IR降消除技術(shù)在長輸管道上的應(yīng)用研究

1、IR降消除技術(shù)在塔里木油田長輸管道上的應(yīng)用研究IR降消除技術(shù)在塔里木油田長輸管道上的應(yīng)用研第一章 IR降的產(chǎn)生及危害1.1 IR降的產(chǎn)生所謂 IR 降系指電流在介質(zhì)中流動所形成的電阻壓降, 給電位測量結(jié)果造成誤差, 通常都在幾十mV 到幾百mV 之間, 當(dāng)電阻率很高時幾千mV 也會出現(xiàn)。由于IR降在陰極保護(hù)電位測量中難以避免，所以消除IR降的測量技術(shù)就成了各國腐蝕專家的首要任務(wù)，二十世紀(jì)七、八十年代IR降問題曾引起國際腐蝕界關(guān)于陰極保護(hù)準(zhǔn)則的大討論，最終以NACE RP 016992的修訂而告終。針對新的準(zhǔn)則制訂了測試方法標(biāo)準(zhǔn) NACE TM 0497 和NACE TM 0101。在這些標(biāo)準(zhǔn)中

2、,都對測量中的 IR降加以限定,一般條件下可用斷電法,對于有干擾存在時就必須使用試片或探頭斷電法。1.2 IR降的定性分析在不存在接地保護(hù)裝置犧牲陽極系統(tǒng)及雜散電流影響的管段IR降U=IR 其中I為流過土壤中的陰極保護(hù)電流，R為該段土壤的電阻。h代表管道的埋深，s代表參比跟地面的接觸面積。I=i*s,其中i代表管道陰極保護(hù)的電流密度；R=p*h/s，其中代表土壤電阻率，h代表管道埋深；則U=i*h。U的大小只跟i、h有關(guān)。按資料，對于3PE涂層管道保護(hù)電流密度一般為 1 mA/m2。那么對于=100 ·m，埋深為2m的管道，在防腐層缺陷附近，無接地保護(hù)裝置犧牲陽極系統(tǒng)及雜散電流影響的

3、情況下，其IR降為200mV。1.3 IR降危害實例1.3.1 四川氣田榕佛管道1999年3月，德國PIPETRONIX公司對已運行20年的四川氣田南干線榕山至佛蔭段管道進(jìn)行了智能清管檢測。榕山至佛蔭段管道處于淺丘地區(qū)，管徑720mm、全長25.4km、管材16Mn、螺旋焊縫管、設(shè)計壓力4.0MPa、外防腐層為石油瀝青加強級，于1979年7月投入運行。檢測顯示：（1）在原認(rèn)為采用涂層加陰極保護(hù)方式，長期認(rèn)真監(jiān)測通電電位Von均負(fù)于-0.85V，陰極保護(hù)充分的管道上卻發(fā)生了嚴(yán)重的外腐蝕及穿孔，453處明顯的外腐蝕區(qū)，其中穿孔1處，大于壁厚50腐蝕區(qū)3處；（2）原管道極化電位Voff在-0.70.

4、78V之間，沒有達(dá)到保護(hù)電位，管道長期處于欠保護(hù)狀，未達(dá)到陰極保護(hù)應(yīng)有的效果；（3）腐蝕坑集中分布于石油瀝青防腐層破損處，涂層完好的地方管道沒有發(fā)生腐蝕。1.3.2 利比亞西部管道利比亞西部管道平行敷設(shè)兩條不同管徑的原油管道和天然氣管道，處于沙漠地區(qū)，土壤電阻率很高，中國石油天然氣管道工程有限公司的測試顯示，管道的IR降處于530mV到1040mV之間。1.3.3 德國PLE公司管道德國PLE公司曾在60年代，對他們所轄管道上進(jìn)行了IR降的研究和評價，發(fā)現(xiàn)在-0.85V電位保護(hù)下，管道腐蝕仍很嚴(yán)重。當(dāng)他們采用消除IR降成分的方法重新評價這些管道時，只有60的管道達(dá)到了真正的保護(hù)（-0.85V）

