市政管道检测埋地管道防腐层检测技术
南京永宽 
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一、 埋地管道腐蚀评价与防腐层检测技术
1.1防腐层检测技术及仪器的现状
1) 变频—选频法
上世纪90年末，市政管道检测东北输油管理局与邮电部第五研究所结合我国输油行业的管理模式，完成了长输管线上以测量单元管段防腐绝缘电阻、评价防腐层完好状况方法的研究。该方法是将一可变频率电信号施加到待测管道的一端，从另一端检测信号的衰减幅度，通过调节信号的频率使信号衰减达到一定范围（23dB）时，根据信号频率的高低来推断防腐层绝缘电阻值，因此称为“变频—选频法”。此方法被列入石油天然气公司的SY/T5919-94标准，为我国管道防腐层评价的后续工作奠定了基础。变频-选频测量方法特点是：适合于长输管道的检测，具有使用简便，检测费用较低等优点；但该方法对操作人员要求较高，在使用之前需设定一些参数，较为复杂；所需与测量仪配合的设备较多；只能对单元管道（通常为1km）及有测试桩的管道进行绝缘电阻测量，无法判断破损点位置；当管段中有支管、阳极时须通过开挖检测点来分段检测。
2）直流电压梯度（DCVG）技术
直流电压梯度技术的代表仪器是加拿大Cath-Tech公司生产的DCVG。它可对有阴极保护系统的管道防腐层破损点进行检测。其原理是：在管道中加入一个间断关开的直流电信号，当管段有破损点时，该点处管道上方的地面上会有球面的电场分布。DCVG使用毫伏表来测量插入地表的两个Cu/CuSO4电极之间的电压差。当电极接近破损点时，电压差会增大，而远离该点时，压差又会变小，在破损点正上方时，电压差应为零值，以此便可确定破损点位置。再根据破损点处IR降可以推算出破损点面积。破损点形状可用该点上方土壤电位分布的等位线图来判断。
仪器优点：（1）灵敏度很高，可以精确地定位防腐层破损点；
（2）采用了非对称的交变信号，消除了其他管中电流、土壤杂散电流的干扰，测量准确率很高；
（3）可以区别管道分支和防腐层的破损点；
（4）可以准确估算出防腐层面积。并且也能对防腐层破损的形状进行判断。
缺点是：设备价格较贵、测量工作劳动强度大，须配合定位仪使用；由于电极与地面直接接触，因此当地面介质导电性差时，测量结果不稳定；通常仅适用于有外加电流阴极保护系统的管线，对于那些没有阴保系统的管线可通过直流发电机建立临时阴极保护系统完成检测；不同的土壤环境会对检测信号产生一定的影响。
3）皮尔逊法（人体电容法）
也属于地面电场法的范畴，目前国产检测仪器多采用该方法。其工作原理是：给埋地管道发送特定频率的交流电信号，当管道防腐层有破损点时，在破损处形成电流通路，产生漏电电流，向地面辐射，并在漏点上方形成地面电场分布。用人体做检漏仪的传感元件，检测人员在漏点附近时，检测仪的声响和表头都开始有反应，在漏点正上方时，仪器反应最强，从而可准确地找到防腐层的破损点。
该类仪器的优点是：设备体积小，价格较低；使用方便，对操作人员要求不高；现场简单时准确率较高；其缺点是：抗干扰性能差，当地下管网较复杂时，容易产生错误判断；针对检测管道及埋设环境的具体情况，设置检测的灵敏度。检测过程很大程度上依赖使用者的工程经验。灵敏度设置过低会漏掉破损点，灵敏度过高，会产生误报漏点。此外，国内早先生产的仪器发射机功率较小，测量范围受到一定限制，最近厂家加大了发射机功率情况有一定的改善；须同时使用定位仪和检漏仪；不能定量地判定防腐层老化程度。
4）密间隔电位法（CIPS）
为国外评估阴极保护系统和管道保护水平的标准方法之一。通过比较沿管线上测得的地面电位，评价管道的CP 系统性能。通常用于评价CP性能的数据包括：沿管线测得的电位、电位的变化值、不同距离点上的通/断、去极化电位，及其它的信号特征。其原理是：将一个参比电极放置于地面与电压表相连，表的另一端与管道相连，读取管地电位。在外加电流保护的管道中，通过测得的管地电位分布，即可得出管道的保护程度。该方法的优点是：适用于复杂的地表情况，甚至可水下作业；测量点多，数据较为准确；无须另配发射机；缺点是：测量程序复杂，对人员要求高；测量中要求间隔较小，工作量过大；须与定位仪同时使用；通常至少要三个人参加测量，一人管道定位，一人负责数据采集， 第三人负责回收导线。
