油氣處理廠埋地管道PCM檢測(cè)的電流控制方法

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(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院,廣漢 618300；2.塔里木油田公司，庫(kù)爾勒 841000)

油氣處理廠內(nèi)埋地管道的定位主要依靠竣工資料和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖來(lái)確定。由于改擴(kuò)建、管理等原因，可能存在竣工資料不全或者丟失損壞的問(wèn)題，導(dǎo)致管道走向不明，不能準(zhǔn)確定位；而現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工作量大，不適合進(jìn)行大規(guī)模的管道查找工作。

在非開(kāi)挖的情況下，站場(chǎng)內(nèi)管道可以采用PCM(多頻管中電流法)進(jìn)行定位。PCM的工作原理是：向管道施加一定的電流信號(hào)后，電流信號(hào)自發(fā)射點(diǎn)沿管道向遠(yuǎn)處傳播，經(jīng)由大地形成回路返回發(fā)射機(jī)接收端，從而在管道周?chē)纬呻姶艌?chǎng)，該磁場(chǎng)強(qiáng)度與管道中的電流強(qiáng)度有關(guān)，用接收機(jī)在地面進(jìn)行探測(cè)，可以接收到管道中的電流強(qiáng)度。利用電磁原理不僅可以對(duì)管道進(jìn)行定位，還可以對(duì)管道的外防腐層性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。

PCM在長(zhǎng)輸管道的檢測(cè)中運(yùn)用較多，油氣處理廠的管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)受到地網(wǎng)、電纜、用電設(shè)備等的影響，很難準(zhǔn)確判斷管道的位置。筆者將采用降低各支管回路電阻的方法，解決PCM在站場(chǎng)中的管道定位問(wèn)題。

1 PCM埋地管道電流測(cè)繪系統(tǒng)

油氣處理廠的埋地管道定位檢測(cè)采用“PCM埋地管道電流測(cè)繪系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要由超低頻大功率發(fā)射機(jī)和手提式接收機(jī)組成，其檢測(cè)原理是由發(fā)射機(jī)向管道提供某一頻率或多個(gè)頻率的電流信號(hào)，信號(hào)沿管道進(jìn)行傳輸，當(dāng)管道存在防腐層破損點(diǎn)時(shí)，電流信號(hào)通過(guò)防腐層破損點(diǎn)進(jìn)入土壤，回流至發(fā)射機(jī)接收端。在地面上利用接收機(jī)收集管道電流產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)的強(qiáng)度及變化規(guī)律，利用載流導(dǎo)線(xiàn)磁場(chǎng)原理?yè)Q算出等效電流，測(cè)得管道各處的電流強(qiáng)度，即可進(jìn)行管道路線(xiàn)的定位、深度測(cè)量和防腐層評(píng)價(jià)。PCM檢測(cè)原理示意及其電流分布曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 PCM檢測(cè)原理示意及其電流分布曲線(xiàn)

圖2 不同狀態(tài)三通部位電流分流示意

在檢測(cè)油氣處理廠的埋地管道時(shí)，因其支管較多，管道電流在三通處會(huì)受支管的影響而產(chǎn)生分流(見(jiàn)圖2)。將管道各直管當(dāng)成并聯(lián)電路，由歐姆定律可知，在同一電路中，通過(guò)某段導(dǎo)體的電流跟這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與這段導(dǎo)體的電阻成反比。如圖2所示，當(dāng)管道無(wú)防腐層破損時(shí)，各支管回路電阻無(wú)較大差異，電流分配基本均勻；而當(dāng)B段存在防腐層破損點(diǎn)時(shí)，B段管道的接地電阻變小，而導(dǎo)致B段至A點(diǎn)發(fā)射機(jī)接收端的回路電阻變小，大部分輸出電流分流至B段后，經(jīng)由防腐層破損點(diǎn)進(jìn)入土壤回流至發(fā)射機(jī)接收端。所以當(dāng)發(fā)射機(jī)電壓不變時(shí)，具有最大管線(xiàn)電流的管段是回路電阻最小的管段。

上述現(xiàn)象表明，通過(guò)控制支管回路電阻，可增強(qiáng)目標(biāo)檢測(cè)管段的電流信號(hào)，從而達(dá)到控制檢測(cè)電流走向的目的。

