直流电位梯度法识别站场埋地管防腐层缺陷的影响因素

黄红科 魏松林 章 强 刘 朝 张 锋 徐元东 王 振 赵博康

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223）

0 引言

作为一种非开挖检测技术，国际相关标准实践[1-3]或技术报告[4]中已明确要求或建议采用直流电位梯度法开展埋地管防腐层状态检测。该技术的应用原理是阴极保护电流在土壤中的传播规律，电流从防腐层破损点流入埋地管，防腐层破损位置点的阴极保护电位相比于未发生破损的位置点发生明显偏移，通过沿管线电位的变化识别防腐层缺陷，通过沿管线检测电位的变化识别防腐层缺陷并评估状态。相关文献[5-13]显示，我国已开展此技术相关研究或工程应用，但多采用室内小型单管试验模型，应用对象也以长输管线居多。相比而言，站场埋地管阴极保护地电场更为复杂，在站场环境应用直流电位梯度法检测埋地管防腐层的实践中，其准确性一直是一项难题，国内针对此方法在在站场中的应用研究相对较少，试验研究多采用土壤箱模型或有限元理论分析模型[14,15]。在站场环境中，由于多条管线并排敷设，开挖实施难度更大，防腐层非开挖检测技术的应用价值和意义更高。本文聚焦于防腐层破损缺陷非开挖检测识别，用真实工业管道建立户外多管并行的站场试验环境，模拟典型应用场景，采用控制变量法，研究埋地管地表电位梯度分布规律，根据试验检测获取的地表电位梯度结果分析不同影响因素对防腐层缺陷识别的影响，为实施站场埋地管防腐层缺陷非开挖检测识别并提高该技术准确性提供参考。

1 试验场和试验条件

本文建立了站场埋地管试验场，示意图如图1所示。试验场中并排敷设了多根埋地管，其中1#～3#埋地管埋深均为1m，长度均为30m，4#埋地管埋深1.5m，长度80m。选择环氧树脂、3PE、四油三布三种典型防腐层材料，按照规范的涂敷工艺在管道上制备了防腐层。1#、2#、3#三根埋地管上均预制了直径为50mm、80mm、113mm的圆形防腐层缺陷，分别位于管道的8m、14m、22m位置处，标记为缺陷2-A、2-B、2-C。此外，2#埋地管附近还间隔埋设了三个缺陷模拟试片，试片为圆饼形状，试片直径为50mm、80mm、113mm，分别标记为试片2（a）、2（b）、2（c）。试片材料与管道相同，试片紧贴于埋地管进行埋设布置。试片的一面裸露，其它表面均用防腐层涂覆，通过绝缘导线和开关与管道相连，由开关控制试片是否与埋地管连接，以此控制是否投入试验。试验场安装了恒电位仪、电流调节器、深井阳极，为试验埋地管提供阴极保护电流。试验中，恒电位仪向管道提供阴极保护电流，通过开关可控制每根管道的断开或投入，可根据试验需要通过电流调节器控制阴极保护电流大小。

图1 埋地管试验场示意图

2 试验方法

本文主要涉及埋地管地表电位梯度ΔU测量、防腐层缺陷上方地表等势线测量绘制、 缺陷上方ΔU的波动值计算。相关方法如下：

（1）地表电位梯度ΔU测量。本文所指地表电位梯度ΔU是指埋地管上方地表电位与远大地某固定点的地表电位差。测量方法示意如图2所示，当阴极保护系统调到预定状态后，将一个参比电极（图中远大地参比电极）置于离试验场足够远的远大地位置固定不动，将另一个参比电极（图中移动电极）置于管线正上方地表，电压表正极接移动电极，负极接远大地参比电极，电压表测得的数值即为地表电位梯度ΔU。试验中，从管道地表一端开始，以0.2m的间隔沿管线向另一端移动，每移动一次测量一次ΔU数值，记录测量位置点，并以此数据为输入绘制密间隔电位梯度ΔU曲线图（如本文图4、图11等）；

