密间距电位检测技术(CIPS)在阴极保护系统有效性评价中的应用

曹生虎 汤天遴 桑绍雷

(北京普斯维斯防腐科技有限公司，北京 100102)

0 引言

埋地钢质管道阴极保护有效性的传统检测方法是在管道测试桩位置采用地表法进行管地电位测量，通过测得的管道对大地的电位差来判断管道电位是否介于技术规范要求的-0.85～-1.2V之间。一般使用高阻抗数字万用表和饱和Cu/CuSO4参比电极，在管道测试桩处进行电位测量。该检测方法的最大问题在于检测结果只能对测试桩附近很短的距离有效(一般不超过3m)，而管道测试桩按照技术规范要求一般按照间距1km进行布置(环境复杂区域可能加密)，这使得采用地表法检测的管地电位来判断整条管道阴极保护系统的有效性明显不科学、严谨。同时对管道沿线的某些局部影响因素，如距离测试桩很近的较大防腐层缺陷可以对测试桩的检测读数产生较大的影响，对于距离测试桩较远管道上的诸如金属搭接等故障无法通过数据反映出来。由此可见，通过传统方法检测测试桩管的电位得出管道防护方面的信息是有局限性的。为打破只能在测试桩上阴极保护电位的检测限制，大约在50年前欧洲出现了管道密间距电位检测技术。在检测过程中，用一根长导线通过某个测试桩上测试线与管道相连，沿着管线路由以小间距测量管地电位。由于整条管道的金属管体可以看做个等电位体，这样可测出管道路由上任意点的阴极保护电位数值，进而得到整条管线上阴极保护电位的分布情况，根据检测结果采取相应防范措施。CIPS检测设备是使用一个具有数据记录功能的灵敏毫伏表替换常规的万用表，对大量检测数据加以记录，并配合数据分析软件进行数据处理和分析。

1 密间距电位测量(CIPS)法技术原理

密间距电位测量是在有阴极保护系统的管道上，通过测量管道的管地电位沿管道的变化(一般每隔1-5米测量一个点)，来分析判断防腐层的状况和阴极保护系统是否有效。阴极保护电流(CP)加载到管道上时，通过管道、防腐层和土壤构成回路。在回路中加入电流中断器定时中断阴极保护电流，这样就可以通过GPS 同步测量。测量出的电位有通电位(Von)和断电位(Voff)两种测量时能得到两种管地电位，分别是阴极保护系统电源开时的管地通电位(Von电位)，阴极保护电流瞬间关断电位(Voff电位)，见图1。

图1 密间距电位测量原理图

日常测量阴极保护电位的方法中，使用数字万用表和饱和硫酸铜参比电极进行测量。所测得的电位是管体与地面间的电位差(包含土壤的IR电压降)，而管道的真实保护电位是指管体到与防腐层接触的土壤之间的电位差。

Voff是阴极保护电流瞬间关断电位，该电位是阴极保护电流对管道的“极化电位”，在阴极保护系统关闭的瞬间时土壤中流动电流为0，因此Voff电位不含土壤的IR电压降，所以，Voff电位是实际有效的保护电位。目前国外评价阴极保护系统效果的准则大部分采用Voff值来判断(即≤-850mV 有效，-1200mV时过保护)[1]。国内目前大部分地区由于受测量技术的限制仍沿用Von电位来评价保护效果的居多，这样就存在一定的偏差，特别是对防腐层破损及管道在高阻值埋设区域的保护效果出现误判。

2 CIPS测量步骤

(1)管道定位。在进行CIPS检测之前，须用管线定位仪来确定管线路由，同时采用木桩标识，以确保参比电极始终沿管线顶部进行放置。

(2)检测前准备。在现场检测前一天需对CIPS主机及断电器进行充电，探杖进行硫酸铜溶液灌装。

(3)串接电流中断器。对所有为独立管道提供阴极保护电流的阴极保护站恒电位仪串接电流中断器，且电流中断器中断周期与主机一致，同时电流中断器及主机架设GPS卫星，以保证所有中断器与主机同步中断；对存在牺牲阳极保护的管段，原则上需将牺牲阳极断开检测。

(4)尾线连接。将准备好的漆包线(一般在0.15mm～0.3mm之间)用小刀或打火机将外层包漆剔除干净，与管道测试桩测试线进行电性连接，确保接触良好，接头牢固。

(5)检测。双手持探杖，以80～100步/分为行进速度，实践证明沿管线正上方以扭秧歌姿势行进，可以保证探杖与地面充分接触，避免大量无效数据的产生。检测过程中需有专人对尾线进行维护，避免车辆、植被或人为绷断。