5、。在保溫夾克管測試中，由于防腐保溫層絕緣電阻很大，測得的保護(hù)電位偏負(fù)許多，有些超過一2OV甚至更負(fù)，但管道有的仍發(fā)生腐蝕，也是 IR降引起的。在瀝青 、水泥路面上方測得的電位 ，明顯負(fù)于相鄰測試樁測得的電位值，這也是由于瀝青和水泥高電阻引起 IR降的結(jié)果。第二章 現(xiàn)有電位測量中 IR 降消除方法IR 降是由參數(shù) I 和R 共同作用的結(jié)果, 因此消除 IR 降的方法也應(yīng)從消除或降低這兩個參數(shù)著手。目前人們所采用的排除或減小 I R降的方法主要有 ：斷電法、試片斷電法、脈沖技術(shù) 、極化探頭法、原位參比法( 近參比法) 、 土壤電位梯度技術(shù) 、 交流電技術(shù)等。在 NACE TM 0497中重點推薦使

6、用的也是斷電法。只要條件允許，采用斷電法可以測出管道的真實電位，但在實踐中，受管道周圍條件所限，斷電法卻往往也不盡人意。NACE TM 0497指出：“如果有雜散電流、或犧牲陽極與管道直接相連、或存在外部強制電流設(shè)備并且不能被中斷的話。很難得到理想的測量結(jié)果，或者說測量結(jié)果無法分析”不得不采用試片或探頭來測量管道的真實電位 。 2.1 瞬間斷電法 斷電意味著I0，因而IR0。斷電之后，管道電位立即降落下來，然后再慢慢衰減。前面這一電位瞬間急落便是IR降成分。圖 斷電后去極化曲線2.2 試片斷電法試片斷電法是在測試點處埋設(shè)一裸試片，其材質(zhì)、埋設(shè)狀態(tài)和管道相同，試片和管道通過電纜連接，,這樣就模擬

7、了一個覆蓋層缺陷，由管道的保護(hù)電流進(jìn)行極化，在試片上部用一支硬塑料管直達(dá)地面 ,在管中填滿導(dǎo)電性材料,測量時把參比電極放在塑料管的頂部 ,由于試片與參比電極間的電阻較小所以 IR 降也小。測量時，只需斷開試片和管道的連接導(dǎo)線，就可測得試片的斷電電位，從而避免了切斷管道主保護(hù)電流及其它電連接的麻煩，雜散電流的影響亦小，可忽略不計，而且不存在斷電后的極化率差異的宏電池作用。2.3 極化探頭法極化探頭法類似試片斷電法。采用極化探頭進(jìn)行電位測量，極化試片平時用導(dǎo)線與管道相連，使試片受到與管道同樣程度的極化。測量時斷開試片與管道的連接，切斷試片的陰極保護(hù)電流，立即進(jìn)行電位測量，得到極化試片斷電電位。此即

8、為極化探頭法。極化探頭原理圖極化電位測試探頭接線示意2.4 近參比法因參比電極和被測表面間土壤電阻（R）變小，而使IR降減至最小。該法可以在工程實踐中推廣試行，具有參比點位置固定的特點，克服了地表參比點位置差異可能造成的誤差，提高了數(shù)據(jù)的可比性。不過，對于高電阻、大電流狀態(tài)下，且參比電極位置又沒對準(zhǔn)覆蓋層缺陷時，IR降誤差仍然存在，這是因為IR降主要產(chǎn)生在被測表面的頭幾個毫米位置上。2.5 密間隔電位測試法（CIPS法）密間隔電位測試就是將參比電極沿管道移動 ,使用數(shù)據(jù)采集器間隔 12 m連續(xù)讀取并存儲管地電位數(shù)據(jù) ,通過專用軟件 ,繪出連續(xù)的管地電位曲線。這樣 ,就可以得到整條管線完整的陰極

9、保護(hù)電位分布曲線。為了消除土壤 I R降的影響 ,測取外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)下的真實管地電位 (OFF電位 ) ,測試時數(shù)據(jù)采集器一端與參比電極相連 ,另一端通過電纜與管道測試樁相連 ,在陰極保護(hù)陽極地床到恒電位儀之間串接一個中斷器 ,測量前數(shù)據(jù)采集器應(yīng)通過全球 GPS定位系統(tǒng)與另外兩端送電的 CP站實現(xiàn)中斷器的同步。測量時 ,操作人員沿管道行走 ,在管道的正上方每隔 1m左右移動參比電極 ,測取中斷器通斷下的管地 ON /OFF電位 ,根據(jù) ON /OFF電位的變化情況來評價管道的陰極保護(hù)情況。2.6 加強測試法測量管頂上方管地電位，同時測量出相對應(yīng)的與管道垂直的（間隔 10m）電位梯度，經(jīng)計