图2 地表电位梯度ΔU测量方法示意图

图4 单管运行与多管运行条下地表电位梯度ΔU曲线对比

图11 单管运行不同电流条件下地表电位梯度ΔU曲线对比

（2）防腐层缺陷地表等势线的测量绘制。方法示意如图3所示，以缺陷正上方C点为中心点，将与电压表负极相连的参比电极置于该点固定不动，将另一支参比电极接电压表正极，如图3所示，沿虚线半径箭头方向移动该参比电极，找出10mV等势点A，同样的方法，沿圆周每间隔30度角度找出一个10mV等势点，沿圆周一圈共确定12个等势点，连接12个等势点构成10mV等势线，试验中，每个等势点插上标记签，用线连接等势点围成等势线，根据试验需要，同样的方法，找出20mV、30mV等势点和等势线。等势线形貌照片如图5～图7所示。测量中心点C到等势点的距离，通过绘图软件绘制出等势线图（如图8～图10等所示）；

图3 缺陷上方地表等势线的测量绘制方法示意图

图5 单管运行20mA电流条件下缺陷上方等势线形貌照片

图7 单管运行20mA电流试片接入条件下缺陷上方等势线形貌照片

图8 单管运行20mA电流条件下缺陷上方等势线形貌绘图（从左至右为2-A2-B2-C）

图10 单管运行20mA电流试片接入条件下缺陷上方等势线形貌绘图（从左至右为2-A2-B2-C）

（3）缺陷上方ΔU的波动值计算。本文所指ΔU的波动是指按照1）中所述方法以密间隔的方式测量ΔU过程中，所测得的防腐层缺陷上方电位梯度ΔU相比于防腐层完好位置点的ΔU变化，具体表现为ΔU曲线中的波谷。为分析缺陷上方地表电位梯度ΔU的波动，在按图2所示测量ΔU过程中，取未达缺陷前1m处的ΔU值和经过缺陷后1m处的ΔU值与缺陷正上方ΔU值的差值的平均值，作为缺陷上方ΔU的波动值。相关值结果如表1～表3所示。ΔU的波动值越大，缺陷识别度越高。

表1 单管运行与多管运行地表电位梯度ΔU值波动的比较

表3 不同电流条件下地表电位梯度ΔU值波动的比较

3 试验结果

3.1 并行管线对防腐层缺陷检测识别的影响

站场埋地管的基本特点是多条管道并排运行，阴极保护电流从土壤流入管道的过程中相互影响，其形成的阴极保护地电场与单管运行有较大差别，对通过地表电位梯度识别防腐层缺陷产生影响。在控制其他条件相同的情况下，本文对单管运行和多管运行作了对比试验。以2#管道为试验对象，保持其阴极保护电流为20mA不变，分别在阴极保护电流仅接入2#管道和所有管道全接入的两种工况条件下，按照第2章所述的方法测量地表电位梯度ΔU，沿管线ΔU曲线图如图4所示，测量并绘制缺陷上方10mV、20mV、30mV等线，单管运行和多管运行条件下的等势线形貌照片分别如图5和图6所示。为更清晰观察形貌，按照第2章所述方法绘制出等势线形貌图如图8和图9所示。观察图4可知，地表电位梯度ΔU在缺陷上方形成一定的波动幅度，缺陷越大，波动越大，计算获得的ΔU值的波动值如表1所示。根据图4，对应于相同缺陷，单管运行时，由缺陷而产生的ΔU值波谷较较大，根据表1，单管运行条件下产生的ΔU值波动幅值也更大，缺陷更易识别。如图5所示，多管运行时，ΔU曲线上很难识别出缺陷2-A，这在工程实践中的可能导致缺陷漏检。对比图5和图6的照片，以及图8和图9的等势线可知，整体上看，缺陷地表的等势线均未形成理论上的规则圆形，这是由于土壤电阻率不可能绝对均匀所致，但等势线总体呈圆形形貌，单管运行时，等势线更规则。以上都说明，多管运行时，不同管道的阴极保护地电场相互影响，通过地表电位梯度识别防腐层缺陷时，其识别度明显降低。因此，建议在站场通过直流电位梯度法识别防腐层缺陷时，尽可能断开并行管线的阴极保护电流，提高检测防腐层缺陷的识别度和准确性。