5）杂散电流检测技术
杂散电流干扰给管道和设施造成的危害已得到了重视和研究，我国也制定了一系列行业标准，给出了解决电性腐蚀的方案，技术要求也相当明确和完整。由于当时在检测设备方面尚未有适用现场作业的测定专用设备，一般是在电工等通用仪表中选择使用，检测手段也较为单一和缺乏效率，直接影响了治理方案的有效实施。近年推出的杂散电流检测仪RD SCM 是一个不错的选择。SCM 能够检测出管道上阴极保护电流分布状况，也能精确测量出管道杂散电流的流入/流出点，对于检测和评定管线上保护电流给其它管线造成的干扰及找出治理杂散电流干扰方案是一个即安全又有效的方法。
1.2交变电流梯度法（多频管中电流法）及其应用
1.3.1、交变电流梯度法简介
早在1996年，天津嘉信技术工程公司提出了埋地管道防腐层检测的多频管中电流法，并推出相应的检测系统及配套软件，在全国石化系统已有数百套系统进行应用。为用户的管线检测提供了实用有效的检测手段，取得了良好的应用效果。该方法列入了石油天然气公司的《SY/T5918-2004埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》。在2003年4月推出全新的埋地管道防腐层数据处理软件，版本为GDFFW xp 1.3。这是一个在新的防腐层评价模型（交变电流梯度法）基础上，开发研制的全新软件，运行于当前流行的Windows各通用系统平台上。新版本继承了嘉信公司多年对埋地管道防腐层评价技术的研究经验，以及对防腐层评价模型及评价方法最新研究成果。当前的最新版本为 xp 2.1，增加了一些方便用户的辅助功能。
新软件的新增功能为：
* 推荐应用单一频率信号对埋地管道进行检测，软件自动根据管道埋设条件自动给出评价模型的参数，彻底解决了用户应用软件时参数选择的难题。
* 软件评价的模型考虑了土壤的埋设条件对评价结果的影响。
* 全新评价的模型考虑了伴行管道对防腐层计算的影响。
* 全面对软件的功能进行了重新设计，改进了用户界面。
* 采用了最新OLE/COM软件技术，极大地提升了系统的性能和可靠性。
* 增加统计表导出功能,可导出到共享区、记事本文件、MS word 文档。
该系统的使用方法是：通过在管道和大地之间施加某一频率的正弦波电压，给待检测的管道发射检测信号电流，在地面上沿管道路由记录管道中各测点流过的电流值；观测数据经过软件处理即得出检测结果。图形结果可直接显示破损点位置，也可定性地判断各段防腐层的老化状况。沿路由在地面上检测由管道上信号电流产生交变电磁场的强度及变化规律。采用这种方法不但可找管定位，还在很大程度上排除了大地的电性和杂散电流的干扰，具有很好的实用性。同时，通过管道上方地面的磁场强度换算出管中的电流变化，可以判断出管道的支线位置或防腐层破损缺陷等。其原理是：管道的防腐层和大地之间存在着分布电容耦合效应，且防腐层本身也存在着弱而稳定的导电性，使信号电流在管道外防腐层完好时的传播过程中呈指数规律衰减，当管道防腐层破损后，信号电流便由破损点流入大地，管中电流会有明显异常衰减，引发地面的磁场强度的急剧减小，由此可对防腐层的破损点进行定位。然而，这是个相对比较的过程，该过程受到不同检测频率、管道及周边结构等因素的影响。为消除包括管道规格、防腐结构、土壤环境等因素，将均匀传输线理论应用于管－地回路，建立相应的数学模型及参数，可以有效地分析或消除上述影响。在测得检测电流的变化规律后，根据评价模型可推算出防腐层的电气性能参数值Rg。交变电流梯度法就是根据这样的原理完成对管道防腐层的检测及评价。
1.3.2、管－地回路的等效电路模型
当在管道和大地之间施一交流信号时，用电路理论分析电流信号在回路过程中的传输过程，则必须把这一回路进行电路等效，即建立有效的电路模型。实际上，可以把管－地回路看成一个分布参数电路，基本参数可归结为纵向分量阻抗和横向分量导纳。考虑大地电阻和电容的影响，可以对管地回路中的一个微分段作图1所示的等效。图中: R表示管道的纵向阻抗，L表示管道电感，Gs表示土壤的内阻抗，G表示为管道防腐层横向漏电导纳，C表示管道的分布电容。在理论上，在一定的测量范围内，可以把原本并不均匀的参数看成均匀地分布于回路的每一微段之中，电路模型得以大为简化。
