地铁干扰下管道极化电位测试方法及应用

2022-08-15安建川张文艳余忠仁

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年4期

安建川，张文艳，余忠仁

1.中国石油西南油气田分公司输气管理处，四川成都 610213 2.中国石油西南油气田分公司集输工程技术研究所，四川成都 610051 3.中国石油西南油气田分公司，四川成都 610051

引言

近年来，中国经济飞速发展，大大加快了城市轨道交通的建设，地铁、轻轨等的运行产生大量的杂散电流对埋地管道的干扰作用越来越强，管道腐蚀风险越来越高[1-8]。干扰的存在使传统管道阴保电位的测量方法受到更大的限制，所产生的电压降误差也愈加变大，即使采用断电法也无法消除地铁杂散电流对管道的干扰，管道阴保电位的准确获取受到较大限制[9-13]。

目前，使用试片来测量埋地管道管地电位的方法开始得到认可并逐步进行了应用。本文综合考虑采用试片断电法进行管道管地电位测量时，影响测试准确性的主要因素[14-17]，为该方法在现场的有效应用奠定基础。

1 测试方法

1.1 传统电位检测方法及测试误差

阴极保护是埋地管道外防腐的第2 道屏障，阴极保护极化电位是监测和评判阴极保护系统效果的重要参数。

测量过程中，通常测量的参数是管道与其临近土壤中的参比电极的电位差，存在各种电流和电阻产生的电压降误差，简称电压降，包括测量电流、保护电流、土壤电阻及涂层缺陷电阻等。为消除电源电流和电阻造成的电压降测量误差，目前行业内普遍采用GPS 同步中断法进行阴极保护断电电位的测量，即切断阴极保护电流后进行电位测量，测得的电位更接近于真实电位[18-20]。

在地铁杂散电流动态干扰的条件下，断开阴保电源，杂散电流仍然存在，故即便采用同步断电法也无法消除杂散电流对管道的干扰，测得的阴极保护电位仍包含了由杂散电流导致的不同程度的电压降。通过这样，可以使得阴保电位的测量方法都受到更大的限制，所产生的电压降误差也愈加变大。

1.2 基于试片断电法的地铁干扰下阴极保护电位测试方法

试片断电法的提出，主要考虑到地铁干扰下管道阴极保护电位呈现频繁波动的特点，解决无法通过传统的断电法获得管道真实保护电位的问题。结合被测试管道的防腐层质量，选用同材质不同裸露面积的阴极保护电位试片，模拟管道防腐层漏点及被测试管道的保护状态[21-22]，利用试片的瞬间断开电位实现近似管道断电电位的测量。

测试时，将与管道同材质的试片和硫酸铜参比电极埋在管道测试点处，试片的埋设状态及材质均与管道相同，通过电缆与管道连接起来，这样试片的裸露部分就模拟了管道上同等大小的防腐层漏点。当管道处于阴极保护状态时，管道被保护电流极化的同时，试片受到同等极化，只需测量试片的瞬时断开电位，即可代表管道测量点的断电电位[23-30]。

以NACE SP 0502--2010（管道外腐蚀直接评价方法）[12]为标准，认为试片的断电电位近似于管道防腐层漏点处的阴极保护电位，能够评估管道阴极保护效果，测试示意图如图1 所示。

图1 干扰测试接线图Fig.1 Interference test wiring diagram

测试中需联合采用万用表和数据记录仪UDL-2，进行管道极化电位的有效测试。使用万用表可以短时间精确地记录管道电位，数据记录仪UDL-2 可以控制管道与试片测试回路，使其按照设定的测试周期进行自动通断，实现长时间监测管道的通电电位、试片的极化电位等相关数据，以此来判断管道受干扰的程度。

2 测试准确性的影响因素

基于试片断电法的管道极化电位测试方法可以有效解决传统断电法测试中，无法断开外部地铁干扰电流，从而无法获得管道真实保护电位的问题，但在现场使用时，受管道建设时间及现场测试条件等因素限制，该方法无法严格遵照标准要求实施，从而导致参差不齐的测试参数设置，最终导致不同的电压降和较大的测试误差。为了获得地铁干扰下准确的管道极化电位，减少测试误差，开展检查片极化时刻、参比与检查片间距、检查片埋设深度和断电电位延迟时间等因素对极化电位影响的现场试验研究。

