储运防腐技术教学实验平台建设与开发

周 昊,赵会军,李恩田,王树立,周 宁,赵书华

(常州大学江苏省油气储运技术重点实验室,江苏常州 213016)

储运防腐技术教学实验平台建设与开发

周 昊,赵会军,李恩田,王树立,周 宁,赵书华

(常州大学江苏省油气储运技术重点实验室,江苏常州 213016)

针对储运防腐技术实验教学与科研的需要,设计建设了一套大型综合性储运防腐技术教学实验平台,并开发出多种类型的实验项目。该平台综合运用各种先进技术,可模拟埋地油气管线阴极保护工艺系统及其运行工况、管线阴极保护参数检测、管线防腐层检测及杂散电流干扰检测等任务。该平台综合性强,贴近工程实际,更有利于锻炼和提高学生的专业技能和动手能力,有利于培养学生的综合能力和创新意识。

油气储运工程;防腐技术;实验平台

金属腐蚀问题遍及各个部门及行业,石油天然气工业尤其严重,加强金属腐蚀与防护技术研究与教育,可为石油天然气工业带来巨大的经济和安全环保效益,石油天然气工业防腐人才需求也相应巨增[1-3]。储运防腐技术是为油气储运工程专业高年级学生开设的一门应用性强的专业必修课或限选课,通过该课程的学习,使学生掌握金属腐蚀的基本理论及防护方法,并具备解决油气储运工程实际腐蚀问题的能力。实验教学在储运防腐技术课程教学中起着非常重要的作用,它是培养学生自主创新能力,锻炼学生分析问题、解决问题及实际动手能力的不可缺的教学环节,也是理论教学的重要补充[4-6]。但目前国内相关石油高校的储运防腐技术教学中均缺乏贴近行业需求、体现油气储运工程专业特点的综合性储运防腐技术实验平台。针对该现状,结合油气储运工程的行业特点,以培养专门的防腐工程技术人才为目标,以实践教学为主线,以贴近并回归工程实际为重点,在油气储运重点学科建设、特色专业建设和省级重点实验室建设之机,我校自行设计并建设了储运防腐技术教学实验平台。

1 实验教学平台的建设思路

在学校人才培养目标的指导下,根据储运防腐技术实验教学改革与发展的需要,结合校情,明确了教学实验平台如下的建设思路:

(1)建设一个开放的、多功能的综合性实验平台。

在调研分析油气储运专业防腐工程特点和防腐技术发展趋势,并综合油气储运防腐技术的主要专业课程知识基础上,建设集管道阴极保护实验、管道防腐层检测实验、杂散电流检测实验于一体的开放的综合性油气储运防腐技术教学实验平台。该平台功能多,拥有较高的实验水准,以本科生教学为主,兼顾研究生等其他层次的教学需求,立足学院、面向全校,可满足油气储运及相关专业防腐技术实验教学与科研的需要。

(2)建设一个基础性、综合性与可发展性相结合的实验教学平台。

采用先进的管道阴极保护技术、管道防腐层检测技术和杂散电流检测技术及相关设备,构建模块式、开放式的实验装置与教学模式,根据不同层次学生对课程学习的不同需求,灵活开设与自主选择相应的实验项目与实践内容,形成多元化的实验教学平台。

(3)建设一个结合理论教学需求,又贴近工程实际,并再现相关工程的最新技术,以工程化训练为主导的实验教学平台。该平台模拟管线腐蚀防护系统,具有鲜明的行业特色,反映了金属腐蚀与防护学科及相关交叉学科技术的最新前沿。在实验平台上,学生可以创设真实管线防腐工艺系统、真实管线阴极保护系统运行工况、真实管线防腐层及杂散电流干扰检测的教学情境,解决传统教学多以验证性教学为主、脱离生产实际工艺和工况、学生实际操作机会少等难题。通过实验教学平台的训练使学生能在石油天然气工业生产第一线解决实际腐蚀与防护问题,为培养专业防腐技术人才提供优质资源。

(4)建设一个教学与科研相结合的实验教学平台。实验平台的建设和应用将注重发挥科研优势,将科研设备和技术引入实验教学,在实验教学中注重培养学生的科研创新能力,并将实验教学内容扩展到科研课题,实现教学与科研的相互促进[7]。

