磁场下降法检测埋地.doc

磁场下降法检测埋地钢管腐蚀技术
湖北襄樊震柏地下管线检测有限公司   441021   袁厚明
               上海煤气第一管线工程有限公司       200434     王明生

摘要：本文论述了非开挖检测埋地管道的必要性，简要介绍了埋地管道电磁场衰耗参数，介绍了测量管道腐蚀点与腐蚀段的设备与技术，并就计算与分析方法，在若干工程实践中的应用效果作了简介。
关键词：电磁场  埋地管道   测防腐   测腐蚀

    埋地防腐管道的安全运行寿命遵循木桶理论规则，在一只木桶的有效寿命中，如果一块木板与相连木板缝口不吻合或者墙板与底板存在漏洞，那么整只木桶将无法使用，只能靠更换木板或阻塞漏洞才能确保木桶寿命，继续使用。
在管道安全运行寿命中，存在着一段不通，万段无用的现象，这里的一段不通是指管道运行中输送介质受阻，管壁减薄，不能按原有设计压力运行，管道腐蚀穿孔，引起输送介质泄漏损失，管道焊缝受挤拉应力破坏断裂等故障现象。管道埋于地下，受泥土、沙石、水泥沥青路面、地表建构筑物等物体的遮挡、掩盖、屏蔽，发生上述故障不会像木桶那样直观，凭肉眼可以确定故障位置，具有一定的隐蔽性。
如何探准故障位置并对其进行维修更换，确保管道正常安全运行，延长管道使用寿命，是管道业主最为关心的问题之一。
利用超声、射线、扫描成像、磁感、涡流等方法对管道故障进行直接接触检测，需要停产一段时间，割开管道，放进管道内检测器，利用输送介质前后压差带动内检测器前行，该法需要改造不适应内检测器前行的三通、弯头、管道变径、阀门开启度等管道上的附属设施，因检测设备和检测费用的昂贵，停产检测损失巨大等原因，使得这项技术只能在国内少数长输管线上才能应用。
经过多年的研究、开发、现场检测的应用，一种通过磁场衰减法，检测埋地管道腐蚀状况的设备与检测技术已经开发出来，现已作为成熟产品批量投放市场，将以其功能强大，检测速度快、操作简便、适用性强、可靠性高、价格适宜等特点替代目前国内常用埋地钢管防腐及腐蚀检测设备，整套设备的名称为ZB-2018埋地管线腐蚀检测评估定位系统。以下将以该系统为施测手段，将其构成、功能、原理、检测技术、计算方法、适用范围作简要介绍。
一、该系统硬件组成及功能：
1、ZB-2008埋地管线防腐层探测检漏仪一套：主要用于探测埋地管线位置、走向、深度、绝缘防腐层破损点、比较并根据公式换算出破损点面积大小，根据磁场下降值确定腐蚀点与腐蚀段。
2、变频选频一台：主要用于检测、计算埋地管线外防腐层绝缘电阻值。
3、轮式测距仪一台：用于城市及平坦开阔地带测量管道距离，在跨拱穿越管段用测绳或卷尺。野外长输管段上用GPS计距，计距的目的是观察、计算单位长度的磁场衰耗值。
4、电火花检漏仪一台：用于检测开挖处防腐层耐高压等级，评价防腐层状况。
5、超声波测厚仪一台：用于检测开挖处管体内外壁腐蚀剩余壁厚，确定腐蚀速率。
7、Z-8土壤电阻率测试仪一台、PH试纸、醋酸铅试纸若干：用于测定土壤腐蚀性和细菌腐蚀性。
8、高精度数字万用表一台，硫酸铜参比电极2支：用于测试阴极保护运行参数，杂散电流腐蚀性，分析大地阴阳极电位场对目标管线的影响。分析宏（微）电池腐蚀在管道及大地电位分布。
9、探头限位器，连接测试导线：用于收集稳定的磁场信号值，建立理想的地下管线检测电磁场。检测管道内腐蚀。
二、软件的组成及功能
1、埋地管道腐蚀综合评估软体一套：将与腐蚀因素相关的二十多项重要因素进行加权积分，按积分的多少确定管道等级状态。按等级状态决定检修周期与管理及修理方式。
2、变频选频法测量绝缘电阻计算软件：该软件直接设计在仪器之中，按计算键，按中文显示菜单提示输入相应的检测参数，可在检测的现场测量并计算出外防腐层绝缘电阻值。
3、实用技术软件：该项技术包括笔者主编《地下管线检测技术》书一本和多项技术成果的应用，主要有管道无盲区检测技术，防腐层破损点100%准确率定位技术，破损面积大小估算技术，土壤腐蚀性检测技术，细菌腐蚀性检测技术，杂散电流干扰腐蚀检测技术，阴极保护基准电位确定技术，阴极保护电位无IR降测量技术，介质泄漏判断技术，牺牲阳极与管道寿命同步控制技术，磁力线弯曲理论测量判断管道内腐蚀技术，电流波、电压波的反射、透射理论与测量判断技术等五十余项。
三、检测基本原理
基于麦克斯韦定律：变化的磁场产生感应电场、变化的电场产生感应磁场，交变电流与磁场互生原理以及电流与相应磁场大小等效原理，分项测定电磁场的几个主要参数：G、R、L、C。
1、漏电电导G：主要是从防腐层破损处泄漏电流，流入大地，使电磁场衰耗，另一方面防腐层对电子离子均有微弱的渗透性，即使优良防腐层也存在衰耗，只是速度不同；G值的大小决定了管道外防腐层绝缘电阻的优劣。
2、电阻R：由于管道腐蚀引起管道的导电率、导磁率下降，电阻率上升，电阻是阻挡电流传输的参数，电阻会使管道上电能量变成热能量，从而引起衰耗；R值的大小决定了管体的腐蚀状况，与信号传输距离，其模型如图：