2 信號(hào)加載方式對(duì)比

在長(zhǎng)輸管道中運(yùn)用PCM時(shí)，是將PCM發(fā)射機(jī)一端與管道上信號(hào)供入點(diǎn)相連，另一端接入地極，形成“發(fā)射機(jī)-管道-大地-發(fā)射機(jī)”的回路。正常信號(hào)加載方式下的電流回路示意如圖3所示。發(fā)射機(jī)為管道提供信號(hào)的原則是要盡量使管道上有較強(qiáng)的電流信號(hào)，并避開(kāi)或降低其他信號(hào)干擾。而在油氣處理廠內(nèi)，地面管道間幾乎未進(jìn)行電絕緣，且管道上有大量接地設(shè)施，如果直接在管道上加載發(fā)射機(jī)的電流信號(hào)，電流會(huì)沿未絕緣的管道之間亂竄，其中具有最大管線(xiàn)電流的管段是回路電阻較低的管段，而檢測(cè)的目標(biāo)管道可能因回路電阻較高而分配到較低的電流信號(hào)，從而無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到電流信號(hào)。

圖3 正常信號(hào)加載方式下的電流回路示意

為了測(cè)試正常信號(hào)加載方式下，油氣處理廠內(nèi)埋地管道的電流衰減情況，將發(fā)射機(jī)一端與導(dǎo)線(xiàn)模擬的地下管道相連，管道兩端分別利用接地針連接大地，輸出電流為1 A。試驗(yàn)1：先將A側(cè)接地針澆水，降低接地電阻，B側(cè)的接地針不澆水，使B側(cè)接地電阻大于A側(cè)，測(cè)試各段電流。試驗(yàn)2：使用澆水、深埋和串聯(lián)接地針的方式使B側(cè)接地電阻小于A側(cè)，再測(cè)試各段電流。電流走向控制法試驗(yàn)接線(xiàn)示意如圖4所示。得到各管段電流如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)A點(diǎn)接地電阻低于B點(diǎn)時(shí)，大多數(shù)的電流通過(guò)回路電阻較低的C-A段進(jìn)行傳導(dǎo)，然后經(jīng)由大地回流至發(fā)射機(jī)，C-B段只有少量電流通過(guò)，在此情況下C-B段無(wú)法完成管道的定位和破損點(diǎn)的查找工作，檢測(cè)只能沿C-A段進(jìn)行；而當(dāng)B點(diǎn)接地電阻低于A點(diǎn)時(shí)，大多數(shù)的電流又反過(guò)來(lái)通過(guò)回路電阻較低的C-B段進(jìn)行傳導(dǎo)，C-A段僅分配有少量電流通過(guò)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在油氣處理廠內(nèi)埋地管道檢測(cè)的工作中，可以通過(guò)改變分支管道兩端的接地電阻來(lái)降低回路中的電阻，以此來(lái)控制管道內(nèi)輸出電流的走向。

圖4 電流走向控制法試驗(yàn)接線(xiàn)示意

表1 電流走向控制法試驗(yàn)的各管段電流

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

使用該方法對(duì)伊拉克哈法亞油田CPF1進(jìn)行兩次應(yīng)用，證明該方法可應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)。

圖5 應(yīng)用1(消防水管道)接線(xiàn)示意

應(yīng)用1(消防水管道)：使用發(fā)射機(jī)在消防水管道WH12消防栓上輸入2 A檢測(cè)信號(hào)(見(jiàn)圖5)，測(cè)試各管段電流；再使用2根深埋地針在WH5處將消防栓與大地相連，降低WH12～WH5段的回路電阻，各管段測(cè)試電流見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用1的各管段測(cè)試電流

由表2可以看出，因WH13～管帽段有1處防腐層嚴(yán)重破損，導(dǎo)致WH12～管帽段的回路電阻低于WH12～WH5段，輸入電流大量從該破損部位回流，當(dāng)WH5段消防栓未做接地連接時(shí)，90%以上的發(fā)射機(jī)輸出電流信號(hào)均流向WH12～管帽段。在此情況下僅能完成WH12～管帽段的管道定位和防腐層破損點(diǎn)的查找工作，無(wú)法完成WH12～WH5段的檢測(cè)。而將WH5消防栓接地時(shí)，WH12～WH5段回路電阻降低，約70%以上的電流回流至WH12～WH5段，可以繼續(xù)對(duì)WH12～WH5段管道進(jìn)行管道定位和防腐層破損點(diǎn)檢測(cè)。