2 实验教学平台建设与开发

2.1 实验教学平台的设计与建设

储运防腐技术教学实验平台是一套大型综合性实践教学平台,该平台由“一线三模块构成”,即由一根长50 m、直径DN60的埋地钢管模拟真实的油气输送管线,在此基础上构建管道阴极保护实验、管道防腐层检测实验和杂散电流检测实验3大实验模块。

(1)管道阴极保护实验模块。构建的管道阴极保护模块与现场实际管道阴极保护体系在原理上一致,均采用强制电流方法进行电化学保护。整个模块由恒电位仪、模拟管段、辅助阳极、参比电极、测试桩等组成,其设计原理示意图见图1,实验平台实物图见图2[8-9]。

图1 管道阴极保护实验模块设计原理示意图

图2 储运防腐技术实验平台

管道阴极保护实验模块主要设备包括:

①埋地管道。采用直径DN60的3层PE外防腐层钢管来模拟实际埋地管线,由于受场地及经费限制,埋地管道不能埋设过长,因此在管道之间串进外加电阻,来模拟长距离管道的电位、电流衰减效果[10]。同时根据相关设计规范,为满足管内阴极保护电流的测试,电流测试桩的两个管道连接点之间的距离必须大于30 m,因此首先布置30 m管道直接焊接,剩余的管道分成长短不一的4段,每两段管道之间串联一个阻值可调的实验用电阻,通过调节电阻阻值来模拟管线长度的变化,并在电阻附近设立电位测试桩,管道总长50 m。在实验场地开挖长宽深尺寸为50 m×0.2 m× 0.3 m的管沟,将焊接好的管道放入管沟并回填。

②恒电位仪。采用IMF-5/10型高频开关恒电位仪,交流输入220 V,频率为50 Hz,直流输出为10 V/ 5 A。恒电位仪放到阴极保护间里,平稳后交流输入端子接入交流电源进线,接地线接到公共接地上,输出阳极和输出阴极端子分别接辅助阳极和管道(阴极),零位端子是参比电极的参考零位,接在管道阴极上,参比端子检测参比电极给出的参比电位,接参比电极。

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③辅助阳极。采用2组规格为φ219 mm×2000 mm的MMO贵金属氧化物预包装阳极并联安装。根据实验现场情况,选定垂直管道2 m以上的地方开挖浅埋式阳极地床,长宽深尺寸为2 000 mm×250 mm ×300 mm。依次把2套阳极体水平放入阳极地床,阳极间距为2 m,阳极电缆并联后走电缆沟连到恒电位仪的输出阳极端子上,2个阳极依次安装完毕后,用原土回填阳极地床。

④参比电极。采用长效饱和Cu/CuSO4参比电极,预包装在有填包料的布袋中,并带有一根截面积为2.5 mm2的高分子聚乙烯铜芯电缆引线。将硫酸铜参比电极用水浸泡2 h以上,使其填包料充分吸水,埋设在离管道100 mm以内的土壤中,用软土回填,其引线接到恒电位仪的参比信号线端子和测试桩的接线端子上。

⑤测试桩。用于阴极保护实验的阴极保护参数测量,采用SYCZ-1型钢管桩,沿管线共安装7个测试桩,1个电流测试桩,6个电位测试桩。测试电缆和管道铝热焊接,测试线通过测试桩底部连接到测试桩相应的连接端子上面。

⑥电缆。阳极主电缆、阴极电缆、MMO贵金属氧化物预包装阳极自带电缆、参比、零位接阴电缆和测试桩测试电缆均采用VV-1KV/1×10 mm2型电缆。

⑦CIPS密间隔管地电位检测仪。CIPS检测仪由4部分组成(见图3[11]):具有记录功能的电位测量仪、具有卫星同步功能的电流断流器、具有距离测量功能并安装GPS的尾线架、连接在测量主机上的探杖。该检测仪使用一根长导线连接到测试柱上,然后沿着管线方向以1～2 m间隔使用专用的数据记录仪采集并记录数据,绘制连续的开/关管地电位曲线图,给出整个管道阴极保护情况。

(2)管道防腐层检测实验模块。管道防腐层检测实验模块主要功能涵盖了管体精确定位、管道外防腐层缺陷定位、外防腐层绝缘电阻分段计算及缺陷评估和管体腐蚀活性检测等功能、能真实模拟管线外防腐层检测相关任务。管道防腐层检测实验模块检测的主体是埋地管线及其3层PE外防腐层。由于3层PE防腐层质量较好,为了模拟实际长输管道在施工及使用过程中造成的防腐层破损,我们把所有的焊口和焊接点都裸露在土壤中,并在管道上每隔一段距离人为制造了一些防腐层破损点,同时在管体上方地面相应位置做出了标记,以便学生在进行防腐层缺陷定位实验时进行结果校核。