R=0

R=20

R=40

3、电感L：通过电磁场电流与磁场间的互变原理，能够对管道附近的导电体感生二次场、三次场等多次激发，同时又与电流方向成90°以电磁波的方式遵循右手定则向空间扩散传播，从而形成衰耗该技术利用磁棒线圈及电子放大显示电路，能够测到该信号的衰减；L值的测量，用于确定管道的位置、走向、深度。
4、电容C：管道周围的泥土、沙粒等物体会吸收并存储能量，其大小主要由土壤孔隙度、含水量等因素决定，四十多年前的pearson博士已经发明了用人体电容法来测量该信号，C值的测量主要用于定位埋地管道外防腐层破损点及破损点大小。
    上述电磁分布参数，均可形成导性、感性、容性、阻性偶合的再生电磁场，在管道周围产生杂散电流，形成大地电位梯度。
四、主要施测技术简介
1、检测信号发射：该技术采用ZB－2008发射机单一频率向管道施加检测信号，在阻抗匹配的情况下，以观察功率和电流为主，通过除锈、改变接地环境、增加接地数量等措施使发射功率为15W或发射电流为500mA，检测时不再调整功率从而使各管道与同一管道各测段间具有可比性，在信号源上实现了归一化。
2、检测信号的接收：本技术采用单线圈探头最大法（峰值法）接收信号，在地面平坦，管道埋深比较一致的情况下，探头位于检测者脚面高度接收信号；在管道埋深变化较大，地面起伏不平，检测人员可以以膝盖、衣物口袋等固定高度作为标志，以满足管道埋深变化时，探头能抬高或降低确保距管道磁力线中心始终在同一距离半径测取磁场信号，在深度上实现了归一化，信号才具有可比性。
3、测段长度的划分：优质管道以1Km为一测段，良的管道以500m为一测段，中的管道以300m为一测段，差的管道以100m为一测段，劣的管道以50m为一测段，如果管道特别差还可缩小为20为一测段，为便于计算，宜以100m的整倍数或约数作为测段，测量后随即换算记录成百米磁场衰耗值。从而在比较长度上实行了归一化。
4、计算系数的修正：为便于不同的管径、不同的环境进行对比，用φ400mm的管径为标准，经过农耕地段土壤介电常数15为标准，检测接收机仪器表头总读数3000mV为标准进行测试，上述情况变化时可用各种因素修正系数相乘，得到总的修正系数，再乘以百米下降值，得到该测段的磁场衰耗值。
5、腐蚀点的定位及大小比较：
1）外腐蚀点的定位：利用防腐层检漏仪测出破损点的位置，调查管线运行年限，已发生泄漏史，阴极保护的运行率、保护率、合格率，土壤腐蚀性、细菌腐蚀性、杂散电流腐蚀性、管道极化电流密度、管道断电自然电位、阴阳极倾向点等，以此确定外腐蚀速率。
2）内腐蚀点的定位：电磁波、电压波的反射与透射，磁力线弯曲，信号异常突变变化处会变小或变大，排除了外腐蚀的可能性，那么就可以判定此处存在内腐蚀，可在此进行部分开挖，暴露管体以后，利用探头限位器，沿管道轴心方向移动探头，可隔着外防腐层，隔着管壁，测到管道内腐蚀的磁力线弯曲，即涡流。在探头陷位器上，当其他位置显示数字为零，该处数字不回零时，即可判断为内腐蚀，内腐蚀检测精度取决于探头与管道的距离。通过调查管道输送介质的腐蚀性、管道运行时间等因素，可进一步确认管道内腐蚀程度。关键在于如何建立理想的地下管线检测场。
3）腐蚀点大小的确定：在腐蚀点前取一信号，离开腐蚀点漏电场辐射范围以外再取一信号，两信号之间差值的大小代表外壁防腐层破损处露铁面积与相应腐蚀面积的大小；同时也代表了电流波、电压波的反射、透射程度及磁力性弯曲程度，以确定内壁腐蚀的大小。