圖6 應(yīng)用2(分離器區(qū)至壓縮機(jī)區(qū)閉排管道)接線(xiàn)圖

應(yīng)用2(分離器區(qū)至壓縮機(jī)區(qū)閉排管道)：因設(shè)備區(qū)所有的裝置均有接地連接點(diǎn)與站內(nèi)接地網(wǎng)連接，所以這個(gè)應(yīng)用中不必再另行接地，只用分別斷開(kāi)不同區(qū)域的接地連接點(diǎn)即可改變不同管段回路的電阻。

使用發(fā)射機(jī)在閉排管道3#地面閥門(mén)上輸入2 A的檢測(cè)信號(hào)(見(jiàn)圖6)。先將分離器區(qū)所有設(shè)備接地點(diǎn)斷開(kāi)，使分離器區(qū)回路電阻高于壓縮機(jī)區(qū)，驅(qū)使檢測(cè)電流向壓縮機(jī)區(qū)流動(dòng)。完成壓縮機(jī)區(qū)閉排管道檢測(cè)后，將壓縮機(jī)區(qū)所有設(shè)備接地點(diǎn)全部斷開(kāi)，使壓縮機(jī)區(qū)回路電阻高于分離器區(qū)，驅(qū)使檢測(cè)電流向分離器區(qū)回流，完成分離器區(qū)管道的檢測(cè)，應(yīng)用2的各管段測(cè)試電流見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)用2的各管段測(cè)試電流

由表3可以看出，在斷開(kāi)分離器區(qū)接地點(diǎn)時(shí)，因壓縮機(jī)區(qū)回路電阻低于分離器區(qū)回路電阻，65%以上的檢測(cè)電流向壓縮機(jī)區(qū)流動(dòng)，因壓縮機(jī)等設(shè)備通過(guò)混凝土與大地連接，在經(jīng)過(guò)第一個(gè)PK13210A支管時(shí)約有40%的電流衰減；在斷開(kāi)壓縮機(jī)區(qū)接地點(diǎn)時(shí)，因分離器區(qū)回路電阻低于壓縮機(jī)區(qū)，約有70%以上的檢測(cè)電流向分離器流動(dòng)，因分離器的撬體與大地連接，在經(jīng)過(guò)第一個(gè)V12020A支管時(shí)約有40%電流衰減。

4 結(jié)論

(1) PCM法一般適用于長(zhǎng)輸管道的定位及檢測(cè)，其中具有最大管線(xiàn)電流的管段是回路電阻低的管段。在油氣處理廠內(nèi)埋地管檢測(cè)時(shí)，因管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，干擾裝置較多，若采用PCM正常信號(hào)加載方式，最大電流分配很可能不是在檢測(cè)的目標(biāo)管段，導(dǎo)致無(wú)法完成檢測(cè)。

(2) 采用PCM檢測(cè)電流控制的方法，將目標(biāo)管道接地以降低目標(biāo)管段的回路電阻，或斷開(kāi)非目標(biāo)管道接地網(wǎng)，增加回路電阻的方法，可以增加目標(biāo)管道內(nèi)的檢測(cè)電流信號(hào)強(qiáng)度。

(3)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)非目標(biāo)管段防腐層破損點(diǎn)很多，回路電阻很低的情況下，可能無(wú)法令目標(biāo)管道回路電阻低于非目標(biāo)管段，無(wú)法完成電流控制。這種情況下，只能在目標(biāo)管段上游開(kāi)挖探坑架設(shè)信號(hào)點(diǎn)，使檢測(cè)電流由目標(biāo)管段流向接地電阻更低的非目標(biāo)管段。

(4) 在檢測(cè)中也發(fā)現(xiàn)，未切斷接地網(wǎng)的裝置區(qū)管道的檢測(cè)電流會(huì)通過(guò)接地點(diǎn)流入接地網(wǎng)，所以接地網(wǎng)上流動(dòng)的電流會(huì)干擾管道的定位和防腐層破損檢測(cè)工作。

參考文獻(xiàn):

[1] 彭蕾，馮強(qiáng)，何莎，等. PCM+“短接法”在站場(chǎng)埋地管道定位中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2016(6):47-49.