10、算獲得消除 IR 降的管道/土壤界面電位的測量技術(shù)。用于修正測試防腐層破損點多的管段的斷電電位。計算公式為 VIR-free A測量點的消除IR降電位，mV。 Von A測量點的通電電位，mV； Voff A測量點的斷電電位，mV； Von 通電狀態(tài)下，A與B兩測量點間的直流地電位梯度，mV； Voff斷電狀態(tài)下，A與B兩測量點間的直流地電位梯度，mV；第三章 IR降消除方法的應(yīng)用與比較3.1 克輪線消除IR降實驗（近參比法、瞬間斷電法）在克輪輸氣管線開挖驗證和防腐層修復(fù)現(xiàn)場，管道破損點段被整體挖出，利用該條件，分別使用地表參比法、近參比法、瞬間斷電法進(jìn)行了測試：（使用接地?fù)u表測量該地土壤電阻

11、率為31m）近參比法、斷電法實驗步驟：（1）在管道防腐層破損點處進(jìn)行簡單打磨處理，暴露鋼管。（2）將萬能表正極插用力壓到鋼管上，萬能表負(fù)極接便攜式參比電極。（3）將參比電極放置在緊貼管道防腐層處（留有少許土壤），并將參比電極下部分用土埋好，少量澆水，讀取萬能表讀數(shù)，記為近參比法電位。（4）將參比電極放在管道正上方的管堤上，少量澆水，讀取萬能表讀數(shù)，記為通電電位。（5）使用手機與守候在末站恒電位儀前的人員聯(lián)系，切斷恒電位儀開關(guān)。過程中用相機全程拍攝萬能表的讀數(shù)變化。通過分析拍攝下的視頻確定斷電電位：視讀數(shù)第一次變化的時刻為斷電時刻，第二次電位變化的時刻視為IR降消除的時刻，該電位視為斷電電位。斷

12、電電位的讀取問題：不論是在極化建立或是衰減瞬間都會產(chǎn)生很強的電位脈沖，不同環(huán)境、規(guī)格和涂層種類的管道脈沖強度不同，時間參數(shù)也不同，為避免電位脈沖對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，根據(jù)現(xiàn)場所用萬用表的響應(yīng)時間及管道的實際狀況，確定讀數(shù)的時刻。雖然不同文獻(xiàn)中，50ms到100ms、500ms讀數(shù)時刻都被推薦過，但讀數(shù)差距不大。在現(xiàn)有的實驗條件下，我們根據(jù)北京安科公司的經(jīng)驗，取斷電后萬能表的第二次變化時刻為斷電電位讀數(shù)時刻。 圖 通電電位Von 圖 斷電電位Voff（視頻截圖）注：在現(xiàn)有條件下，為了把握合適的斷電電位測試時刻，我們用視頻功能將斷電電位的變化記錄下來，根據(jù)斷電去極化衰減曲線（如下），取了斷電后電位第

13、二次變化的數(shù)值作為斷電電位。圖 使用電位記錄儀得到的去極化衰減曲線使用近參比法和瞬間斷電法消除IR降的比較位置地表參比法/V近參比法/V瞬間斷電法/V近參比法IR降/V瞬間斷電法IR降/V109#+970m-1.326-1.326-1.10200.225110#+300m-1.328-1.327-1.0880.0010.239通過以上測試，在克輪輸氣管道以上位置，使用地表參比法與近參比法測得的電位相差不大，而瞬間斷電法與地表參比法測得的電位有明顯的差距，均超過200mV。近參比法未能有效消除IR降原因理論分析：從消除IR降的原理上說，只能把參比電極放置在靠近管道表面的位置，而不是管道-電解質(zhì)界

