DCVG技术在城市燃气管道防腐层检测中的应用_工程实践

摘要

摘要：阐述了DCVG(直流电压梯度)技术检测金属管道防腐层的技术原理及应用方法。该技术原为长输管道的防腐层检测而研发。长输管道一般采用外加电流进行防腐保护。城市燃气管道

摘要：阐述了DCVG(直流电压梯度)技术检测金属管道防腐层的技术原理及应用方法。该技术原为长输管道的防腐层检测而研发。长输管道一般采用外加电流进行防腐保护。城市燃气管道普遍采用牺牲阳极对管道进行阴极保护，牺牲阳极会对DCVG检测造成干扰。根据DCVG检测技术原理及检测经验，提出了消除及判断牺牲阳极的4种方法，并在实践中得到了验证。为DCVG检测技术在城市燃气管道防腐层检测提供了工程经验。

关键词：直流电压梯度；牺牲阳极；防腐层；完整性评价

The Application DCVG Technique on Town Gas Pipeline Anticorrosive Coating Survey

YE Genyin，WU Jia-chuan，ZANG Gui-ning，XIE Dong-la

Abstract：The principle and detection method of the application DCVG(Direct Current Voltage Gradient)technique on the metal town gas pipeline anticorrosive coating survey is introduced. This technology has been developed for the long-distance gas pipeline anticorrosive coating survey，where external current is widely used for anticorrosive protection. It is a common practice in the town gas pipeline system that sacrificial anode is often used for catholic protection. These anodes could interfere the application of DCVG. Based on the detection principle of the DCVG technology and actual testing experience，four methods are proposed to eliminate the influence of sacrificial anode，and haven been verified in practice. These four methods provide a powerful exploration on the application of DCVG technique on town gas pipeline coating survey.

Keywords：direct current voltage gradient；sacrificial anode；anticorrosive coating；integration assessment

　1 概述

　DCVG(Direct Current Voltage Gradient，直流电压梯度)检测技术，是目前国内外公认的先进的埋地金属管道防腐层检测技术，在管道完整性评价中得到了广泛的应用。DCVG技术发明之初应用于油气长输管道防腐层检测，利用管道本身的外加保护电流，采用同步断路器使管道外加的阴极保护直流电流周期性的通、断，在地面管道上方检测直流电压梯度，从而判断管道防腐层是否有破损点。在城市燃气管道中，管道阴极保护普遍采用牺牲阳极，没有现成的外加电流可以借用，所以采用DCVG检测时必须对管道外加直流电源。同时管道上连接的牺牲阳极在外加电流的情况下，本身就是一个漏电点，会对管道防腐层是否破损的检测判断造成影响。如何在城市燃气管道防腐层检测中采用DCVG技术以及判断检测信号是否为牺牲阳极影响，是DCVG技术应用于城市燃气管道检测中的一个关键问题。

　1.1 DCVG检测技术原理

　DCVG技术是在埋地管道上施加一个直流电源(如阴极保护电流)，并采用周期性同步断路器使管道上形成周期性通、断的直流电流。如果管道防腐层存在破损点，泄漏电流将在破损点周围土壤形成一个稳定的直流电压梯度场，其范围将在十几米至几十米之间变化，对其进行检测可比较准确的发现破损点。通过在管道地面上方的两个Cu/CuS04饱和参比电极以及与电极连接的高灵敏度毫伏表来检测这个电位梯度，就可以判断管道破损点的位置和大小。由于DCVG检测技术采用的是周期性的外加直流电流，不受交流电等杂散电流的干扰^[3]。

　根据DCVG检测的技术原理，通过对埋地管道防腐层缺陷处地表电场检测，绘出缺陷处地表电场等压线轮廓形状，根据绘制的地表电场等电位线可以判断埋地管道防腐层缺陷的形状以及缺陷所在管体的位置。典型的电场轮廓线有图1所示的几种^[1]。

