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用直流电位梯度法测量埋地管道防护层缺陷位置的模拟试验

文档作者：巢栗苹文档来源：化学工业设备质量监督检验中心		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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用直流电位梯度法测量埋地管道防护层
缺陷位置的模拟试验
巢栗苹
(化学工业设备质量监督检验中心,南京210024)
摘　要: 介绍了埋地管道防护层缺陷电位梯度检测技术。用盐溶液、蒸馏水和自来水的混合液模拟土壤介质,通
过改变管道防护层缺陷大小,改变环境电阻率和保护电流,试验证明了电位梯度检测技术能够比较准确地检测出
管道防腐层缺陷的位置,并得到了管道埋深和地表电位梯度的关系。
关键词: 埋地管道;防护层; 检测;电位梯度
中图分类号: U177 ; U178 　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 10052748X(2008) 0520257203
Detection of Defect Locations in Coatings on Underground Pipel ines
by DCVG Technique
CHAO Li2ping
(Quality Supervisory Cent re of Chemical Equipment , Nanjing 210024 , China)
Abstract : The principle and method of the detection technique of DCVG is int roduced. Through changing the size
of defect s , environment resistance rate , protective current , simulation test s proved that DCVG technique could
detect the defect locations , and the relationship between the depth of underground pipeline and the earth surface
voltage gradient s could be obtained.
Key words :buried pipeline ; anticorrosive coating ; detection ; voltage gradient
0 　引　言
油气长输管线投入运行后,在服役期间需要进
行检测。检测是对油气长输管线进行安全可靠评估
的基础,是预防油气长输管线失效,降低管线风险的
重要手段。根据检测结果可给用户提供合理的维护
和改造建议。在各种管道防腐层缺陷检测技术中电
位梯度检测法具有对管道无需开挖、定位精度高,测
试过程不受交流电干扰,不需拖拉电缆,受地貌影响
小,操作简单等优点,因此直流电位梯度法在各种防
腐层缺陷检测技术中一直是人们研究的热点。
1 　直流电位梯度法
1. 1 　原　理
直流电位梯度(DCV G) 检测技术通过在阴保护
管道地面上方的两个探测电极(Cu/ CuSO4 ) 和与探
极连接的中心零位的高灵敏度毫伏表来检测因管道
收稿日期:2007205222 ;修订日期:2007206218
防腐层破损而产生的电压梯度[ 1 ] 。探极之间的极性
可用来确定产生所得电位梯度及电流的方向。知道
土壤中所流电流的方向就可追踪电流的轨迹,从而
判断管道破损点的位置。在进行检测时,两个探极
沿管线轴向进行检测。当探极接近防腐层破损点时
毫伏表的指针会指向靠近破损点的探极。走过破损
点时指针会指向检测后方的探极,当破损点在两探
极中间时,毫伏表指针指示为中心零位。根据毫伏
表指针的偏移,逐步移动探极并减小两个探极间的
距离可准确确定管道防腐层破损位置。
直流电位梯度法的理论依据是,埋地管道防腐
层缺陷处地表电场分布与管道防护层缺陷的形状以
及缺陷所处管体的位置相关。破损处地表电场轮廓
线的描述可通过在其上方的地面上画等压线的方法
进行判定。典型的电场轮廓线见图1 。
1. 2 　优缺点
优点: ①只需一个人操作设备即可进行测量;
·257 ·
第29 卷第5 期
2008 年5 月
腐蚀与防护
CORROSION &amp;amp; PROTECTION
Vol. 29 　No. 5
May 2008
②无需使用拖线电缆,因此对测量者极为方便; ③
定位精度高,可以在±75 mm 范围内确定防腐层缺
陷; ④可估算缺陷尺寸大小,指示腐蚀是否正在进
行。还可以检测彼此相距很近的面积较大和较小的
缺陷; ⑤可以同时对并行管道进行测试; ⑥测量信
号可以重叠在一条已有的阴极保护系统上; ⑦不易
受管道上方电网干扰; ⑧受地貌影响小。根据检测
结果可给用户提供合理的维护和改造建议; ⑨可通
过%IR 判定缺陷的严重程度。在DCV G 检测技术