14、面；如果最近的防腐層缺陷與參比電極的位置相隔很遠(yuǎn)，即使把參比電極放在帶防腐層的管道表面，也不能顯著降低IR降。3.2 迪輪線消除IR降實驗（瞬間斷電法）在迪輪線出站段進(jìn)行了IR降消除實驗，僅在測試樁上進(jìn)行實驗。使用接地?fù)u表測量該地土壤電阻率為17m。迪輪線斷電法實驗步驟：（1）將萬能表正極與測試樁接線柱相連，萬能表負(fù)極接便攜式參比電極。（2）將參比電極放在管道正上方的管堤上，少量澆水，讀取萬能表讀數(shù)，記為通電電位。（3）使用對講機與守候在迪那作業(yè)區(qū)恒電位儀前的人員聯(lián)系，切斷恒電位儀開關(guān)。過程中用相機全程拍攝萬能表的讀數(shù)變化。通過分析拍攝下的視頻確定斷電電位：視讀數(shù)第一次變化的時刻為斷電時刻，第

15、二次電位變化的時刻視為IR降消除的時刻，該電位視為斷電電位。迪輪線IR降消除實驗數(shù)據(jù)測試樁編號地表參比法/V斷電法/V斷電法IR降/V2#-1.1175-0.88530.23224#-1.149-0.94370.20535#-1.1557-0.94310.21266#-1.1572-0.89820.2597#-1.143-0.89950.24358#-1.15-0.9280.2229#-1.148-0.8950.25310#-1.156-0.8990.25711#-1.156-0.9460.2112#-1.14-0.8840.256使用瞬間斷電法測得電位與地表參比法電位比較3.2 實驗結(jié)論（1

16、）在3PE防腐層有較高的電阻率，在這類管道上采用外加電流陰極保護(hù)會產(chǎn)生較大的電阻IR降，會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，需要經(jīng)過消除IR降的測試才能測出管道的真實陰極保護(hù)電位。（2）對采用3PE防腐層這類高電阻率防腐層管道，單純使用近參比法，難以有效消除IR降。（3）克輪線、迪那線所實驗位置的管道在普遍存在超過200mV的IR降誤差的情況下，極化電位仍負(fù)于GB-T 21447-2008鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范規(guī)定的最小保護(hù)電位，處于保護(hù)狀態(tài)。（4）在尚未對進(jìn)行IR降的有效消除前，各條管道恒電位儀輸出電位值設(shè)定為-1。15V，是較為保險的做法。3.3 實驗局限（1） 由于沒有高速電位記錄儀等設(shè)備，不能準(zhǔn)確讀

17、取斷電法中斷電電位，只能通過經(jīng)驗取斷電后電位第二次變化的值作為斷電電位，結(jié)果可能含有一定誤差。（2） 斷電法需要耗費較多的人力和時間，不能作為全線電位測量的手段，僅能作為特定位置的評價、驗證方法使用。（3） 在塔輪線、吉牙線、英輪線等使用2臺以上恒電位儀器的管道上以及使用犧牲陽極法保護(hù)的牙-牙凝析油、液化氣、天然氣管線上，無法使用斷電法進(jìn)行實驗。3.4 消除IR降方法的比較以克輪線、迪輪線IR降消除實驗為出發(fā)點，結(jié)合試片斷電法、CIPS法、極化探頭法的原理及IR降消除相關(guān)文獻(xiàn)，對各種消除IR降方法比較如下：IR降消除方法比較近參比法瞬間斷電法加強測試法試片斷電法CIPS法極化探頭法描述公式U=

18、IR（在無接地保護(hù)裝置犧牲陽極系統(tǒng)及雜散電流影響情況下）消除方式減小土壤電阻R使保護(hù)電流I降為零同斷電法同斷電法同斷電法類似于試片斷電法優(yōu)點參比點位置固定的特點，克服了地表參比點位置差異造成誤差一定條件下，測得IR降較為準(zhǔn)確修正了斷電法在測試防腐層破損點多的管段電位時的誤差不必頻繁的切斷陰保電源；受雜散電流影響較?。粦?yīng)用范圍廣使用GPS斷流和高速記錄儀，結(jié)果較準(zhǔn)確且再現(xiàn)性好；對全線陰保狀況評估；不必頻繁的切斷陰保電源；受雜散電流影響??；應(yīng)用范圍廣；一定程度上代替參比電極；費用低缺點高電阻、大電流狀態(tài)下、參比電極位置未對準(zhǔn)覆蓋層缺陷時無效頻繁斷開陰保電源，且無法消除由雜散電流和二次電流導(dǎo)致的非歐

