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埋地管道检测方案

埋地管道检测方案

埋地管道的不开挖检测技术是管道无损检测技术的重要分支,通过采用该技术可以及时了解管道运行的整体情况,并为后面的开挖检测提供依据。目前使用的成熟的埋地管道不开挖检测技术主要是针对管道外覆盖层和阴极保护系统等方面进行检测的。通过对管道所处环境的腐蚀性检测来预知和了解管道内外腐蚀的程度及腐蚀原因,及时发现管道所存在的安全隐患,并采取科学的手段,适时地对管道进行修复和改造,确保管道的安全运行。埋地金属管道的腐蚀性检测可分为管道外检测和管道内检测。

一、管道外检测

管道外检测主要工作如下:

(1)管道外部所处土壤环境的腐蚀性检测(包括土壤的土质、水质和杂散电流等)。(2)管道外防腐绝缘层性能、完好程度、老化性能和使用寿命的预测。

(3)管道阴极保护状态、保护电位和保护电流的测定。

其中后两项内容的检测应是管道管理者日常对管道监测的重要内容和手段,这是由于这两种管道防护手段关系密切,管道外防腐层防护是基础,阴极保护是其防护不足的补充和辅助。如果金属管道外防腐层完整良好,则管体本身不会受到土壤溶液的腐蚀和破坏,而一旦防腐层产生了缺陷,则在缺陷处会产生腐蚀破坏。此时如果阴极保护能在防腐层缺陷处提供足够的保护电流密度,则电化学极化将使该处金属表面极化到热力学上的稳定态,不至于发生金属的氧化反应(即钢的腐蚀破坏),而一旦阴极保护失效或不正常,则会造成该处的金属表面的破坏。因此用阴极保护的管道电位值和阴极保护的电流值可判断管道是否处于“保护”

状态。由此可见,上述三项检测工作是保证埋地钢质管道无泄漏安全运行的必要手段。

1、管道外覆盖层的检测技术

管道外覆盖层的检测技术大多采用多频管中电流检测技术(PCM),它是一种检测埋地管道防腐层漏电状况的检测,是以管中电流梯度测试法为基础的改进型防腐层检测方法。其基本原理是将发射机信号线的一端与管道连接,另一端与大地连接,由PCM大功率发射机,向管道发送近似直流的4 Hz电流和128 Hz/640 Hz定位电流,便携式接收机能准确地探测到经管道传送的这种特殊信号,跟踪和采集该信号,输入到微机,便能测绘出管道上各处的电流强度。通过分析电流变化,可对管道防腐层的绝缘性进行评估。图1为PCM埋地管道外防腐层状态检测仪,包括发射机、接收机和A字架。电流强度随着管道距离的增加而衰减,在管径、管材和土壤环境不变的情况下,管道防腐层对地绝缘越好,电流衰减越小。如果管道防腐层损坏,如老化和脱落,绝缘性越差,管道上电流损失就越严重,衰减就越大。通过分析电流的损失,可实现对防腐破损状况的评价。

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图1 PCM埋地管道外防腐层状态检测仪

PCM埋地管道外防腐层状态检测仪操作步骤:

1.发射机的操作

1.1连接信号输出线

白色信号线直接与管道连接(阀门、测试桩、凝水缸等)。

绿色信号线接在合适的地线(地极、阴保系统的阳极或跳接管道绝缘法兰)上。

发射机电源线连接至220V交流电源,或20-50V直流电源(蓄电池)、15-35V由整流器提供的直流电源,黑线接负极、红线接正极。

1.2选定检测频率。

连接电源。如果连接直流电源,检查蓄电池的电压,必要时进行更换。

1.3连接发射机电源线

发射机电源线连接至220V交流电源,或20-50V直流电源(蓄电池)