图6 多管运行20mA电流条件下缺陷上方等势线形貌照片

图9 多管运行20mA电流条件下缺陷上方等势线形貌绘图（从左至右为2-A2-B2-C）

图13 单管运行5mA条件下缺陷上方等势线形貌绘图

（a) 单管运行100mA条件下缺陷上方等势线形貌绘图（未放大）

3.2 阴极保护电流大小对防腐层缺陷检测识别的影响

站场条件下，由于各种因素的影响，可能导致阴极保护电流的变化。同样以2#管道为试验对象，控制其它变量因素不变，分别在电流强度为5mA、20mA、100mA条件下开展对比试验，三种电流条件下的 防腐层电流密度、阴极保护电位、IR降参数如表2所示，阴极保护电位和IR降由沿管线平均分布的三个点检测获得。单管条件下测得的地表电位差曲线如图11所示，分析图11可知，电流越大，缺陷上方电位梯度ΔU曲线波谷越大，缺陷的识别度越高。5mA工况条件下，3个缺陷均很难识别。5mA、20mA、100mA三种电流工况条件下的缺陷上方等势线形貌分别如图12～图14所示，对比3张图可知，电流越大，缺陷上方等势线越规则，相同缺陷的等势线所围成的圆的半径越小，也即相等距离的电位梯度越大。由图12可知，在5mA电流条件下，3个缺陷均仅有1条等势线，即10mV等势线，试验中无法检测到20mV和30mV等势点，且10mV等势线也极不规则。100mA条件下，等势线半径很小，等势线之间的间距也很小，说明相等距离间的地表电势差较大。为便于观察分析，在图14（b）中放大显示了3个缺陷的等势线形貌，由该图可知，相比之下，3个缺陷等势线都较为规则，说明电流越大，缺陷周围地电场受环境影响越小，地电位场分布越规律，也更易于识别缺陷。表3的数据进一步说明，阴极保护电流越大，地表电位梯度ΔU越大，防腐层缺陷的识别度越高。以上均表明，电流强度越大，对通过直流电位梯度法识别缺陷越有利，缺陷的识别度越高。基于此，在通过直流电位梯度法识别防腐层缺陷时，可通过适当增大阴极保护电流的方法提高检测识别的准确度。同时，为保障阴极保护电流的稳定性和安全性，仅在检测识别防腐层缺陷过程中短时适当提高阴极保护电流，检测完毕，应进行恢复。

图12 单管运行5mA条件下缺陷上方等势线形貌绘图

图14 单管运行100mA条件下缺陷上方等势线形貌绘图

表2 不同电流工况条件下的阴极保护参数

3.3 缺陷数量及其分布对防腐层缺陷检测识别的影响

随着埋地管服役时间越来越长，埋地管防腐层逐渐发生老化降质，其缺陷数量和分布密度均可能增大。本文研究了缺陷数量和分布密度增加后对缺陷检测识别的影响。同样以2#管为试验对象，控制其它条件不变，通过接入试验场中预埋的试片来模拟增加防腐层缺陷数量和分布密度，试片与防腐层缺陷间隔布置（如图1所示），针对无试片和接入试片两种工况条件下开展对比检测试验，在20mA和100mA两种电流条件下开展试验，获得的电位梯度ΔU曲线对比图分别如图15和图16所示，缺陷上方等势线形貌对比分别如图17和图18所示，缺陷上方电位梯度ΔU波动幅度对比如表4所示。

图17 20mA电流条件下有无试片缺陷等势线对比

图18 100mA电流条件下有无试片缺陷等势线对比

根据图15和图16，对比分析无试片和试片接入两种工况条件下沿管线的ΔU曲线变化。两图均表明，试片接入后，防腐层缺陷上方地表ΔU曲线波谷明显减小，表4进一步从数据上说明，缺陷上方地表电位梯度ΔU明显减小，防腐层缺陷识别度降低。由图15可知，20mA条件下，试片接入后，沿管线地表电位梯度ΔU趋向平稳，通过曲线图识别防腐层缺陷的难度增加。这是由于试片接入对防腐层缺陷周围地电场产生影响，进而缺陷与缺陷之间的检测信号相互产生干扰所致。对比图15和图16，在20mA和100mA两种电流工况下，试片接入对防腐层缺陷的检测识别的影响呈现出相同的规律，由于电流的增大，缺陷上方ΔU增大，防腐层缺陷识别度有所提高。