　在检测过程中，通过检测管地电位的IR可以进一步判断防腐层缺陷的大小。在阴极保护过程中，外加电流在管线上形成的电位差包括管道通过防腐层到土壤的电压降V_I和管道边的土壤到远方大地的电压降V_S。在管线上加电压后，管线的电压降可由图2所示，他们之间的关系可由下式表示^[1]：

V_T=V_I+V_S (1)

式中V_T——管道到远大地点的电位差

V_I——管道通过防腐层到周边土壤的电位差

V_S——管道边的土壤到远大地点的电位差

采用DCVG进行检测时，V_T为管道的断电电位V_off与通电电位V_on的差，V_S可由DCVG的高灵敏度毫伏表直接读取。

在埋地管道阴极保护电压降中，V是外加阴极保护电压中真正起到保护管道作用的一部分电压，V_S是为克服土壤阻抗而损失的电压，对于保护管线并没有作用，所以要获得较好的阴极保护效果，V应较大而V_S较小，阴极保护的水平可以用V的大小来衡量。然而在实际的检测中很难对V进行测量，而较容易测量V_S的值，因此可以利用V_S值的大小来评价阴极保护的作用，通常是利用其占埋地管道外加阴极保护电压降的百分比进行表示，公式如下：

IR越大,阴极保护程度越低，也就是说埋地管道防腐层缺陷面积越大，因而DCVG能够较准确地预测防腐层缺陷面积的大小，并能对整个管道的阴极保护效果做出客观的判断。

　1.2 DCVG检测技术在城市燃气管网中的应用

　城市燃气管道与长输燃气管道相比，布局复杂，支管多，管道周围干扰因素多，燃气泄漏造成的危害大，必须对城市燃气管网进行定期的防腐层检测，确保安全^[4]。目前我国的城市燃气管网阴极保护主要采取牺牲阳极方法，而DCVG检测技术需要外加电源，所以应用时须在燃气管道中加直流电流。直流电源的外加如图3所示：可调节的直流电源正极接地，负极通过阀门测试桩或阀门井与燃气管道壁连接，负极与燃气管道之间接电路通断器来实现管路电流的周期性通断。

　国家标准《埋地钢制管道阴极保护技术规范》(GB/T 21448—2008)要求管道阴极保护电位(即管/地界面极化电位)应为-850mV(CSE)或更负，但不能比-1200mV更负^[5]。所以在牺牲阳极阴极保护良好的管道，管道管地电位已被极化到-850～-1200mV(CSE)之间。在进行DCVG检测时，由于电源正极接地电阻可能会较大，外加在管道上的电位会低于可能会低于牺牲阳极的自然保护电位(对镁阳极，-1500mV)，此时管道变为阳极，而原先保护管道的牺牲阳极就变成阴极，并且由于牺牲阳极是裸露于土壤中，从而会造成牺牲阳极放电现象。则在牺牲阳极处，管道的IR会变得很大，表现为管道的防腐层破坏，从而对管道的完整性评价造成误判。另外由于牺牲阳极埋地时间过长也会出现失效而引起镁阳极漏电情况。如何来判断检测到的信号为管道防腐层破损还是牺牲阳极放电造成，降低外来因素干扰，对检测结果的真实性以及对整个燃气管网的风险评价有重要作用。

　通过DCVG的检测原理及丰富的工程检测经验，我们探索了以下几种方法可以判断、或者避免DCVG检测中的牺牲阳极干扰。

　① 阳极埋设距离算法：收集管道施工资料，确定牺牲阳极埋设的具体位置或者埋设距离等，通过检测结果与施工竣工图纸记录数据进行对比，确认是否为阳极干扰。

　② 在管道上加入外加电流时，避免外加电流对管道的极化电位高于牺牲阳极的自然电位(对镁阳极，-1500mV)。

　③ 寻找最大电位梯度法：国家标准《埋地钢制管道阴极保护技术规范》(GB/T21448—2008)对阳极的埋设规定为：一般情况下牺牲阳极距管道外壁3～5m，最小不宣小于0.5m，埋设深度以阳极顶部距地面不小于1米为宜。成组布置时，阳极间距为2.3m为宜^[5]。由图4可以看出，当牺牲阳极出现漏电情况后，在牺牲阳极周围会出现电位等势线，通过DCVG探测漏电处电位，绘出简单的等势图，就可发现最大电位梯度处并不在管道正上方，而在位于偏离管道一段距离的地方，从而可以确定此处为牺牲阳极干扰。