6、腐蚀段的确定：管道的外壁腐蚀几乎都以外防腐层的失效、绝缘电阻值成反比线性关系，而内壁腐蚀则与管道电阻R成正相关，电阻愈大，腐蚀愈严重。而磁场下降法实测值与G、R、L、C四主要因素相关，如果用磁场下降法检测数值分等等级与变频选频法不一致，那么该测段内就存在内壁腐蚀，可通过输送介质腐蚀性分析、超声测厚等手段进一步确认。
腐蚀程度划分可用磁场四级衰耗法确定；
1）算术级数衰耗：以10、9、8、7、6、5、4、3、2、1的速度衰耗，此为正常完好的优良管道；
2）几何级数衰耗：以16、8、4、2、1的速度衰耗，此为中等状态的管道；
3）指数级数衰耗：以103、102、101、100的速度衰耗，此为外防腐层已失效，管体已严重腐蚀的管道;
4）不规则衰耗：外防腐层状况好、中、差并存，管体腐蚀程度好、中、差并存的管道。
7、腐蚀点穿孔泄漏的判断：管道腐蚀穿孔，引起输送介质的泄漏，是按照输送介质的导电性及介电常数来判断，要求通过两次泄漏电位的大小进行对比。如输水管道穿孔泄漏以后，使得该处泄漏电位特别大；而干燥净化的天燃气泄漏以后，因干燥天然气将漏孔周围泥土吹干，不导电，信号反而变小；水煤气、蒸汽管道穿孔泄漏以后，电位也会变大；成品油、原油则根据其含水量及杂质含量由介电常数来决定。
8、不同等级管道的处理方法：优良等级的管道，除非特大破损点影响到阴极保护效果，往往可以暂不修补，中差等级的管道应测出大中腐蚀点进行修补，劣等级管道要求测出特差段进行防腐层的更替换，或管段的大修换管。管体穿孔点或临近穿孔点的补焊加强。
9、检测评价注意事项：该检测设备接收机专设P档与T档，P档用于发射机周围无盲区首段检测，第一个测段数字太高时应选择P档，远端测试可通过模式键切换到T档，为便于计算，表头读数以磁场下降值成线性关系。该接收机选用最高读数为1020的数字表头，每一测段初始都应调到1000mV整数。如果前行时数字不下降反而变大，说明前一测段在干扰处，数值应予修正。在发射机旁、外防腐层破损处上方、管道三通、分支、拐弯、深度变化及平行与交叉管道位置，信号受到干扰，都不可测取信号。
评价宜在单根管道上进行，如有分支、拐弯处，则宜过此点另行分段评估。在材质、几何形状、外界应力、接口材料变化、焊缝、防腐层种类等变化时形成几何不连续性，其综合等级均比直管段低一级。
对于优良中管道比较容易测出外壁腐蚀与防腐层破损处，对于劣等级管道，因外壁防腐层已经不绝缘，到处是可以泄漏电流的通道，此种防腐层反而不能测出具体的防腐层破损点，只能用参比电极测出地表横向与纵向电位差，评估等级可以相连但不隔级就达到评价要求。
五、计算技术与等级划分：
   以100m为单位计算管体腐蚀等级状况，表头显示值下降＜50mV为优，50－100mV为良，100－200mV为中，200－400mV为差，＞400mV为劣，大于800mV的必须全面更换防腐层或管道。
在采用因素分析法评价管体腐蚀时，必须有一个统一标准即同度量，磁场下降法测量评估埋地钢管腐蚀状况，在发射功率、接收信号读数、观察基数、发射频率、对比管段长度、观察深度、测取信号要求等方法，都实现了归一化；管径变化、管材、土壤电阻率等已通过仪器专用软件进行了处理。
笔者曾在04年防腐保温杂志上发表了百米磁场下降法测量埋地钢管外防腐层绝缘电阻技术的文章，该法在优、良等级，无内壁腐蚀的管道上与变频选频测量的防腐层绝缘电阻等级有很好的对应关系，如下表，而在差劣的管道上，磁场下降法与变频选频法测得的数据用图解法绘制成的两根曲线呈剪刀状，进一步研究表明，两者差值的大小，代表了该测段管体的腐蚀程度。内腐蚀越严重，其差值越大。这正是该技术的适用之处。