2.1 极化时刻的影响

利用UDL-2 数据记录仪对同一个检查片进行不同极化时刻后的通/断电电位测试。测试间隔分别取0.30、0.50、1.00、2.00、3.00、6.00 和24.00 h。

图2 显示了极化时刻对检查片断电电位的影响。图中红色数据和黑色数据分别表示在不同日历天内同一个位置同一个时间段测得检查片的断电电位。假设检查片极化24.00 h 后达到稳定状态，即如图中黑色数据所示。由于地铁每天的运行时间和频次相对固定，因此，可认为不同日期同一时间段检查片断电电位规律一致。

图2 极化时刻对检查片断电电位的影响Fig.2 Effect of polarization time on the fragment electric potential

由图2 可以看出，检查片极化0.50 h 后，检查片的断电电位随着时间的延长逐渐负向偏移，当极化时刻达到2.25 h 后，检查片极化电位逐渐达到稳定，如图中白色虚线所示，故认为地铁干扰下检查片极化达到稳定的时间应在2.25 h 左右。

2.2 检查片埋设深度的影响

检查片与管道同深时，检查片测得的断电电位为最接近管道的断电电位，埋设深度越浅，测得的断电电位误差越大。

在日常测试中，无法对每一个测试点进行与管道同深检查片的埋设，因此，需从满足管道断电电位日常测试便捷性与可行性的角度出发，寻求一个现场测试易于实现、测试结果误差亦可接受的检查片埋设深度。

试验将检查片埋设深度分别设置为0.05 m（地表）、0.30 m（日常测试开挖深度易实现）以及与管道埋深（规范要求）3 种情况，检查片面积为6.50 cm2，参比与检查片间距为0.05 m，与检查片同深。利用UDL-2 数据记录仪测试不同检查片埋深下检查片的通/断电电位。

图3 显示了3 种检查片埋设深度下测得的检查片断电电位。由图可以看出，随着检查片埋设深度的增加，检查片断电电位波动幅值逐渐减小。同时，随着检查片埋深的增加，检查片断电电位逐渐正向偏移。

图3 检查片埋深对其断电电位的影响Fig.3 Influence of burial depth on polarization potential

以与管道相同埋设深度的检测片测试所得的断电电位为基准，将检查片埋设深度为0.05 m 和0.30 m 时候测得的断电电位与其进行差值处理。假设与管道同深处检查片的断电电位为V0，埋深为i处检查片断电电位为Vi，则断电电位的差值ΔV=Vi-V0（i=0.05，0.30）。

图4 显示了检查片埋深对其断电电位测试误差的影响。

图4 检查片埋深对其断电电位测试误差的影响Fig.4 Influence of burial depth on polarization potential test error

当检查片埋设深度为0.05 m 时，测得的检查片断电电位与管道同深处检查片断电电位的误差值最大达到了±220 mV，当检查片埋设深度达到0.30 m 时，测得检查片的断电电位与管道同深处检查片断电电位的误差值不超过±20 mV，已处于可接受范围内。因此，对于西南地区的动态直流干扰测试，建议检查片的埋设深度不应低于0.30 m。

2.3 参比与检查片间距的影响

参比距离检查片间距为：0.05、0.10、0.50、1.00、5.00、10.00 以及20.00 m。利用UDL-2 数据记录仪对同一个检查片进行不同参比电位的通/断电电位测试。

图5 显示了不同参比与检查片间距下测得的检查片断电电位。取最靠近检查片的参比（水平间距为0.05 m）为近参比，其测得的检查片断电电位为真实极化电位，记为V1，其余参比测得的检查片断电电位Vj，则断电电位的差值为ΔV=Vj-V1（j=0.10，0.50，1.00，5.00，10.00，20.00），如图6 所示。

从图6 可以看出，随着参比距离检查片间距逐渐增大，测得的检查片断电电位误差逐渐增加。特别是当参比与检查片水平间距达到20.00 m 时，其断电电位误差高达120 mV。

图6 检查片断电电位测试误差Fig.6 Check for partial electric potential test error

为弄清参比与检查片间距不大于1.00 m 时所测得的断电电位误差，将图6 间距为0.10、0.50、1.00 m时测得的断电电位数据单独作图（图7），可以看出随着间距的进一步减小，断电电位误差逐渐降低，将6个参比测得的检查片断电电位误差最大值进行统计，统计结果如图8 所示。