④ 计算牺牲阳极IRC法：外加在管道上的电流在与其连接的牺牲阳极上形成的电位差V_TC可通过下式计算

V_TC=V_nc-V_on (3)

　式中V_nc——牺牲阳极的自然保护电位。对镁阳极，为-1500mV

　外加电流在牺牲阳极上形成的电位差类似于在管道上形成的电位差，只是由于管道上有防腐层，由于防腐层的高阻抗，管道对远方大地的电位差主要存在于管对地电压降；而对于牺牲阳极，阳极是裸露干土壤，并有阳极填料，接地电阻很小，所以外加电流在牺牲阳极上形成的电位差V。应约等于牺牲阳极旁的土壤距远方大地的电位差V_s。即V_TC≈V_s。可以以下式计算牺牲阳极处的JR降

　如果IR_C接近或大于100%，则可判断此处存在牺牲阳极。如果IR_C超过100%很多，则不排除此处管道上伴随有防腐层破损情况。

　在这四种方法中，第一种方法最直接，但是许多施工企业在燃气管道铺设时，并没有将阳极具体埋设位置绘制在施工/竣工图纸上，并且在牺牲阳极埋设处管道防腐层也有出现破损现象，特别是阳极线与管道焊接处。第二种方法能够有效的避免阳极漏电，但是在实际操作过程中，临时的接地装置接地电阻较大，为了能够向管道加入适当的电流，管道极化后的电位普遍要大于牺牲阳极的自然电位，该种方法的实用性不强；第三种方法能够准确的判断阳极干扰以及阳极所在位置，但是许多公司在施工过程中，缺乏监理，阳极埋设位置不符合GB/T21448—008的规定，有的紧挨管道，这就对第三种方法带来困难。第四种方法受到现场环境，土壤电阻率等因素的影响，外加电流在牺牲阳极上形成的电位差V_TC不等于牺牲阳极旁的土壤距远方大地的电位差V_s，并且牺牲阳极可能会失效等因素造成阳极的自然电位V_nc的变化。以上4种方法都有各自的局限性，所以在实际检测过程中，必须根据实际情况，四种方法综合判断，才能有限的排除因牺牲阳极漏电而造成的干扰。

　2 工程检测实例

　2010年5月丹阳奥恩能源科技有限发展公司与华南理工大学联合组成的管道完整性评价小组采用DCVG技术对山东龙口港华燃气公司的次高压，中压管道进行了防腐层检测，检测中发现牺牲阳极对DCVG检测有很大的干扰作用，通过上述的几种方法有效的排除了牺牲阳极漏电对DCVG检测结果的影响。例如在一段长约三公里的次高压管路上发现有12处漏电现象，检测结果见表1，该管段采用镁阳极为牺牲阳极，自然保护电位V_nc为-1500mV。

　在此段进行检测时，分别在两处测试桩加入外加电流，第一处，极化后通电位V_on=-1550mV，断电位V_off=-1150mV,管道到远大地点的电位差为V_T=400mV，牺牲阳极上形成的电位V_TC为50mV，1～8处漏电点由此测试桩提供的信号检出。由表1可知，除7号点外，检测到的牺牲阳极旁的土壤距远方大地的电位差V_s与牺牲阳极上形成的电位差V_T，基本相当，且低于V_TC；7号点的IR_C为120%，怀疑此处或伴有管道防腐层破损，待验证。