、15-35V由整流器提供的直流电源,黑线接负极、红线接正极。

1.4设定电流强度。注意过大的输出会影响蓄电池的使用时间。

2.接收机的操作

2.1按下开关开启接收机,检查接收机面板上的电池符号,当电量不足时,更换新电池。

2.2 设定探测频率,必须与发射频率工作在同一频率上。

2.3置于峰值定位方式,对管道进行精确定位。转换零值工作方式,显示左右方向箭头,指示埋地管线的中心点位置。

2.4确定初始检测点。检测的初始位置需在信号供入点的10米以外,寻找目标管道。

2.5峰值/零值法确定管道位置。当所测得的峰/零位置不同时,间距小于15

厘米的检测结果才可靠。

2.6测深(正确的测深读数表明附近没有干扰存在)

将管道中心位置确定后,将接收机的底端触到地面上,按下测深键,仪器自动给出管道埋深值。

2.7按“定位电流”键读取“定位电流”值。

2.8确定管线位置后,按下CD键,接收机面板上显示出信号电流的方向。再按CD键,退出CD方式回到定位功能。

2.9接收机测出电流读数后,存入磁靴内的数据记录仪中。存储的内容包括:序号、mA为单位的电流值、dB为单位的电流值、电流方向和埋深值。存储数据后,在图纸填上存储单元号。通过图纸来确定下一个测试点。

2.10用“零值”法,追踪管道到达一个点定位。

2.11再用峰值/零值法定位,确认两个定位点相距在15厘米之内。

2.12将接收机设置为浏览方式,用一条D型RS232串行电缆连接到计算机(已安装雷迪公司提供的“上载软件”PCM Upload Software)的串口上,按测深键接收机将数据传入数据计算机。

2.13埋地管道防腐层检测数据处理系统(GDFFW)进行数据处理。

3.A型架的操作

3.1连接发射机,打开电源开关,使用带电流方向E L F或L F(4和8H z)的频率方式。在有无磁靴的状态下,P C M接收机都可以进行故障点定位。3.2取下接收机的磁力仪,将接收机安放在A型架上,将A型架连线的3针插头插入A型架的接口,将多针连接头插入接收机的附件插座内。P C M接收机开机后,开始自检并发出提示音,液晶显示面板将标志置在附件插座位

置。面板还将显示“FF”。使用峰值/零值转换(Peak/null/accessory)键可以在管线定位和故障定位的不同操作方式之间转换。

3.3将A型架以与管线的平行方向插入管道上方的土壤,标有绿色的探针背离发射机,红色探针朝向发射机的位置。

3.4将A型架的探针插入土壤后进行读数。接收机将自动调节信号水平,显示电流方向及分贝(d B)读数。注意:在测量过程中,面板上的增益值将闪动,不需要操作者进行任何调节操作。

3.5接收机面板上显示的箭头方向是地面上高检测电位的方向,箭头指示的就是漏点的方向。当没有箭头显示或无法稳定时,则表示附近没有漏点存在,或地面上的电流太小,不足以给出信号电流(C D)的方向,也可能是碰巧A型架处在防腐层破损点的正上方。此时面板上

还显示有信号电位差的dB值。若读数在30dB以下,附近的防腐层一般没有破损点存在。

3.6沿管线的方向移动A型架,重新将探针插入土壤。如果以前的位置给

出的箭头方向是向前的,而新位置上箭头方向是向后的,则此时操作者已经跨过故障点。一般的漏点会使接收机的面板显示在40-60dB范围,最大时可能超过70dB。

3.7以1米的间隔沿管线的走向退后检测,观察仪器面板的dB读数,数

值上升、短暂下降、又上升,之后数值会渐渐下降;当箭头改变方向的位置,就是故障点的边缘。

3.8重新以更小的间隔进行前后检测,直到找到电流方向的变化点、d B读数最低的位置。此时可以肯定故障点就在A型架的中点位置。将A型架转90度,

也就是检测方向与管线的方向垂直,重复步骤7,检测结果的故障点在A型架的正中央。用木桩或油漆记下故障点的位置。

3.9分别记下A型架在与管线垂直方向时dB读数值,用于比较管线上不同漏点的严重程度,决定管线的维护次序。方法是:将A型架的一极放在管线的正上方,另一极远离管线,从距故障点1米处开始,以25厘米或更小的间隔检测,记下此过程的最大读数。对每个要检测的管段进行以上步骤,直到完成全部检测工作,标识出管线上的全部故障点,分贝数最大的故障点破损最为严重。在故障点检测的任何时候,都可以将检测方式转换到电流梯度法的检测。方法是从接收机的附件接口拔下A型架的连线,或使用峰/零值转换(Peak/null/accessory)键进行转换。