中,由于采用了不对称信号,可以判断管道是否有电
流流入或流出,因而可以判断管道在防腐层破损点
是否有腐蚀发生。这是其他管道缺陷检测方法所不
具备的特点。
但此方法也有其缺点,如:不能直接给出破损点
处的管地电位,不能指示防腐层剥离。
2 　管道防护层缺陷位置的检测
2. 1 　试验方案
(1) 依据位置坐标,将缺陷设在20 cm 处。改
变管道缺陷的大小进行试验;
(2) 改变输出直流电流大小进行试验;
(3) 用不同电导率的盐溶液、蒸馏水和自来水
混合液模拟不同的土壤介质,改变环境的电阻率进
行试验;
(4) 改变管道埋深进行试验。
严格控制水槽上方两移动电极间的间距和移动
的位置。利用毛细管来减小移动参比电极时对水面
的干扰。测量时还需排除其它直流电干扰。保证实
验环境的稳定性。电位的测量精确到0. 1 mV 。
2. 2 　试验仪器及器材
试验仪器及器材:DJ26 型金属防腐涂层电火花
检漏仪、水槽(长1 m ,宽29 cm ,深25 cm) ,铁管
(<27 mm ,壁厚2 mm ,长度为950 mm) ,甘汞参比电
极,辅助阳极,万用表,毛细管, ZF23 恒电位仪; 导
线、油漆、万能胶、支架、琼脂、接线板、螺丝。试验介
质为自来水,盐水,蒸馏水。
图2 　试验装置示意图
2. 3 　测量结果
对管道施加直流电流信号,A、B、C、D 分别为管
道防腐层缺陷直径为3 mm、5 mm、7 mm ,9 mm ,埋
深为2. 8 cm ,给定电流为- 0. 012 mA ,在电导率为
165μS/ cm 的蒸馏水和自来水的混合液中,探针测
量位置和电位梯度(ΔU/Δl 为电位梯度, 由于两探
极间距Δl 在这里是定值, 故以ΔU 表示电位梯度)
的关系,见图3 。
图3 　不同直径缺陷时,在混合液中测试探针位置
和电位梯度的关系
缺陷、埋深同前,给定电流为- 0. 355 mA ,在电
导率为3200 μS/ cm 盐溶液中,测试探针位置和电
位梯度的关系,见图4 。
管道防腐层缺陷直径为3 mm ,深度2. 8 cm ,给
定电流- 0. 355 mA ,3 种环境电导率分别为A :自
来水, 电导率650 μS/ cm ; B : 盐水, 电导率3200
μS/ cm ;C :盐水,电导率9000μS/ cm ,测试探针位置
和电位梯度的关系,见图5 。
微分欧姆定律:
d E
dl
=ρ×i = 1
L
×i (1)
式中:d E/ d I ———土壤电位梯度,mV/ m ;
·258 ·
巢栗苹:用直流电位梯度法测量埋地管道防护层缺陷位置的模拟试验
图4 　不同缺陷大小时,在盐溶液中测试探针位置
和电位梯度的关系
图5 　不同电导率溶液中探针位置和电位
梯度的关系
ρ———土壤电阻率,Ω ·m ;
L ———土壤电导率,S/ m ;
i ———流经该处土壤的电流密度, mA/
m2 。
由图5 可以看出环境介质电导率越大,电位梯
度越小。这与微分欧姆定律吻合。此图也说明当管
道所处土壤电阻率大,所测电位梯度也就越大,越容
易找出管道防腐层缺陷位置。当管道所处土壤电阻
率较小,所测电位梯度也就越小,越不容易找到管道
防腐层缺陷位置。
由各图3～5 均可以明确看出当测量位置接近
20 cm(破损位置) 时,电位梯度数值逐渐增大。当
跨过20 cm 这个点后,电位梯度逐渐减小。电位梯
度变化幅度最大的区域即为破损点近似位置。由此
可确定管道防腐层缺陷位置在20 cm 处。
3 　管道埋深和电位梯度的关系
3. 1 　阳极电场及其电位分布
研究阴极保护电位分布时,只考虑和设备相临
处的介质电位。对于埋地管道,则是研究管道埋深
处土壤的电位。
管道埋在半无限大均匀导电介质(大地) 时,采
用静电类比法和镜像法,可推出管道沿线x 点相邻
介质电位,Ua ( x) 的计算公式[2 ] :
Ua ( x) =
Iρ
4π
( 1
a2 + x2
+ 1
a2 + x2 + 4 h2
) (2)
式中: I ———流出阳极的电流,A ;
ρ———土壤电阻率,Ω ·m ;
h ———阳极和管道的埋地深度(假设两者相
同) ,m ;
a ———阳极到管道的垂直距离(交点为垂点) ,
m ;
x ———管道上距离阳极在管道垂点距离为x
的位置,m。
3. 2 　管道埋深和电位梯度的关系
管道给定电流为- 0. 012 mA , 在电导率为
165μS/ cm蒸馏水与自来水混和液体中,管道深度
和电位梯度的关系,见图6 。
图6 　混合溶液中管道深度和电位梯度的关系
管道给定电流为- 0. 355 mA , 在电导率为
3 200μS/ cm的盐溶液中,管道深度和电位梯度的关
系见图7 。
图7 　盐溶液中管道深度和电位梯度的关系
由图6 、7 可以看出在检测电流大小一定,缺陷
大小不变,溶液的电导率不变时,随管道埋深的增
大,检测信号反向减小,这与式(1) 完全吻合。
(下转第263 页)
·259 ·
巢栗苹:用直流电位梯度法测量埋地管道防护层缺陷位置的模拟试验
参考文献:
[1 ] 　张学元,杜元龙. 油气工业中CO2 腐蚀规律和研究趋
势[J ] . 材料保护,1997 ,30 (4) :21 - 23.