19、姆壓降。相比于斷電法增加了工作量需開挖埋設(shè)試片、改造測試樁，工程量較大檢測系統(tǒng)費用較高，一次性投入大 使用條件× 犧牲陽極要與管道斷開； 多站保護(hù)的各站要同時同步斷開； 犧牲陽極要與管道斷開； 多站保護(hù)的各站要同時同步斷開； 無特殊要求 犧牲陽極要與管道斷開； 多站保護(hù)的各站要同時同步斷開；無特殊要求適合管道×克輪氣線、迪輪氣線、迪牙凝析油、輕油、液化氣線克輪氣線、迪輪氣線、迪牙凝析油、輕油、液化氣線全部25條管道除了使用犧牲陽極保護(hù)的管道全部25條管道第四章 建議4.1 實施進(jìn)一步的IR降消除工作的方案GB-T 21447-2008鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范規(guī)定對于長輸油氣管

20、道，應(yīng)每年測試瞬間斷電電位一次。且根據(jù)迪輪線和克輪線的實驗結(jié)果，塔里木油田管道上真實存在著明顯的IR降，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的IR降消除工作，并根據(jù)去IR降后的電位調(diào)整恒電位儀的輸出。4.1.1 現(xiàn)有實驗手段的方案（瞬間斷電法）目前不購置新設(shè)備的條件下，在使用強制電流陰極保護(hù)且只投用一臺恒電位儀的管線（克輪氣線、迪輪氣線、迪牙凝析油、輕油、液化氣線等5條管線）上可以進(jìn)行通瞬間斷電法消除IR降。通過測量掌握以上管道部分特征點的的IR降的大小，評估管道全線的IR降大小。此法只能用于克輪氣線、迪輪氣線、迪牙凝析油、輕油、液化氣線等管線。4.1.2 使用高速記錄儀記錄去極化電流衰減的方案（瞬間斷電法）使用

21、現(xiàn)有實驗手段，且通過記錄儀記錄去極化電流衰減曲線，從而提高現(xiàn)有實驗手段中斷電電位測量的準(zhǔn)確性。需購置高速電位記錄儀2臺。（RX4000B記錄儀報價2450元，按2臺計增加費用4900元）此法只能用于克輪氣線、迪輪氣線、迪牙凝析油、輕油、液化氣線等管線。4.1.3 使用CIPS法的方案使用CIPS儀，定期檢測對各管線全線的斷電電位，評估全線的陰保有效性。需購置CIPS+DCVG一套。（天津市嘉信技術(shù)工程公司報價27.6萬元）。在配置足夠多的中斷器的情況下，該法的適用范圍擴展到所有強制電流保護(hù)的管道，但該法仍然不適用于采用犧牲陽極保護(hù)的管道。值得注意的是：僅使用CIPS法對陰保有效性進(jìn)行評價，從原

22、理上來說，因為有雜散電流、二次電流等干擾，不能完全消除IR降，在懷疑有上述干擾因素時，必須結(jié)合其他方法(加強測試法)和儀器（SCM）使用CIPS法，才能達(dá)到有效消除IR降的目的。4.1.4 埋設(shè)斷電試片的方案該法需要尋找專業(yè)的陰保施工隊伍進(jìn)行施工，選取管線特征性較強的點進(jìn)行試片安裝以及測試樁的改造。在日常維護(hù)中，也需要定期對試片進(jìn)行維護(hù)防止其失效。（北京安科陰保施工估價為2000元/測試樁）該法適用于塔里木油田所有長輸管道。4.1.5 使用極化探頭法的方案從消除IR降的原理上來說，由于極化探頭特殊的結(jié)構(gòu) ,其測量參比電極與被測量對象之間的電阻被壓縮至最小，且處于封閉的環(huán)境中測量，消除了雜散電流、二次電流等干擾的影響,能最大限度地減小 IR 降。但由于尚未在我管道上進(jìn)行實驗驗證，其效果仍有不確定性；通過聯(lián)