犧牲陽極保護的埋地鋼質管道檢驗方法討論

周志尋,張俊泰

(安徽省特種設備檢測院,安徽 合肥 230051)

為了防止埋地鋼質管道的土壤腐蝕,一般采用防腐層和陰極保護聯合保護。陰極保護技術利用外加電流使被保護管道外表面成為陰極,已達到抑制腐蝕的作用,根據保護電流的來源分為強制電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護。犧牲陽極陰極保護是以負電位金屬在電偶電池中通過犧牲陽極溶解對被保護金屬結構物提供陰極保護電流,犧牲陽極一般采用鋅合金或鎂合金。犧牲陽極陰極保護不需要外部電源,對鄰近構筑物無干擾或很小,投產調試后可不需管理,工程越小越經濟,保護電流分布均勻、利用率高,因而在城鎮燃氣管道中得到廣泛應用[1]。

本文結合犧牲陽極保護鋼質管道的全面檢驗,從接地的選擇、區分犧牲陽極與防腐層破損、加強信號接入點附近和犧牲陽極附近管段的檢驗等方面對防腐層狀況不開挖檢測方法進行了討論,從斷電電位的測量、極化探頭的使用和自然電位測量等方面對陰極保護有效性檢測方法進行了討論。

1 防腐層狀況不開挖檢測

防腐層將管道與土壤環境隔離開來,阻止形成腐蝕電池,還可以降低保護電流的用量,改善電流分布,使陰極保護變得經濟有效。一般利用交流電流衰減法檢測外防腐層的整體狀況,在交流電流衰減法的基礎上利用A字架可以進行防腐層破損點的精準查找。

交流電流衰減法發射機需要連接管道和地極。連接管道應優先從測試樁處連接,易操作且效果好,接入前通過檢測電位確保其電連續性。當管線缺乏足夠測試樁時,可利用閥門導電特性接入管道,而城鎮燃氣管道閥門井較多,能夠提高管道檢驗的覆蓋程度。一般去除閥帽后從閥桿處連接,并注意閥桿清潔。實際檢驗發現,由于閥門類型不同,并非所有閥桿處都可以接通信號。除此之外,可以將井內管道去除防腐層后連接管道本體,也可以將管道跨越段作為信號接入點。當以上條件均無法滿足時,只能選擇對管道開挖并破除部分防腐層以施加信號。

發射機連接地極時,可以將接地針插在土壤中,并可以通過增加接地針數量提高接地效果。當測試樁中連接犧牲陽極時,可將接線暫時斷開,陽極線作為接地極使用,操作簡單且效果良好。使用犧牲陽極作為接地極的前提是不能影響管道陰極保護有效性,并應當盡快完成檢驗,該方法僅適用于整體電位均符合要求的管道,陰極保護效果較差的管道不應采用這種方法。當測試樁內管道線、犧牲陽極線分別作為接線時,應當注意接線正確,不能接反,否則影響檢驗正確性。實踐發現,集中式接地效果較好,即接地點小且接地范圍小。護欄、圍欄等分散式接地無法滿足檢驗要求,電線桿內部磁場分布復雜影響檢驗正確性,不應作為接地極。

當采用交流電位梯度法查找破損點時,A字架距離發射機較近時,會影響測試結果的準確性。如圖1,發射機連接測試樁A,朝測試樁B方向檢驗,距離測試樁A較近的AC管段檢驗準確受影響,會導致AC段內破損點被遺漏。實際檢驗發現,外防腐層電位梯度dB值(以下簡稱“dB值”)從檢驗起點開始一直較高,一般dB值大于50,隨著距起點越遠,dB值逐漸減小。因此,在從測試樁A向測試樁B方向檢驗時,可以根據dB值大小確認受影響段AC范圍,再從B處或其他位置連接發射機對受影響的AC管段進行再次檢驗,確保不會遺漏破損點。