管道防腐层检测实验模块主要设备包括:

图3 CIPS检测仪部件

①RD-PCM＋埋地管道外防腐层检测仪。PCM＋埋地管道外防腐层检测仪由便携式发射机、手提式接收机和A字架组成,如图4[12]所示。发射机馈送一种接近直流的信号电流给管道,接收机对沿管道传送的这种特殊信号电流进行探测,并显示信号电流的强度和方向。该系统采用大功率发射机,一次连接探测距离可达30 km。具有管线定位、测深、电流测量和电流方向功能。可对任意长度管道防腐层状况进行评估,配上A字架可对防腐层破损点定位在几厘米之内。发射机有过压、过载和过热保护。发射机可使用20～50 V直流电源供电,也可使用220 V交流供电。

②DCVG管道防腐层检测仪。DCVG管道防腐层检测仪由快速响应、高输入阻抗的模拟毫伏表、2个探测电极和以0.8 Hz的频率中断直流电源的断流器组成,如图5[13]所示。

图4 RD-PCM＋部件

当直流电流以阴极保护的方式施加到埋地管线上时,穿过土壤和防腐层破损点处裸露处的电流在具有阻抗的土壤中流动,形成一个电位梯度,DCVG通过对管道实施电位梯度测量,可以对防腐层破损点位置及大小进行探测。DCVG主要用途和优点:进行精确定位外防腐层破损点、评估防护层破损面积大小、判断破损点腐蚀活性、估计防护层破损的形状。

图5 DCVG部件

(3)杂散电流检测实验模块。随着我国长输管道及各类地下管道铺设里程的不断增长,由杂散电流引起的管道腐蚀问题越来越被人们所关注,杂散电流干扰也是腐蚀学科未来的研究热点[14]。杂散电流检测实验模块主要功能涵盖了埋地管线交直流杂散电流干扰检测、土壤地电位梯度检测及土壤电阻率检测等功能,可开展埋地管线交直流干扰检测评价实验及规律研究。其主要设备包括:Fluke 289可存储式数字式万用表,便携式硫酸铜参比电极、ZC-8型土壤电阻率测试仪等。

2.2 综合实验项目的开发

储运防腐技术教学实验平台建成后,按照储运防腐技术实验教学要求和本科创新人才培养理念,开发了包括演示、验证、设计和综合等各种类型的3大类实验项目,主要包括:

(1)管道阴极保护类实验。通过本大类实验掌握强制电流阴极保护的基本原理,了解真实管道阴极保护系统的构成和相关设备,掌握阴极保护相关设备运行的调节方法;掌握管道强制阴极保护电位、保护电流等相关参数的检测方法并验证埋地管道阴极保护外加电位和电流的衰减规律,为从事管道阴极保护的维护和管理工作打下基础。同时熟练掌握密间距阴极保护管地电位测试方法,并对管道阴极保护通断电电位进行比较分析,学会通过阴极保护系统的瞬时断电电位评价阴极保护系统的有效性。

(2)管道外防腐层检测类实验。通过本大类实验加深理解管道外防腐层检测的基本概念和基本方法及其对比分析方法;掌握交变电流梯度法检测的基本原理,熟练使用PCM＋埋地管道外防腐层检测仪进行管线定位、测深、对防腐层破损点进行定位,并运用其数据分析软件、根据检测数据分段计算防腐层绝缘电阻,并对防腐层质量进行评价;掌握直流电位梯度法检测的基本原理,熟练使用DCVG管道防腐层检测仪精确定位管线外防腐层破损中心点,掌握根据%IR值进行防腐层破损程度评价的方法,掌握破损点处管体的腐蚀活性判断方法,了解通过对大地表面的电压梯度划分等位线来预判防腐层破损点的分布形态的方法;并对两种防腐层检测方法的定位精度进行对比分析。通过管道外防腐层检测实验的训练,使学生掌握当前最为先进的管道外腐蚀检测技术。