图1管－地回路的微段等效电路
1.3.3、交变电流梯度法的数学模型
根据电磁学理论分析可知，当将一交变正弦检测信号由发射机供入管－地回路中时，信号的衰减幅度远大于专用传输线。检测工程中，回路的损耗远大于理想传输线，可将回路视为特性阻抗的传输线，此时的传输线处于匹配状态，反射波不存在，除未竣工管道或靠近绝缘法兰的管段等特殊情况外，通过入射波传输的功率全部被负载吸收。由于信号的传输距离有限，大部分情况下管道的长度远远大于有效传输距离，都可以看成是无限长的。满足如下传输规律：
（1）
而被称为衰减常数的与管－地回路参数满足如下关系式：
(2）
在实际检测中发射的是交变检测信号，回路中的电磁场为正弦电磁场。管中等效电流值，记为Iam，单位为安培。将安培为单位的电流Iam转换成分贝电流后，IdB-X曲线则是一条倾斜的直线，其斜率Y与成正比关系。当已知某二点的管中电流值时，即有：
（3）
在式(2)中，G即为包含着能反映防腐层状况的绝缘电阻Rg，当由式(3)计算出管－地回路的衰减常数后，Rg即可被求出。同时，与对应的Y值大小也可定性地反映防腐层的优劣程度。
1.3.4 、评价模型的改进及GDFFW xp版软件的完善
嘉信公司在管道检测开发和推广防腐层评价方法的初期，采用的是基于多个频率对管道进行重复检测，避开直接给出不易确定的参数，称之为“多频管中电流法”的方法。但是，多频方法是以增加检测工作量为代价的。同时，经实际应用发现，三频反演得到的电容、电感数值其合理性值得怀疑。在大量的检测经验基础上，嘉信公司通过软件推荐给用户经验的电容电感数值，解决了用户在确定参数时遇到的困难。此后的方法不要求对管道进行三频检测，提高了用户的检测效率。经过对模型的不断完善，近来已经有了很大的改进，为了确切地反映方法的完善，将方法重新命名为“交变电流梯度法”。
经过多年应用和研究，全新评价模型改进了原方法存在的主要缺陷是：
1)“多频法”评价管道防腐层所依据的是“线传输函数”模型，要通过纵向电阻R、电感L、电容C的参数输入来求解防腐层绝缘电阻Rg。在单频检测时，正确给定C、L值至关重要。电容C则与防腐层的厚度、结构以及组成物的介电常数有关，电感参数的影响因素更为复杂。原来推荐的三频方程联立求出C、L值的方法因检测工作量成倍加大，三频方程的一致性不高，无法保证求出的C、L值可用。经研究发现，检测中的管-地回路应为有耗线传输模型，信号的传输距离有限，大多数情况下传输线处于匹配状态，由于反射波不存在，除未竣工管道或靠近绝缘法兰的管段等特殊情况外，通过入射波传输的功率全部被负载吸收，大部分情况下管道的长度远大于检测信号的有效传输距离，都可以看成是无限长的。
2) 管道纵向电阻未能考虑交流信号的因素
在求解Rg的过程中，准确计算管道的纵向电阻也很重要。钢管的磁导率很高，即便检测信号频率不高时，交流信号的趋肤效应也不能忽略。简单地用管材的直流电阻不能正确反映交流信号下的电磁参数。管材电磁参数受管径、壁厚以及管体成型方法（无缝、直缝、螺旋焊缝）的制约相当明显；管道运行时间越长，其有效电磁参数与初始埋设时的差别也就越大。新模型在这方面作了改进。
3) 土壤电阻率的影响不能忽略
使用过电流梯度法的人都会发现，管道埋设的土壤环境对检测电流衰减规律的影响显而易见，不考虑土壤电阻的差异是不能有效地应用电流梯度法，完成管道的评估的。考虑土壤的导电性对得到正确的评价结果至关重要。
4) 伴行管道的影响不可忽略
管道的埋地环境千差万别，目标管线附近存在伴行管线的情况并不少见。伴行管线与目标管线的电磁耦合作用十分明显，它直接会以互感的方式影响管道的电感值。电感L不仅与管道的有效电磁参数有关，而且还取决于管体直径以及管外围土壤介质的电磁参数变化情况。因此，仅仅经验性地指定管道参数是难于得到符合实际的检测结果的，根据埋设条件选择评价参数是必然的选择。
