犧牲陽極保護(hù)的埋地鋼質(zhì)管道檢驗(yàn)方法討論

周志尋,張俊泰

(安徽省特種設(shè)備檢測院,安徽 合肥 230051)

為了防止埋地鋼質(zhì)管道的土壤腐蝕,一般采用防腐層和陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)。陰極保護(hù)技術(shù)利用外加電流使被保護(hù)管道外表面成為陰極,已達(dá)到抑制腐蝕的作用,根據(jù)保護(hù)電流的來源分為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽極陰極保護(hù)。犧牲陽極陰極保護(hù)是以負(fù)電位金屬在電偶電池中通過犧牲陽極溶解對被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物提供陰極保護(hù)電流,犧牲陽極一般采用鋅合金或鎂合金。犧牲陽極陰極保護(hù)不需要外部電源,對鄰近構(gòu)筑物無干擾或很小,投產(chǎn)調(diào)試后可不需管理,工程越小越經(jīng)濟(jì),保護(hù)電流分布均勻、利用率高,因而在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐械玫綇V泛應(yīng)用[1]。

本文結(jié)合犧牲陽極保護(hù)鋼質(zhì)管道的全面檢驗(yàn),從接地的選擇、區(qū)分犧牲陽極與防腐層破損、加強(qiáng)信號接入點(diǎn)附近和犧牲陽極附近管段的檢驗(yàn)等方面對防腐層狀況不開挖檢測方法進(jìn)行了討論,從斷電電位的測量、極化探頭的使用和自然電位測量等方面對陰極保護(hù)有效性檢測方法進(jìn)行了討論。

1 防腐層狀況不開挖檢測

防腐層將管道與土壤環(huán)境隔離開來,阻止形成腐蝕電池,還可以降低保護(hù)電流的用量,改善電流分布,使陰極保護(hù)變得經(jīng)濟(jì)有效。一般利用交流電流衰減法檢測外防腐層的整體狀況,在交流電流衰減法的基礎(chǔ)上利用A字架可以進(jìn)行防腐層破損點(diǎn)的精準(zhǔn)查找。

交流電流衰減法發(fā)射機(jī)需要連接管道和地極。連接管道應(yīng)優(yōu)先從測試樁處連接,易操作且效果好,接入前通過檢測電位確保其電連續(xù)性。當(dāng)管線缺乏足夠測試樁時(shí),可利用閥門導(dǎo)電特性接入管道,而城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿篱y門井較多,能夠提高管道檢驗(yàn)的覆蓋程度。一般去除閥帽后從閥桿處連接,并注意閥桿清潔。實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于閥門類型不同,并非所有閥桿處都可以接通信號。除此之外,可以將井內(nèi)管道去除防腐層后連接管道本體,也可以將管道跨越段作為信號接入點(diǎn)。當(dāng)以上條件均無法滿足時(shí),只能選擇對管道開挖并破除部分防腐層以施加信號。

發(fā)射機(jī)連接地極時(shí),可以將接地針插在土壤中,并可以通過增加接地針數(shù)量提高接地效果。當(dāng)測試樁中連接犧牲陽極時(shí),可將接線暫時(shí)斷開,陽極線作為接地極使用,操作簡單且效果良好。使用犧牲陽極作為接地極的前提是不能影響管道陰極保護(hù)有效性,并應(yīng)當(dāng)盡快完成檢驗(yàn),該方法僅適用于整體電位均符合要求的管道,陰極保護(hù)效果較差的管道不應(yīng)采用這種方法。當(dāng)測試樁內(nèi)管道線、犧牲陽極線分別作為接線時(shí),應(yīng)當(dāng)注意接線正確,不能接反,否則影響檢驗(yàn)正確性。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),集中式接地效果較好,即接地點(diǎn)小且接地范圍小。護(hù)欄、圍欄等分散式接地?zé)o法滿足檢驗(yàn)要求,電線桿內(nèi)部磁場分布復(fù)雜影響檢驗(yàn)正確性,不應(yīng)作為接地極。