圖1 管道檢驗示意圖

利用交流電位梯度法查找防腐層破損點時,未通過測試樁與管道連接的犧牲陽極呈現與防腐層破損點相似的信號而難以判別,將影響后期針對性地對防腐層破損點進行開挖并修復?，F場檢驗前應仔細查閱管道工程設計文件、竣工資料和改造資料,檢驗過程中詢問管道工程安裝人員或其他見證人員,盡量確認犧牲陽極的埋設位置,避免將犧牲陽極誤判為防腐層破損點。一般而言,犧牲陽極埋設位置相對均勻,在穿越段附近會適當增加犧牲陽極數量,檢驗中可參考信號異常點的位置分布進行判斷區分。實際檢驗時發現,犧牲陽極外防腐層電流衰減dB值極大值較大,一般超過60,這與犧牲陽極較小的接地電阻和較大的表面積有關。防腐層破損點dB值極大值大小不一,總體來說大部分低于60,小部分超過60,因此dB值極大值相對低時可基本判定為防腐層破損點,dB值極大值相對高時應結合其他方法判斷。當管道上某缺陷確定為犧牲陽極時,可根據該犧牲陽極的dB值極大值估計其他相同敷設環境下犧牲陽極的dB值極大值,進而作為檢驗中的參考。對于通過導線直接與管道連接的犧牲陽極而言,可檢測異常信號上方垂直于管道走向的直線上缺陷的位置,當缺陷明顯偏離管道中心線、與管道外壁有一定距離,則其可能為犧牲陽極,因為犧牲陽極埋設時與管道保持一定距離才呈現如此特點;當缺陷位置位于管道正上方時,則難以判斷異常信號的性質,可能是防腐層破損點,也可能是靠近或緊貼管道埋設的犧牲陽極[2]。總之,以上方法應當綜合使用,才能幫助我們在檢驗中對缺陷進行定性。

在使用交流電位梯度法檢驗時,犧牲陽極處電位梯度較大、缺陷信號較強,可能導致附近面積不大、破損不嚴重的防腐層破損點存在漏檢的可能,因此,當犧牲陽極通過測試樁連接管道時,宜先斷開該處連接再進行防腐層破損點檢驗;當無法斷開犧牲陽極時,應在犧牲陽極附近使用A字架進行加密檢測,確保不遺漏防腐層破損點。

2 陰極保護有效性檢測

在一般的情況下,陰極保護效果應滿足基本準則:在陰極保護狀態下,測得的管地電位至少達到-0.85 V(vs.CSE),但不能負于-1.2 V(vs.CSE),此測試值不包括IR降[3]。當通電電位負于-1.2 V(vs.CSE)時,應當測量真實的保護電位,若保護電位正于-1.2 V(vs.CSE)則說明該處符合陰極保護效果,否則該管道處于過保護狀態;當通電電位負于-0.85 V(vs.CSE)但相差不大,則存在保護電位正于-0.85 V(vs.CSE)的可能,即存在陰極保護不足的風險?？傊?測量管道真實的保護電位是判斷陰極保護有效性中的重要一環。

中壓管道和次高壓管道一般采用犧牲陽極陰極保護,高壓管道根據敷設環境可選擇強制電流陰極保護或犧牲陽極陰極保護。中壓管道的主要特點包括敷設環境復雜、管段建設時間不同、支管連接較多、改造較多,因此各個管段的情況均不同。有的管段通過測試樁連接犧牲陽極,有的管段則直接連接犧牲陽極。應當根據管道實際情況,綜合使用以下電位測試方法。

斷電電位是指消除了保護電流所引起的IR降后的管地電位,近似等于真實保護電位。測量斷電電位時,應將斷流器串聯在管道和犧牲陽極之間,并同步各斷流器的時間,再進行斷電電位測量。可知,斷電電位法僅適用于犧牲陽極通過測試樁連接管道的情況。為防止斷電瞬間造成沖擊電壓,宜在通斷電0.5 s之后讀取斷電電位,同時斷電時間也不宜太長,否則會造成管道過度去極化影響管道陰極保護效果。典型的通斷電設置為通電為12 s,斷電為3 s。由于通斷電過程中,電位變化較快不利于人工記錄,可采用記錄式儀表增加數據準確性,比如FLUKE-289C記錄數據時最短時間間隔為0.25 s。對于支管較少的高壓管道和次高壓管道,斷電電位法測量較準確,但是也存在所需斷流器數量較多的問題。中壓管道由于主管和支管較多,檢驗時需要確定影響測量位置處的其他管線上的犧牲陽極,工作量較大且難度大。當犧牲陽極距離測量點越遠,對測量點的電位測量影響越小,因此斷電電位法應使斷流器連接測量點兩側及支管上盡量多的犧牲陽極,能縮小所測斷電電位與真實保護電位的誤差,為判斷陰極保護有效性提供參考。