管体腐蚀等级划分标准对比
管体腐蚀等级状况
优
良
中
差
劣
磁场衰耗法
mV/百米
<50
50-100
100-200
200400
>400
变频选频法/Ω·m2
>10000
5000-10000
3000-5000
1000-3000
<1000
总距离法/km
>5
2.5-5
1.5-2.5
1-1.5
<1
状况
基本无损坏老化
损坏或老化轻微
损坏或老化较轻微尚可用
损坏或老化较重勉强可适用
损坏或老化严重失去使用价值
处理意见
每五年检漏修补一次
每三年检漏修补一次
每年检漏修补一次
加密测点200m为一测段，再采取相应对策
大修更换管段
 该技术适用范围：埋地钢质防腐管道外防腐层绝缘电阻检测与管体腐蚀程度检测评估。
六、工程应用实踐
1、快速检测实踐：该该术硬件仪器两套接收机均可接收磁场与电位差双重信号，可以根据现场需要，长输管线中可在发射机两边分别检测，在新疆塔里木油田公司哈得新老输油管线，上海氯碱总厂至金山石化的乙烯管线，每日单项作业均达到20Km。
2、管线塔接性漏电难点检测：投产五年的忠武线四号阀室，在用其它方法检测及大量开挖，均未找到阀室漏电点的情况下，终于2008年9月用此法查出。
3、老管道改造检测：北京燃气集团公司管网，通过笔者对首钢家属院管网，第二外国语学院附近管网进行样板性试验后，经过开挖证明其准确性，又对其运行近20年的三百多公里老管道进行了检测并追加了牺牲阳极的阴极保护；在奥运前为了保证奥运安全，检测范围扩大至上千Km。
4、阴极保护效果检测：08年5－8月，对吉林市港华燃气公司所辖80Km燃气钢管进行了检测监理与阴极保护施工的监理工作，指导施工单位用此法测出了30余公里阴极保护失效处，牺牲阳极埋设处，对管道阴极保护不符合要求的管道进行了重新改造。
    5、三种方法对比检测：在长沙市40公里的管道上进行测腐，取得了满意的效果，在某立交桥路段，管道存在严重的杂散电流干扰，采用三种方式进行检测对比的情况下，用进口与其他国产仪器均取不到信号，而磁场下降法，只要能用直连法发射信号，探管仪能定位管道的情况下，均可以用磁场下降法检测评价管体的腐蚀。
七、埋地管道测腐技术的推广
科学技术是没有国界的，科学技术就是生产力，该项新的技术能够给管道业主带来极大经济效益，能够通过腐蚀点定位修补后再施以阴极保护的腐蚀控制措施，使带病管道得到康复，临近报废的管道起死回生。震柏公司开发了国内最为先进的测腐设备，系统编著了全国第一本《地下管线检测技术》培训教材，通过数千公里的管线工程检测，取得了五十项实用技术成果，能够解决各种复杂环境下的管道探测、测漏、测腐及腐蚀控制问题，正确诊断定位管道故障，修补康复的同时施以阴极保护，有效控制泄漏损失，成倍延长管道使用寿命。我们将以设备供应、工程检测、技术培训、腐蚀控制等方式提供单项或全套服务。详情可点击公司网址进行访问。

参考文献：
1、袁厚明主编《地下管线检测技术》，中国石化出版社2006.7
2、袁厚明《埋地钢管外防腐层破损地面检测的技术第四届腐蚀大会论文集》2003北京
3、袁厚明《地下管线检测中若干疑难问题的解决》城市地下管线管理论文集2004
4、袁厚明《埋地钢管腐蚀检测与评估技术》石油化工腐蚀与防腐2007.3
5、A.W.皮博迪主编《管线腐蚀控制》化学工业出版社2004.4
6、袁厚明、王明生《阴极保护设计施工中存在的问题与对策措施》腐蚀与防腐2008.5