當(dāng)采用交流電位梯度法查找破損點(diǎn)時(shí),A字架距離發(fā)射機(jī)較近時(shí),會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖1,發(fā)射機(jī)連接測試樁A,朝測試樁B方向檢驗(yàn),距離測試樁A較近的AC管段檢驗(yàn)準(zhǔn)確受影響,會導(dǎo)致AC段內(nèi)破損點(diǎn)被遺漏。實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),外防腐層電位梯度dB值(以下簡稱“dB值”)從檢驗(yàn)起點(diǎn)開始一直較高,一般dB值大于50,隨著距起點(diǎn)越遠(yuǎn),dB值逐漸減小。因此,在從測試樁A向測試樁B方向檢驗(yàn)時(shí),可以根據(jù)dB值大小確認(rèn)受影響段AC范圍,再從B處或其他位置連接發(fā)射機(jī)對受影響的AC管段進(jìn)行再次檢驗(yàn),確保不會遺漏破損點(diǎn)。

圖1 管道檢驗(yàn)示意圖

利用交流電位梯度法查找防腐層破損點(diǎn)時(shí),未通過測試樁與管道連接的犧牲陽極呈現(xiàn)與防腐層破損點(diǎn)相似的信號而難以判別,將影響后期針對性地對防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行開挖并修復(fù)。現(xiàn)場檢驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)查閱管道工程設(shè)計(jì)文件、竣工資料和改造資料,檢驗(yàn)過程中詢問管道工程安裝人員或其他見證人員,盡量確認(rèn)犧牲陽極的埋設(shè)位置,避免將犧牲陽極誤判為防腐層破損點(diǎn)。一般而言,犧牲陽極埋設(shè)位置相對均勻,在穿越段附近會適當(dāng)增加犧牲陽極數(shù)量,檢驗(yàn)中可參考信號異常點(diǎn)的位置分布進(jìn)行判斷區(qū)分。實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),犧牲陽極外防腐層電流衰減dB值極大值較大,一般超過60,這與犧牲陽極較小的接地電阻和較大的表面積有關(guān)。防腐層破損點(diǎn)dB值極大值大小不一,總體來說大部分低于60,小部分超過60,因此dB值極大值相對低時(shí)可基本判定為防腐層破損點(diǎn),dB值極大值相對高時(shí)應(yīng)結(jié)合其他方法判斷。當(dāng)管道上某缺陷確定為犧牲陽極時(shí),可根據(jù)該犧牲陽極的dB值極大值估計(jì)其他相同敷設(shè)環(huán)境下犧牲陽極的dB值極大值,進(jìn)而作為檢驗(yàn)中的參考。對于通過導(dǎo)線直接與管道連接的犧牲陽極而言,可檢測異常信號上方垂直于管道走向的直線上缺陷的位置,當(dāng)缺陷明顯偏離管道中心線、與管道外壁有一定距離,則其可能為犧牲陽極,因?yàn)闋奚枠O埋設(shè)時(shí)與管道保持一定距離才呈現(xiàn)如此特點(diǎn);當(dāng)缺陷位置位于管道正上方時(shí),則難以判斷異常信號的性質(zhì),可能是防腐層破損點(diǎn),也可能是靠近或緊貼管道埋設(shè)的犧牲陽極[2]。總之,以上方法應(yīng)當(dāng)綜合使用,才能幫助我們在檢驗(yàn)中對缺陷進(jìn)行定性。

在使用交流電位梯度法檢驗(yàn)時(shí),犧牲陽極處電位梯度較大、缺陷信號較強(qiáng),可能導(dǎo)致附近面積不大、破損不嚴(yán)重的防腐層破損點(diǎn)存在漏檢的可能,因此,當(dāng)犧牲陽極通過測試樁連接管道時(shí),宜先斷開該處連接再進(jìn)行防腐層破損點(diǎn)檢驗(yàn);當(dāng)無法斷開犧牲陽極時(shí),應(yīng)在犧牲陽極附近使用A字架進(jìn)行加密檢測,確保不遺漏防腐層破損點(diǎn)。

2 陰極保護(hù)有效性檢測

在一般的情況下,陰極保護(hù)效果應(yīng)滿足基本準(zhǔn)則:在陰極保護(hù)狀態(tài)下,測得的管地電位至少達(dá)到-0.85 V(vs.CSE),但不能負(fù)于-1.2 V(vs.CSE),此測試值不包括IR降[3]。當(dāng)通電電位負(fù)于-1.2 V(vs.CSE)時(shí),應(yīng)當(dāng)測量真實(shí)的保護(hù)電位,若保護(hù)電位正于-1.2 V(vs.CSE)則說明該處符合陰極保護(hù)效果,否則該管道處于過保護(hù)狀態(tài);當(dāng)通電電位負(fù)于-0.85 V(vs.CSE)但相差不大,則存在保護(hù)電位正于-0.85 V(vs.CSE)的可能,即存在陰極保護(hù)不足的風(fēng)險(xiǎn)。總之,測量管道真實(shí)的保護(hù)電位是判斷陰極保護(hù)有效性中的重要一環(huán)。