當管線犧牲陽極通過導線與管道直接相連,無法利用斷流器測量斷電電位,應使用極化試片法或極化探頭法測量斷電電位。極化試片法結構簡單,一般管道安裝時隨測試樁安裝,也可根據檢測需要進行埋設,測試片通過測試樁與管道保持連接,方便通過斷開測試線測量斷電電位,但是容易受到雜散電流干擾。因此,在管道受雜散電流尤其是直流雜散電流干擾時,應使用極化探頭法。極化探頭應與管道埋設在相同埋深位置,試片材質應與被測管道材質相近,試片面積應為管道可能存在的防腐層最大破損面積[4]。不同探頭極化試片面積、不同敷設環境下的極化探頭所需的極化時間不同,測量前應確保足夠的極化時間。

對陰極保護效果較差的管道,應當采用密間隔電位測試技術[5]。陰極保護效果差的管道,其測試樁保護電位勉強符合要求,但測試樁之間保護電位存在不符合要求的風險,這時候需要利用密間隔電位測試技術對管道進行全線電位測量。密間隔測試主要應用于強制電流陰極保護系統,通過通斷電,并以密間隔移動硫酸銅電極進行通斷電電位的測量,最終測得沿線各處的保護電位,因此該方法不適用于保護電流不能同步中斷(多組犧牲陽極、犧牲陽極與管道直接連接、存在不能被中斷的外部強制電流設備)的管道[4]。針對這種情況,可以通過管道上導電附屬設施進行保護電位的測量加以部分彌補,如閥門井內管體、閥門,支管等;也可以通過從測試樁連接導線,測量管道沿線的管地電位,但該管地電位沒有消除IR降,僅能作為陰極保護有效性的參考。當管道無法達到陰極保護基本準則時,可采用陰極電位負向偏移100 mV的準則判定其有效性,但該準則不適用于存在干擾電流的情形[6]。

當測量保護電位出現異常情況,應進行犧牲陽極開路電位、輸出電流和接地電阻的測試。犧牲陽極開路電位即自腐蝕電位,為犧牲陽極在敷設環境中未與管道連接時的電位。通過測量該電位判斷其犧牲陽極的選用及其性能是否符合要求,比如鋅合金開路電位一般為-1.05～-1.1 V(vs.CSE),鎂合金開路電位一般為-1.5～-1.6 V(vs.CSE)。輸出電流即犧牲陽極在工作條件下輸出的電流大小,可用萬用表測量,用來判斷犧牲陽極是否正常工作。陽極必須埋在持久潮濕土壤里才能長期正常工作,否則干燥環境使陽極表面生成高電阻腐蝕產物,阻礙電流流出[7]。犧牲陽極保護效果受到土壤電阻率、填包料等因素的影響,接地電阻測量也是判斷電位異常的手段。檢驗中應當采用多種方法綜合判斷電位異常的原因,并協助使用單位及時消除問題。同樣,犧牲陽極用于接地排流時也應進行測量。

土壤腐蝕性檢測和陰極電位負向偏移100 mV準則均要求測量準確的自然電位,主要有以下三種方法:第一,查閱竣工資料中對未實施陰極保護的管道測量的自然電位;第二,可以將相似材質試片埋設在管道等深位置測量該試片自然腐蝕電位,該電位即代表管道自然腐蝕電位;第三,對已實施陰極保護的管道宜在完全斷電24 h后進行測量[4],這種方法適合強制電流保護的管道和犧牲陽極通過測試樁連接的管道,大部分中壓管道無法完全消除陰極保護,因此該方法應用范圍有限,而且去極化過程可能加速管道破損點處的腐蝕,應當謹慎使用,并優先使用第一和第二種方法。

檢驗陰極保護有效性時,利用測試樁安裝時埋設的長效參比電極能減小IR降的影響。但隨著使用時間的增加,長效參比電極存在性能下降的風險,應在測量前確保其有效性。

3 結束語

防腐層狀況不開挖檢測時,集中式接地效果較好,犧牲陽極也可作為接地使用。對于初次信號接入點附近管段應當進行再次檢驗,防止漏檢防腐層破損點,同樣,犧牲陽極附近管段應當加強檢驗。在區分犧牲陽極和防腐層破損點,應當借助查閱資料、防腐層電位梯度dB值、缺陷具體位置等多種方法進行判斷。

陰極保護效果檢測時,應當根據犧牲陽極與管道的連接形式選擇合適的電位測試方法。優先采用斷電法,其次采用試片斷電法、極化探頭法,應當確保極化探頭的完全極化。對出現異常電位的應借助測量開路電位、輸出電流等方法判斷原因并解決問題。