图7 断电电位的测试误差Fig.7 Test error of outage potential

图8 不同间距下断电电位的测试误差Fig.8 Test error of outage potential at different distances

由图8 可以看出，当参比与检查片的间距值为0.10 m 时，检查片断电的电位误差不会超过10 mV；而当间距值为0.50 m 时，检查片断电的电位误差值不超过15 mV；当间距增大到1.00 m，误差增加至20 mV。

当间距达到5.00 m 时，误差达到40 mV；当间距为10.00 m 时，误差达到50 mV；当间距增大至20.00 m 时，误差达到120 mV。

考虑测试时检查片断电的电位波动幅值处于中等水平，为-550～-950 mV，同时，结合图8中的误差分析，建议对重庆地区检查片断电电位测试时，参比与检查片的水平间距不超过0.50 m（检查片埋设深度在0.30 m 左右），推荐值在0.05～0.10m。

2.4 断电电位测试延迟时间的影响

采样周期分别取：0.001、0.010、0.050、0.100、0.500、1.000 以及2.000 s。

利用UDL-2 数据记录仪进行6.50 cm2（代表3 层PE 防腐层管道）和15.00 cm2（代表石油沥青防腐层管道）2 种检查片不同采样频率的通断电电位测试，从而获得合理的断电电位采样频率和断电电位测试延迟时间。检查片埋深0.70 m，间隔时间为3.00 h。

取采样周期0.001 s（为目前市场上所有数据采集设备最短的采样周期）下获得的检查片断电电位最接近管道的真实断电电位。

表1 和表2 显示了不同采样周期及不同延迟时间下测得的检查片断电电位列表。

表2 不同采样周期以及不同延迟时间下测得的检查片断电电位列表（15.00 cm2）Tab.2 Polarization potential of samples measured at different sampling periods and different delay times（15.00 cm2）

可以看出，当采样周期不高于0.100 s 或断电电位延迟时间不超过0.300 s 时，获得的检查片断电电位与管道真实断电电位较为接近，误差不超过20 mV。

而采样周期进一步延长，对应的断电电位采集延迟时间也随之增长，测试误差也逐步增大，因此，对于西南地区遭受动态直流干扰的管道断电电位测试，采用检查片法时，检查片断电电位的采集可采用两种方法：

（1）用高频数据记录仪对检查片断电电位进行采集，采样的周期不宜长于0.100 s，通过分析数据获得检查片断电电位。

（2）采用普通数据记录仪对检查片断电电位进行测试，对于6.50 cm2的小检查片，推荐断电电位采集的延长时间为约0.200 s；对于15.00 cm2的大检查片，推荐断电电位的采集时间约为0.300 s。

2.5 地铁干扰下管道有效极化电位的测试参数设置建议及应用

2.5.1 有效极化电位的测试参数设置建议

通过地铁干扰下管道极化电位影响因素的试验研究，获得了检查片极化时刻、断电电位采集周期、断电电位延迟时间、检查片埋设深度、参比与检查片间距等因素对检查片极化电位的影响规律，基于该规律提出西南地区管道极化电位的有效测试方法建议：（1）检查片极化达到稳定的时间至少在2.25 h 左右。（2）检查片断电电位可采用高频数据记录仪或普通数据记录仪进行采集。采样周期根据选取的记录仪类型设置，采集延长时间依据选用的试片大小进行设置。（3）建议试片的埋设深度不应低于0.30 m。（4）参比与试片的水平间距应不超过0.50 m（试片埋设深度在0.30 m 左右），推荐值在0.05～0.10 m。

2.5.2 测试方法的现场应用

基于上述设置参数，采用试片断电法对西南地区受地铁干扰的多条管线进行了管道极化电位的测试及干扰影响程度分析，测试结果见表3，确保了管道腐蚀风险评价源头数据的准确性，为管道防护策略的制定奠定了正确的数据基础。

表3 基于西南地区管道极化电位有效测试方法的某管道电位测试及评价结果Tab.3 Potential test and evaluation results of a pipeline based on the effective test method of pipeline polarization potential in Southwest China

2.5.3 测试结果准确性验证

为验证测试结果的准确性，在28#、29#测试桩所在管道位置处埋设了干扰腐蚀试片，并对试片的腐蚀情况进行了开挖调查，计算了两处试片的干扰腐蚀速率，见表4、图9。