中壓管道和次高壓管道一般采用犧牲陽極陰極保護(hù),高壓管道根據(jù)敷設(shè)環(huán)境可選擇強(qiáng)制電流陰極保護(hù)或犧牲陽極陰極保護(hù)。中壓管道的主要特點(diǎn)包括敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜、管段建設(shè)時(shí)間不同、支管連接較多、改造較多,因此各個(gè)管段的情況均不同。有的管段通過測試樁連接犧牲陽極,有的管段則直接連接犧牲陽極。應(yīng)當(dāng)根據(jù)管道實(shí)際情況,綜合使用以下電位測試方法。

斷電電位是指消除了保護(hù)電流所引起的IR降后的管地電位,近似等于真實(shí)保護(hù)電位。測量斷電電位時(shí),應(yīng)將斷流器串聯(lián)在管道和犧牲陽極之間,并同步各斷流器的時(shí)間,再進(jìn)行斷電電位測量。可知,斷電電位法僅適用于犧牲陽極通過測試樁連接管道的情況。為防止斷電瞬間造成沖擊電壓,宜在通斷電0.5 s之后讀取斷電電位,同時(shí)斷電時(shí)間也不宜太長,否則會造成管道過度去極化影響管道陰極保護(hù)效果。典型的通斷電設(shè)置為通電為12 s,斷電為3 s。由于通斷電過程中,電位變化較快不利于人工記錄,可采用記錄式儀表增加數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,比如FLUKE-289C記錄數(shù)據(jù)時(shí)最短時(shí)間間隔為0.25 s。對于支管較少的高壓管道和次高壓管道,斷電電位法測量較準(zhǔn)確,但是也存在所需斷流器數(shù)量較多的問題。中壓管道由于主管和支管較多,檢驗(yàn)時(shí)需要確定影響測量位置處的其他管線上的犧牲陽極,工作量較大且難度大。當(dāng)犧牲陽極距離測量點(diǎn)越遠(yuǎn),對測量點(diǎn)的電位測量影響越小,因此斷電電位法應(yīng)使斷流器連接測量點(diǎn)兩側(cè)及支管上盡量多的犧牲陽極,能縮小所測斷電電位與真實(shí)保護(hù)電位的誤差,為判斷陰極保護(hù)有效性提供參考。

當(dāng)管線犧牲陽極通過導(dǎo)線與管道直接相連,無法利用斷流器測量斷電電位,應(yīng)使用極化試片法或極化探頭法測量斷電電位。極化試片法結(jié)構(gòu)簡單,一般管道安裝時(shí)隨測試樁安裝,也可根據(jù)檢測需要進(jìn)行埋設(shè),測試片通過測試樁與管道保持連接,方便通過斷開測試線測量斷電電位,但是容易受到雜散電流干擾。因此,在管道受雜散電流尤其是直流雜散電流干擾時(shí),應(yīng)使用極化探頭法。極化探頭應(yīng)與管道埋設(shè)在相同埋深位置,試片材質(zhì)應(yīng)與被測管道材質(zhì)相近,試片面積應(yīng)為管道可能存在的防腐層最大破損面積[4]。不同探頭極化試片面積、不同敷設(shè)環(huán)境下的極化探頭所需的極化時(shí)間不同,測量前應(yīng)確保足夠的極化時(shí)間。

