢測。三種核電廠典型埋地管防腐蝕層中，2號管道的準確度最高，1號管道的次之，3號管道的最低。為提高檢測準確度，有必要在埋地管新投入服役環(huán)境時開展一次檢測，得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于與后續(xù)檢測數(shù)據(jù)進行對比。

（5）綜合前述研究結(jié)論，采用直流電位梯度法大大降低了開挖量，開展核電廠廠區(qū)埋地管防腐蝕層缺陷定位和尺寸檢測。在實際檢測中，應(yīng)根據(jù)實際環(huán)境的差異和數(shù)據(jù)特征，對檢測得到的計算模型進行優(yōu)化。