3.10保存检测数据。

按下“shift”键后,再按深度(de p th)键可记录检测结果。注意此时面板左上角显示的数据记录号是否正确。当完成全部检测工作后,可以将存储的检测数据下载,但此时一定要将磁靴从接收机上取下,之后下载的数据是故障检测数据而不是电流梯度法的检测数据了。数据下载的方法与下载4H z电流梯度法数据的方法类似,使用的程序也“upload utility”,

结果的数据文件名是FFDATA.TXT。

2、阴极保护(CP)检测技术

阴极保护检测技术主要采用直流电压梯度检测技术(DCVG),其检测原理为在施加了阴极保护的埋地管线上,电流经过土壤介质流人管道外覆盖层破损而裸露的钢管处,在管道外覆盖层破损处的地面上形成了一个电压梯度场。根据

土壤电阻率的不同,电压梯度将在十几米至几十米的范围内变化。该技术在国外已得到了广泛的应用,在我国埋地管道外覆盖层缺陷检测中的研究和应用还处在起步阶段,缺少系统研究。检测仪器有英国的DCVG检测仪,主要包括一个灵敏的毫伏表、两个Cu/CuS04手杖和一个测距仪等。直流电位梯度法就是采用灵敏的毫伏表测量地面上位于电场梯度内的两饱和硫酸铜参比电极间的电位差,而两电极间相距482.6 mm。由于两电极间的电位存在电位差,因此可确定其电流方向,因而,可以判断管道在防腐破损点是否有腐蚀发生。在DCVG测量中,施加到管道上的直流信号以1s为周期通断转换,其中断电2/3 S,通电1/3s,合成的不对称直流信号可以施加到现场的阴极饱和系统(CP)上,也可以在管道CP T/R 电源的一根导线上装设开关,以1 S为周期对一个T/R电源进行通断。检测人员拿两个探头,沿管道一前一后相距0.9~1.8 rn测量,每1.8 m测量一次,走近缺陷时检测人员将发现毫伏表开始有反应,走过缺陷时指针反向偏转,远离缺陷时,指针又慢慢返回。在往回检测时发现,总会有一个位置使指针位于零点,则此

时两电极的中间位置为覆盖层缺陷位置。在与管道相垂直的方向上重复测量,两个零点的交叉位置是电压梯度场中心,该点位于防腐层缺陷上方。缺陷点测出后还可通过探头位置的变化来确定钢管表面是否发生腐蚀。DCVG技术可准确定位管道表面的防腐层,甚至是较小的防腐层缺陷。还可通过电流的流人和流出准确判定管道的阳极和阴极位置,同时DCVG法还可通过石头、混凝土或沥青路面的缝隙来检测电位梯度。

DCVG检测仪操作步骤:

一、测前准备

1、将饱和硫酸铜溶液灌入CIPS 探杖中,探杖头在使用之前需用纯净水浸泡。

2、如果测量中遇到较为干燥的环境,还需要准备充足的水,给探杖和土壤接触处位置浇水,使探杖头与土壤充分接触。

3、检测前需要将断流器、主机、探杖手柄等设备充电。

二、断流器安装

1、关闭恒电位仪/整流器,将阴极或阳极连线断开,将断流器串联接入阴保系统中,需要注意的是:要确保阴保电流从断流器的正端(红色端)流入,从负端(黑色端)流出。

2、打开恒电位仪/整流器和断流器开关,阴保电流会按照一定的规律进行通/断。这时可以根据测量的方式选择相应中断档位。其中1-3 档适合于DCVG 测量,1-5 档适合CIPS测量。

3、如果需要卫星同步测量,在断流器上连接卫星天线,将卫星天线放置在上方空旷的地方,打开断流器等待GPS 信号,当GPS 信号指示灯由红变绿后,断流器就完成了GPS卫星同步。