對陰極保護(hù)效果較差的管道,應(yīng)當(dāng)采用密間隔電位測試技術(shù)[5]。陰極保護(hù)效果差的管道,其測試樁保護(hù)電位勉強(qiáng)符合要求,但測試樁之間保護(hù)電位存在不符合要求的風(fēng)險(xiǎn),這時(shí)候需要利用密間隔電位測試技術(shù)對管道進(jìn)行全線電位測量。密間隔測試主要應(yīng)用于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng),通過通斷電,并以密間隔移動(dòng)硫酸銅電極進(jìn)行通斷電電位的測量,最終測得沿線各處的保護(hù)電位,因此該方法不適用于保護(hù)電流不能同步中斷(多組犧牲陽極、犧牲陽極與管道直接連接、存在不能被中斷的外部強(qiáng)制電流設(shè)備)的管道[4]。針對這種情況,可以通過管道上導(dǎo)電附屬設(shè)施進(jìn)行保護(hù)電位的測量加以部分彌補(bǔ),如閥門井內(nèi)管體、閥門,支管等;也可以通過從測試樁連接導(dǎo)線,測量管道沿線的管地電位,但該管地電位沒有消除IR降,僅能作為陰極保護(hù)有效性的參考。當(dāng)管道無法達(dá)到陰極保護(hù)基本準(zhǔn)則時(shí),可采用陰極電位負(fù)向偏移100 mV的準(zhǔn)則判定其有效性,但該準(zhǔn)則不適用于存在干擾電流的情形[6]。

當(dāng)測量保護(hù)電位出現(xiàn)異常情況,應(yīng)進(jìn)行犧牲陽極開路電位、輸出電流和接地電阻的測試。犧牲陽極開路電位即自腐蝕電位,為犧牲陽極在敷設(shè)環(huán)境中未與管道連接時(shí)的電位。通過測量該電位判斷其犧牲陽極的選用及其性能是否符合要求,比如鋅合金開路電位一般為-1.05～-1.1 V(vs.CSE),鎂合金開路電位一般為-1.5～-1.6 V(vs.CSE)。輸出電流即犧牲陽極在工作條件下輸出的電流大小,可用萬用表測量,用來判斷犧牲陽極是否正常工作。陽極必須埋在持久潮濕土壤里才能長期正常工作,否則干燥環(huán)境使陽極表面生成高電阻腐蝕產(chǎn)物,阻礙電流流出[7]。犧牲陽極保護(hù)效果受到土壤電阻率、填包料等因素的影響,接地電阻測量也是判斷電位異常的手段。檢驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)采用多種方法綜合判斷電位異常的原因,并協(xié)助使用單位及時(shí)消除問題。同樣,犧牲陽極用于接地排流時(shí)也應(yīng)進(jìn)行測量。

土壤腐蝕性檢測和陰極電位負(fù)向偏移100 mV準(zhǔn)則均要求測量準(zhǔn)確的自然電位,主要有以下三種方法:第一,查閱竣工資料中對未實(shí)施陰極保護(hù)的管道測量的自然電位;第二,可以將相似材質(zhì)試片埋設(shè)在管道等深位置測量該試片自然腐蝕電位,該電位即代表管道自然腐蝕電位;第三,對已實(shí)施陰極保護(hù)的管道宜在完全斷電24 h后進(jìn)行測量[4],這種方法適合強(qiáng)制電流保護(hù)的管道和犧牲陽極通過測試樁連接的管道,大部分中壓管道無法完全消除陰極保護(hù),因此該方法應(yīng)用范圍有限,而且去極化過程可能加速管道破損點(diǎn)處的腐蝕,應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用,并優(yōu)先使用第一和第二種方法。

檢驗(yàn)陰極保護(hù)有效性時(shí),利用測試樁安裝時(shí)埋設(shè)的長效參比電極能減小IR降的影響。但隨著使用時(shí)間的增加,長效參比電極存在性能下降的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)在測量前確保其有效性。

3 結(jié)束語

防腐層狀況不開挖檢測時(shí),集中式接地效果較好,犧牲陽極也可作為接地使用。對于初次信號接入點(diǎn)附近管段應(yīng)當(dāng)進(jìn)行再次檢驗(yàn),防止漏檢防腐層破損點(diǎn),同樣,犧牲陽極附近管段應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)檢驗(yàn)。在區(qū)分犧牲陽極和防腐層破損點(diǎn),應(yīng)當(dāng)借助查閱資料、防腐層電位梯度dB值、缺陷具體位置等多種方法進(jìn)行判斷。

陰極保護(hù)效果檢測時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)犧牲陽極與管道的連接形式選擇合適的電位測試方法。優(yōu)先采用斷電法,其次采用試片斷電法、極化探頭法,應(yīng)當(dāng)確保極化探頭的完全極化。對出現(xiàn)異常電位的應(yīng)借助測量開路電位、輸出電流等方法判斷原因并解決問題。