[2 ] 　刘绘新,苏永平. 川东气田油管腐蚀现状的基本特征
[J ] . 天然气工业,2000 ,20 (5) :77 - 79.
[3 ] 　Burke P A. Synop sis : recent progress in the under2
standing of CO2 corrosion[C]/ / In : Hausler R H , Gid2
dard H P. ( Eds) , Advances in CO2 corrosion Vol . 1.
Corrosion’84 , Houston , TX: NACE International ,
1993 :1 - 18.
[4 ] 　Waard C , Lozt U. Prediction of CO2 corrosion of car2
bon steel [ C ]/ / A working party report on prediction
CO2 corrosion in oil and gas corrosion of carbon steel.
Corrosion’94 , Houston , TX: NACE International ,
1994 :1 - 21.
[5 ] 　Newton L E. CO2 corrosion in oil and gas production
[C]/ / Corrosion/ 1984 ,Paper No. 7. Houston :National
Association of Corrosion Engineers ,Texas ,1984.
(上接第259 页)
说明随埋深的继续增大,地表的电场分布接近
于无缺陷时的分布。当埋深增加到一定位置后,无
论缺陷直径大小如何,检测信号几乎相同,即接近
零。因此对更深的位置的管道不能完成检测。本次
实验室模拟试验,从多个方面模拟真实现场,试验模
型接近实物按比例缩小,从图6 、7 中可以看出当管
道深5. 1 cm时,检测信号几乎接近零,而现场检测
时,DCV G方法可检测地下2 m 以内。
4 　结　论
(1) 埋地阴极保护管道防腐层有缺陷时,会在
缺陷上方地表产生泄漏信号,电位梯度变化幅度最
大的区域即为破损点近似位置。通过检测电位梯度
相对值的变化可以确定防腐层缺陷位置。
(2) 管道所处环境电导率越大,其缺陷上方地
表的电位梯度越小。即电位梯度与电导率成反比,
与电阻率成正比。
(3) 电位梯度随管道埋深增加而减小,当埋深
达到一定深度时,这种影响变得极其微小即地表的
电场分布接近于无缺陷时的分布。
参考文献:
[1 ] 周琐,靳世久,孙墨杰. 埋地管道防腐层缺陷DCV G检
测技术研究及应用[J ] . 管道技术与设备,2001 (5) :38.
[2 ] 李相怡,翁永基. 阴极保护电位分布数学模型的研究及
其应用[J ] . 腐蚀科学与防护技术,1998 ,10 (2) :63 - 65.
·书讯·
　腐蚀电化学原理　第三版
曹楚南　编著
腐蚀电化学是以金属腐蚀电极为研究
对象的电化学,是应用电化学的一个重要
领域,是电化学与腐蚀科学理论的桥梁,是
腐蚀科学的重要理论基础。《腐蚀电化学
原理》精辟地介绍了腐蚀电化学理论体系,
对于提高我国腐蚀科学水平起到了较好的
作用,是腐蚀科学的基本读物。
曹楚南院士以清晰的思路、严谨的论
证、平易的语言,深入浅出地向读者展示了
腐蚀电化学的基本概念、基本原理、研究方
法、实验技术。第三版在修订中吸取了腐
蚀科学研究的最新进展,同时听取了部分
读者和专家的意见,调整了部分内容和篇
幅,全书更紧凑、更易读易懂。
腐蚀工程科技工作者、高等学校腐蚀
与防护专业、材料专业、电化学专业的教师
和学生阅读本书,定当受益。
9782721222204521 　2008 年3 月出版
　271 页　36 元

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