图15 单管运行20mA条件下有无试片地表电位梯度ΔU曲线对比

图16 单管运行100mA条件下有无试片地表电位梯度ΔU曲线对比

表4 有无试片缺陷上方地表电位梯度ΔU波动幅度对比

根据图17和图18，对比无试片和试片接入两种工况条件下缺陷上方等势线变化，并由此分析缺陷之间信号的掩盖和干扰。试片接入后，相比于无试片的试验工况，等势线均向不规则的趋势发展。无试片工况下，20mA和100mA试验条件下，均能检测出10mV、20mV、30mV三圈等势线。而在试片接入后，在20mA条件下，较小的缺陷2-A和缺陷2-B均只能检测到10mV和20mV两圈等势线，在100mA的条件下，最小缺陷2-A的等势线无法形成完整闭环。再结合图15和图16进行分析，在同一管道上，当缺陷数量增加后，缺陷的电位梯度ΔU曲线趋向平稳，难以识别小缺陷的波谷，导致无法从检测数据和图形中准确获取小缺陷位置，甚至无法发现缺陷，从检测结果图中仅能清晰识别大缺陷。综合以上等势线变化和ΔU曲线变化分析结果表明，缺陷数量增加后，邻近的缺陷之间的检测信号存在相互干扰，大缺陷的检测信号对小缺陷的检测信号形成了一定的干扰和掩盖，导致小缺陷的识别度降低。因此，在工程检测中，检测出大缺陷的同时，应加强对大缺陷周围的检测结果的分析，充分与首次检测结果对比，提高小缺陷的检出率。

以上分析表明，防腐层缺陷数量和密度增加后，将对直流电位梯度法检测识别防腐层缺陷产生不利影响，且大缺陷的检测信号对小缺陷的检测信号形成一定的干扰和掩盖，防腐层缺陷尤其是小缺陷的识别度明显降低。因此，在采用直流电位梯度法检测防腐层缺陷的工程实践中，防腐层质量越好，其检测效果越好，建议从埋地管服役初期即开始实施检测，持续定期检测，通过对比及时发现缺陷，提高检测的准确性。

4 结语

基于本文的系列试验研究，有关采用直流电位梯度法检测识别防腐层缺陷，得出结论及形成的建议如下：

（1）站场环境中，由于并行埋地管的阴极保护电流相互影响，导致防腐层检测识别度降低。建议在检测实践中，尽可能断开临近并行埋地管的阴极保护电流，提高防腐层缺陷非开挖检测识别的准确性；

（2）其它环境参数不变，阴极保护电流增大时，防腐层缺陷上方地电位分布更加规律，防腐层缺陷上方地表电位梯度ΔU波动变大，缺陷的识别度增加。建议在检测实践中，可适当提高阴极保护电流，以提高防腐层缺陷识别度和缺陷检测率。同时，基于阴保系统稳定性和安全性，检测完毕应恢复到正常状态；

（3）其它参数不变，当防腐层缺陷数量和分布密度增加时，防腐层缺陷上方地电位分布规律性减弱，防腐层缺陷上方地表电位梯度ΔU波动幅度变小，同时邻近缺陷之间检测信号存在相互干扰，大缺陷对小缺陷的检测信号也存在干扰和掩盖，缺陷识别度降低。建议在工程实践中，从埋地管新投入服役就开始实施防腐层缺陷检测识别，通过定期检测对比及时识别防腐层状态变化，提高防腐层缺陷识别准确性；

（4）影响防腐层缺陷检测检测识别的还有其它因素，如土壤电阻率的不均匀分布和杂散干扰等，这些均有待进一步持续研究探索。