　第二外加电流处，极化后，通电电位V_on=-1560mV，断电电位V_off=-1010mV，管道到远大地点的电位差为V_T=550mV,牺牲阳极上形成的电位差V_TC为60mV，9～12处漏电点由2号测试桩提供的信号检出，由表中数据可以看出，9号点检测到的牺牲阳极旁的土壤距远方大地的电位差V_s与牺牲阳极上形成的电位差V_TC基本相当，初步判断为牺牲阳极，随后的开挖验证证实了此判断。9、10、12号漏电点的IR_C已经大于100%，所以判断这些点连接有牺牲阳极，但不排出伴随有防腐层破坏。其中12号漏电点的IR_C已经高达163%，伴随有管道防腐层破坏的可能性很大。恰好此处具备开挖条件。开挖后发线该处有牺牲阳极，同时伴随有管道防腐层破坏，如图5所示。另外，此12处漏电点相隔距离基本上是相隔200～400m，这也符合一般牺牲阳极埋设距离，能够为阳极信号干扰排除提供依据。

表1 龙口港华某管道DCVG检测结果

序号	距起点距离/m	Vs/mV	IR/%	IRC/%	判断分析
1	18	45.0	11.0	90	预测为阳极
2	341	43.0	11.O	86	预测为阳极
3	605	45.0	11.O	90	预测为阳极
4	919	36与	8.5	73	预测为阳极
5	1113	29.O	7.O	58	预测为阳极
	1170	测试桩1，信号加入点，V_T=400mV，V_TC=50mV
6	1220	30.O	8.0	60	预测为阳极
7	1820	60.0	15.0	120	预测为阳极，或伴有管道防腐层破损，待验证
8	2120	48.0	12.O	96	预测为阳极
8	2120	48.0	12.O	96	预测为阳极
9	2402	76.O	14.0	127	预测为阳极，或伴有管道防腐层破损，待验证
10	2719	72.O	14.O	120	预测为阳极，或伴有管道防腐层破损，待验证
	2914	测试桩2，信号加入点，V_T=550mV，V_TC=60mV
11	3053	55.0	12.0	92	开挖验证为阳极
12	3226	98.0	18.0	163	开挖验证为阳极并伴随有防腐层破损点

　3 结论及未来工作

　针对DCVG在城市燃气管道防腐层检测中的应用，提出了四种方法以判断、消除管道连接的牺牲阳极对检测信号的干扰。通过在龙口港华的实际检测，初步验证了上述方法的有效性。由于开挖条件的限制，尚没有对所有的怀疑为牺牲阳极的漏电点进行开挖验证。未来将对这四种方法的有效性做进一步的验证。同时，将对这些方法进行量化研究，如IR，在多大的范围内可以认定为牺牲阳极，在多大的范围内可以认定为牺牲阳极伴随管道防腐层破损等。城市燃气管道完整性评价是一个复杂的系统工程，除了检测设备的有效，更需要操作的人的工程经验，以及燃气公司能够提供可靠的工程竣工图等资料。

参考文献：

[1] DCVG Ltd，DC voltage gradient pipeline coating survey equipment operations manual[M].2009，8-23

[2] 胡士信.阴极保护工程手册[M].北京：化工工业出版社，1999.

[3] 周琰，靳世久，孙墨杰，等.埋地管道防腐层缺陷DCVG检测技术研究及应用[J].管道技术与设备，2001，(5)：38-40

[4] SY/T 0087.1—2006，管制管道及储罐腐蚀评价标准埋地钢质管道外腐蚀直接评价[S].

[5] GB/T21448—2008，埋地钢制管道阴极保护技术规范[S].

(本文作者：叶根银¹ 吴家传² 臧桂宁² 解东来³ 1.丹阳奥恩能源科技发展有限公司江苏丹阳 212300；2.龙口港华燃气有限公司　山东龙口 265700；3.华南理工大学化学与化工学院广东广州 510640)