(3)杂散电流检测类实验。通过本大类实验加深理解管道交直流干扰的基本概念;掌握直流杂散电流干扰、土壤地电位梯度的检测方法,学会通过管地电位波动规律及地电位梯度进行直流杂散电流干扰程度的判定方法;掌握埋地管道交流干扰电压、土壤电阻率及交流干扰电流密度的检测方法,并通过交流干扰电压和交流干扰密度对交流杂散电流干扰程度进行评定。

在本实验平台上可开展的实验项目如表1所示。

表1 实验平台的实验教学项目

3 结束语

储运防腐技术教学实验平台的建成、投用,增添并加强了该课程实验教学的内容、方法与手段,更加贴近工程现场、贴近油气储运工程腐蚀与防护的需求,并有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力,有利于提高学生创新意识和工程运用能力,是校内进行储运防腐技术及相关学科实践教学和科研工作的理想场所,也是常州大学油气储运江苏省重点实验室建设的又一成果。

同时,储运防腐技术教学实验平台的设计和建设过程,也推动了相关课程及人才培养模式的改革。如将储运防腐技术理论课与专业实验相结合,将毕业设计、研究生论文课题、教师科研项目与实验平台所具有的综合性测试、实验、系统仿真手段相结合等。该实验平台更加符合理论＋实验＋实践＋创新这一新的培养模式,提高了学生用所学的知识解决工程实际问题的能力,激发了学生的创新意识与思维及动手能力,为他们今后的工作打下了良好的基础[15]。

References)

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[2]韩立影,王亚男,张峻巍,等.“材料腐蚀与防护”课程教学改革实践[J].辽宁科技大学学报,2013,36(3):247-250.

[3]冯佃臣,宋义全,李涛,等.“金属腐蚀与防护”课程教学改革[J].中国电力教育,2011(11):128-132.

[4]史凤隆,邹开凤.探索新的实验课教学模式培养学员创新能力[J].实验室科学,2008(2):19-20.

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[11]天津嘉信技术工程有限公司.CIPS密间隔电位测量管道阴极保护检测仪用户操作手册[Z].天津:天津嘉信技术工程有限公司,2009.

[12]天津嘉信技术工程有限公司.RD-PCM＋埋地管道外防腐层状况检测仪操作手册[Z].天津:天津嘉信技术工程有限公司,2009.

[13]天津嘉信技术工程有限公司.DCVG管道防腐层检测仪操作手册[Z].天津:天津嘉信技术工程有限公司,2013.

[14]白杨,齐建涛,李焰.埋地管道杂散电流腐蚀及其数值模拟研究[J].油气储运,2013,32(4):349-353.

[15]张友琴,王萍,朱昌平,等.以大学生创新性实验计划为契机培养创新型人才[J].实验技术与管理,2011,28(7):167-171.

Construction and development of teaching experimental platform for corrosion and protection technology in oil-gas storage and transportation engineering

Zhou Hao,Zhao Huijun,Li Entian,Wang Shuli,Zhou Ning,Zhao Shuhua
(Jiangsu Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Technology, Changzhou University,Changzhou 213016,China)

In order to meet the need of experimental teaching and scientific research for corrosion and protection technology in oil-gas storage and transportation engineering,a set of integrated teaching experimental platform for corrosion and protection technology in oil-gas storage and transportation engineering is designed and constructed.At the same time,various type of experimental item is developed.The experimental platform can simulate the cathodic protection system of buried oil and gas pipeline and its operation condition,the duties of pipeline cathodic protection parameters detection,pipeline anticorrosion layer detection and stray current interference detection with a rich variety of experimental function by synthesizing a lot of advanced techniques.The experimental platform is comprehensive and practical,which can exercise and improve students’professional skills and practical ability,foster the students’comprehensive ability and innovative consciousness.

oil-gas storage and transportation engineering;corrosion and protection technology; experimental platform

TE988;G484

A

1002-4956(2015)4-0110-05

2014-09-30修改日期：2015-01-31

江苏省高等教育教改项目“石油工程类应用型本科人才培养模式的改革与实践”(2013JSJG110);常州大学校教改项目“储运防腐技术教学实验平台建设与应用研究”(GJY2014071);常州大学校教改项目“产学研用”合作培养石油工程类专业应用型本科人才模式的研究(GJY2014020)

周昊(1979—),男,四川自贡,硕士,讲师,主要从事油气储运腐蚀与防护技术研究.

E-mail:zhouhao791012＠sina.com.cn