1.3.5、方法的特点：
1) 对埋地金属电缆管道的精确定位。
2) 对埋地金属管道防腐层破损点的精确定位，评估防腐层完好状况。
3) 对阴极保护系统有效性的评估。
4) 测定电流方向的功能，检测管道的不正常金属搭接。
5) 多频率发射检测信号，非接触式测量，无须开挖。
6) 具有轻便、坚固、耐用、一人可独立操作。变间距的测量方法减少检测的工作量；
7) 两种检测方法配合，测定漏点精确高效，抗干扰性能强.特别适用于管网比较复杂的情况。
8) 利用专用软件GDFFW xp通过对管道防腐层绝缘电阻Rg的计算来评估管道外防腐层等级。
二、电磁法检测设备
2.1、系统配置
MF系列产品主要有以下几种型号：
MF-4 埋地管道防腐层检测系统
组成：RD4000PXL、防腐软件、外接电源。
用途：高性能管线定位仪，用于管线定位，管道外防腐故障检测，深度测量，管线信号电流强度(CM)功能，有源/无源方式下均可探测管线。
MF-5 埋地管道防腐层检测系统
组成：RD4000PDL、A型架、防腐软件、外接电源。
用途：高性能管线定位仪，用于管线定位，管道外防腐故障检测，深度测量，管线信号电流强度(CM)及电流方向(CD)功能，可以带故障定位(FF)功能，有源/无源方式下均可探测管线。
MF-6 埋地管道防腐层检测系统
组成：RD-PCM(FF)、A型架、防腐软件、外接电源。
用途：高性能的管线定位仪，管道外防腐层破损点的精确定位，管道的防腐层完好状况的评估，检测阴极保护系统的有效性，CD功能用于判定管道与金属物的搭接，超低频近直流超大功率的发射机，能够使管线检测的距离更远。
2.2、 MF系列仪器的应用范围
2.2.1、基本用途
管线/电缆的定位探测，可以普查、跟踪识别各类地下电缆、精确测量管道的位置及埋深；不用开挖即可完善各类地下管网图；可以在各类开掘工作前做普查探测，以确保施工安全有效。
管线定位功能还为 MF系列仪器的更深层应用（如：管道防腐状况检测及评估、电缆故障探测、水管泄漏探测）提供必要的前提。应用其他检测方法（如：DCVG、SCM）时，要使用管线定位功能测量管线的路由。用于埋地电缆的定位及追踪探测，某些型号可用信号夹钳进行信号供入，可完成电缆的不断电检测。
2.2.2、管道防腐层漏点检测及完好状况评估
可以发现并精确测定防腐层的破损位置，查出管道与其他管道或金属构件的不正常搭接，对于无破损的管段可以测定管道中电流衰减系数，并进一步推算防腐层的绝缘电阻Rg，参照石油天然气总公司的《SY/T5918-2004埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》技术标准即可评定防腐层的质量等级。
对于有阴极保护站的长输管线，可以利用RD-PCM测定管道的防腐状况，而且测量的一次性距离可达30Km。通过测定被保护管道上的电流分布区线，检测过程是应用天津嘉信公司的交变电流梯度法，并在管道防腐数据处理软件GDFFW xp的支持下完成资料的整理与解释工作，来评定管线的阴极保护的有效性。
此外，可以使用 A型架现场测定防腐层破损点的位置，这是应用仪器的 FF功能，习惯上称之为“地面电场法”或“交流电位梯度法（ACVG）”。这种方法可与“交变电流梯度法”互相验证，互相补充可以快速、高效完成管线外防腐层的评价。
2.3、 应用原理
2.3.1、 基本原理
以上的仪器均由发射机和接收机两部分组成：
发射机向管道或电缆供入某一频率的信号电流，当检测信号电流沿管道向远处延伸时，它在管线周围产生有规律的电磁场，这样当工作人员手持接收机在管道上方时，便可以探测到这个电磁场，根据显示可以测定管线的位置、深度，测定管道中的信号电流强度及该电流的方向。
如果管道(或电缆)外皮绝缘层有破损，给管道施加的电流信号泄漏于周围土壤中，并且在地面上产生散发性的电场分布，这时用 A型架，将探针插入地面便能测量到这种电场，并能追踪到破损点的位置，这就是地面电场法的原理。
2.3.2 、频率选择
发射机及接收机有几组互相对应的频率可供选择，MF系列仪器的频率配置如下：