(6)记录。在检测过程中，详细记录恒电位仪输出，测试桩编号及主机显示异常数据管段周围环境情况，以备后续分析数据，查找异常原因。

(7)分析。检测完毕，通过专用软件将检测数据导入电脑，进行数据处理后，绘制通断电电位曲线图，确定电位异常管段，分析原因。见图2。

3 CIPS在长输管道阴极保护有效性检测的应用

3.1 管线背景

某管线分两段，其中一段于1998年投产，采用石油沥青防腐层，另一段于2004年投产，采用3PE防腐层，管线全长179Km，大部分处于沙漠地段，管线采用外加电流的阴极保护方式，其中全线共设7个阴极保护站。

3.2 CIPS检测过程中需注意的问题

3.2.1 CIPS通断时间

根据GB21246规范要求CIPS检测过程中典型的通/断周期宜为：通电800ms，断电200ms或通电4s，断电1s或通电12s，断电3s。本次CIPS检测采用的是英国雷迪公司生产的仪器，采用通电4000ms，断电1000ms。

在检测管线断电电位过程中，电流中断后的受断电脉冲影响，管/地电位会经历一段时间波动，最终趋于稳定。因此在GPS同步中断模式下测量整流器OFF电位时， 需在GPS中断器关断整流器后设置一段延迟时间，可增加测量的准确度。依据CIPS检测中设置的OFF时间，延迟时间的设置应满足表1。

图2 CIPS检测示意图

表1 断电时间与延时时间的关系

3.2.2 保护电流流失

在检测管道某段与4条管线与待检测管道呈垂直方位敷设，该管段CIPS检测过程中发现管地电位出现急剧下降，但随着检测距离的延伸管地电位慢慢上升。随后用PCM管道防腐层检测仪对该段管道进行检测，信号输入点选在靠近管道穿越敷设的第一个测试桩处，PCM检测通过管道穿越段信号迅速下降，且在与待检测管道交叉敷设的一条管道上明显检测处电流信号，表明该条管道与检测管道存在电性搭接。

3.2.3 直流干扰

在检测管道某段，有3条采用联合阴极保护系统的管道与其平行敷设，且管道间距小于10m。该管段CIPS检测过程中发现管地电位急剧攀升，最高通电位达-2000mV，断电位达-1600mV，但随着检测距离的延伸管地电位慢慢下降。经过与并行的3条管道管理单位协商关闭阴极保护系统后，检测管道通电位降至-1700mV，断电位降至-1180mV，表明检测管道收到其他管道阴极保护系统影响，见图3。

图3 直流干扰段CIPS检测结果示意图

3.2.4 长效参比电极失效

管道CIPS检测过程中发现一处阴极保护站内恒电位仪显示的保护电位与进站位置检测出的管地电位存在较大差距(达350mV)，为查找原因，采用便携式参比电极进行校准，同时对站内埋设长效信号参比电极位置进行开挖，采用进参比法检测，结果显示与CIPS检测结果接近，证明恒电位仪长效信号参比电极失效。

3.2.5 阳极地床埋设位置的影响

在CIPS检测过程中发现部分管段会出现通电电位攀升，而断电电位变化不明显的情况，但随着检测距离的延伸通电电位逐渐恢复正常。经过反复测试，发现类似管线全部距阳极地床距离相对较近，土壤中的电力线密度相对较大，使IR降升高，导致通电电位偏高。

3.3 检测结果分析

由于该管道最早于1998年投产，采用石油沥青防腐层，防腐层破损情况较多，CIPS检测发现管道全线断电电位 65%处于保护状态。

根据CIPS检测结果可以看出，该条管线存在阴极保护电流大量流失的情况。

根据现场CIPS及PCM检测结果分析，该条管道存在防腐层破损、老化，绝缘接头(法兰)漏电、管道搭接等导致阴极保护电流流失的现象。经后续开挖检测发现，在CIPS检测数据出现异常的管段存在较多机械损伤防腐层的情况。

4 结束语

(1)利用CIPS检测技术最直接的可以对整条埋地管线的阴极保护系统有效性给予最准确的评判，为后续系统维护比较准确的切入点。

(2)综合利用CIPS及PCM检测技术，不但可以相互佐证检测分析结果，更能准确判断整条管线防腐层、金属搭接的准确区域，还能判断绝缘接头(法兰)漏电等现象。

(3)目前国内对埋地钢质管道外腐蚀直接评价(ECDA检测)规范中已经将CIPS检测纳入为ECDA检测评价的必选手段，在国内中西部地区的长输埋地管道检测中已经得到普遍应用。

[1]GB/T 21448, 埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].