RD4000PXL/PDL
发射机
CD
LF
8
33
65
/
/
FF
接收机
CD
LF
8
33
65
P
fa
/
频率(Hz)
640&320
640
8192
32768
65536
50
100
8192&4096
RD-PCM
发射机
ELF
ELF↑↓
LF↑↓
接收机
ELF
ELF↑↓
LF↑↓
频率(Hz)
4&128
4&8&128
4&8&640
表中 P方式是测定50Hz市电的信号，它不需要发射机发送信号；PDL接收机的f1是专门选定的 100Hz信号，用以测定阴极保护站发出的整流后的电流谐波，并能测定其电流大小，又称之为 CPS功能。
发射机发射的 FF 频率是配合 A型架来测量地下漏电点的位置的，即是管道故障查找（FF）功能。CD 频率选择可供管道定位，测量电流强度，及测量电流方向使用。也可供A型架测定地下漏电点位置使用。
PCM发射机可发射三种频率的组合：ELF、LF↑↓ 、ELF↑↓ 分别是4 & 128(Hz)、4 & 8 & 128(Hz)和4 & 8 & 640(Hz)，是一个近直流交变的叠加电流信号，可供接收机测量4 Hz和128Hz，还有4 Hz和640Hz两组频率的电流读数值。8Hz信号是用于辅助测定电流方向的频率。不同制式的仪器是将128 Hz的信号替换成98 Hz；640 Hz的信号替换成512 Hz。使用仪器时，在频率选择上应注意：
1) 对导电良好的管道/电缆尽可能采用低的频率，以利于信号电流的远距离传输。
2) 对不良导电的管线要采用较高的频率，信号容易感应到管线上。
3) 要注意管线上是否有相应检测频率的干扰。其方法是关掉发射机,把接收机置于管线上方时，检查接收机上的读数。
4) 发射机接收机频率要互相对应，与测量的要求相对应。
2.3.3、 发射机供入点及接地电极位置的选定
使用发射机为管道供入信号的原则是尽量使待测的管线上有较强的信号电流，使相邻的伴行管线上尽量没有信号，或使其它管线上的信号最小。为此应该注意：
1) 当待测管道有多个供入点可供选择时，要尽量选择管道分布最稀疏、防腐状况较好的位置作为供入点。
2) 发射的信号强度以够用为原则，并非愈大愈好。较大信号强度会缩短电源的工作时间。
3) 地极尽量不要连接在相邻管道或其他金属构件上，以免信号传入测量区产生干扰。
2.3.4、 接收机的峰、零接收方式
MF系列仪器的接收机具有峰(Peak)、零(Null)两种接收信号方式：
1) 峰值方式是用双水平线圈接收水平电磁场的强度，在管道正上方的磁场强度最大，两侧对称且渐小，峰值方式测量具有较好的抗干扰能力，但测量时须使接收机的机身平面与管道方向垂直，反之当平面与管道方向平行时，测得的强度最小。这个特性往往用来判定管道的走向。
2) 零值测量方式是用垂直线圈测量电磁场的垂直分量，它在管线上方有一零值(或极小值)，两侧各有一个高峰。
3) 不论峰值或零值定位，都应在直线管道的地段(即测点前后三倍埋深距离内应是一段直管)，在管道拐点、三通、变深点不应该读数。
4) 当峰/零方式位置重合，目标管线可视为简单管线，其他管线的干扰可以忽略。如果峰零位置偏差较大，则认为地下有其他管线存在。当峰零偏差超过20cm时，会严重影响直读测深或电流值测定精度。
三、 电磁法仪器的一般操作方法
3.1、管线定位
管线定位是指在地面上测定埋地管道的水平位置及深度，一般用于修正竣工图、地下工程设计或地下开掘前要准确了解地下管线位置。在进行管道防腐层检测，管道泄漏探测，电缆故障探测也需要事先或同时进行管线定位探测。
3.2、感应法扫描（盲扫定位）
当要调查某区域内地下管线分布情况，且地表又缺少必要的连接点时，则需要用感应扫描/盲扫方法进行检测。(PCM无此功能)
这时，建议首先用接收机的动力电方式对整个区域进行初测，对地下的管线分布有个大概的了解之后，应用感应法给待测的管线施加信号，就可逐步探测出地下管线。
感应搜索法需要二人操作，其中一人手持发射机沿管线的垂直方向慢慢移动，离开探测区域至少15步，第二人在此区域内与发射机平行移动接收机，来捕捉由发射机发射到管线上的信号。