4、观察阴保设备中断情况,确保阴保系统已经正常中断。

5、需要进行检测的管段两端要同时安置断流器,断流器要设置为相同的中断档位,并且断流器实施卫星同步中断。

三、DCVG检测流程

1、打开DCVG 主机箱,将探杖、探杖连线及DCVG 主机连接好,调整固定皮带的长度使检测人员能够舒适的观看DCVG 表盘,并使仪器能够固定在检测人员身上。

2、检测前打开DCVG 测量主机开关,调节到电池电量档位查看电池电量,确保电池电量充足。

3、将DCVG 主机的开关调节的“ON”档,打开一个探杖手柄上方的开关,调到第一档,调节DCVG 量程,对指针进行调整使模拟指针指在刻度盘中心。

4、检测人员背着检测设备沿管线路由以固定的间隔进行测量,测量的过程中要保证左探杖始终放置在管线路由的正上方,两个探杖可以在管线水平方向,也可以垂直方向检测。

5、在检测过程中如果发现有破损信号响应,需要对破损点进行精确定位。在信号响应最大的地方寻找等势点,两个等势点连线的垂线经过破损点,通过两次等势点的寻找就可以确定破损点的中心位置。

6、确定了破损点的中心位置后,需要进行破损点阳极倾向的判断,左探杖放置在破损点的中心右探杖放置距离破损点中心一米的位置,观察模拟指针表的摆动情况,通过指针摆动情况可判断破损点的阳极倾向。

7、在破损中心垂直管线上方测量,破损点中心到远地点的电压梯度。左探杖放在破损点中心,右探杖垂直管线方向测量,连续测量记录电压梯度值,当电压梯度值小于1mV 时就近似认为该点已经到达远地点位置。该值可以用来计算破损点的IR%降。

8、测量破损点的等势点,描绘出等势线后可以判断破损点的破损形态和破损点在管道环向的位置。

9、精确定位破损点、测量破损点处阳极倾向和破损点中心到远地点的电压梯度通过以上判定,可进一步的对管线的情况进行评估。

10、测量完毕,关闭电源,清理设备,将设备及连线整理后放入主机箱内。

11、填写使用记录。

3、外检人员配置

外检一般4个人就可进行,1个项目经理,2个项目成员,1个司机。

4、外检设备

PCM埋地管道外防腐层状态检测仪一般选用雷迪公司,参考价7万左右;DCVG直流电压梯度检测仪也一般选用雷迪公司,参考价12.6万左右。

二、管道内检测

1、漏磁检测器结构

漏磁检测器由机械载体和电气部分组成,见图2。机械载体构成了漏磁检测器的基本框架,包括检测器骨架、驱动皮碗、钢刷、永久磁铁及铁芯、万向节、里程轮和密封舱等。电气部分由探头(主探头和ID/OD探头)、信号集中处理模块(采用霍尔探头时采用)、电子包、电池包、里程传感器、温度压力差压传感器、线束(HARNESS)组成。

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图2 漏磁检测器结构

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2、漏磁检测技术原理

检测器自身携带的磁铁将管壁饱和磁化,在管壁的全圆周上形成一个纵向的磁场回路。当管壁没有缺陷时,所有的磁力线将包容在管壁内。如果管内壁或外壁有缺陷,管壁内的磁力线将围着缺陷重新分布,结果是一部分磁力线泄露出来,进入到周围介质,这就是所谓的漏磁场(Magnetic Flux Leakage—MFL)如图3所示。泄漏的磁场被位于磁极之间的、紧贴

管壁的磁场传感器检测到,输出相应的感应信号。这些信号经过滤波、放大、转换等处理,被记录到大容量存储器中,检测结束后经数据分析系统处理,对其进行判断识别。

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无缺陷物质磁场有缺陷物质磁场

图3 漏磁检测原理

2.1 漏磁信号

主探头分为线圈式和霍尔元件式。线圈式探头的工作原理是当探头通过漏磁信号区时,通过线圈的磁通量发生变化,根据电磁感应定律在线圈的两端感应出电压u:

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式中:Φ为穿过探头单匝线圈的磁通量;n为探头线圈匝数;“一”号指与磁通量的变化趋势相反。

霍尔元件传感器通过霍尔效应的原理对磁场强度进行直接测量。霍尔效应产生的电压U由下式决定:

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式中:R

为霍尔系数;J为电流密度;B为磁通密度。

h

霍尔元件式探头能够测量静态磁场,不受检测器运行速度的影响,直接将漏

磁场的磁感应强度转变成相应的电压值,比线圈式探头适应性更强。

图4(a)、图4(C)为线圈不同的放置方式对缺陷漏磁场的信号作用。根据采样定理,应选择线圈垂直于管壁的放置方式。这样在相同的采样距离下有利于对漏磁场的描绘,能够更真实的反映缺陷的情况。图4(b)、图4(d)为用霍尔元件对缺陷处的漏磁场测量的波形描述。这两种传感器作用都是用来检测缺陷处的磁场变化的。

线圈式的优点是不受温度影响,不需要外界提供电源,同时通过改变线圈的形式可以有效抑制噪音,缺点是线圈式传感器受检测器运行速度的影响,其反映的是缺陷处磁场对传感器磁通量的变化率,不能直接反映缺陷处磁场分布的真实情况。

霍尔式传感器需要外部电源供应,每个霍尔传感器的功耗大约为40 n1W,其对于电池电量的消耗不利于超长距离管道的检测。同时,霍尔元件的输出还受温度影响,一般情况下,每变化1℃输出变化10%。但霍尔式传感器直接测量缺陷处的磁场强度,能够更精确地反映缺陷处的磁场变化。

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图4 漏磁信号特征

由于磁铁随检测器在管道内运行过程中,在管壁上产生涡流,受涡流的影响,漏磁场的磁场强度会降低,因而在实施检测前,模拟检测器在施工现场的运行速度进行牵拉试验,建立数据模型是必要的。

2.2 区分内外缺陷

ID/OD探头的原理是利用较弱的局部磁场磁化管道的内壁,形成局部小磁场区,当管道内壁出现缺陷时,局部小磁场区的磁场被扰动,通过ID/OD探头探测这种扰动,从而发现缺陷。由于形成局部小磁场区的磁铁非常弱,管道外壁的缺陷对该局部磁场区不能产生扰动,也就不能探测到管壁外部的磁场,从而区

分管道内外缺陷。

2.3 里程传感器

里程轮是管道检测器的重要组成部分,它为管道检测器提供采样脉冲信号,并为检测到的管道特征提供精确的里程定位。里程轮传感器一般是由磁铁和霍尔元件传感器组成。

2.4 地面标记系统

地面标记系统可以获得被检测管道每点的相对位置信息。尤其是在对管道的缺陷进行维修时,要对其准确定位,除了依靠检测器的里程传感器测量管道的距离,还需要地面标记系统提供参考点,为需要开挖维修的管道缺陷提供近距离相对位置参考,提高定位精度。

检测器在管道内运行时,需要使用地面标记器沿管道上的永久标记点对检测器进行跟踪设标。一般选择管道里程桩作为标记点。投运检测器前,首先利用基准时钟对地面标记器和检测器电子包的时钟进行同步。检测结束后,将地面标记器所记录的检测器在每个跟踪点上通过的时间信息导入检测数据中,这样就得到了管道上的每点到地面最近参考点的相对距离。管道的相对于参考点的位置信息对于指导缺陷点的开挖修补、维护具有非常重要的作用。

2.5 数据分析系统

在管道检测实施前,必须通过牵拉试验建立针对被检测管道的缺陷数据库。酋先,在实验管道上设计人工缺陷,模拟检测器在管道内可能的运行速度进行牵拉试验,然后对所有的缺陷数据进行量化统计,得到缺陷量化模型,结合数据分析软件,完成对管道上的缺陷的量化与统计,对含缺陷的管道进行完整性评价,使业主充分了解所经营管道的运营状态,为管道运营单位提供完整性管理建议。

含缺陷管道的完整性评价包括管道缺陷的评价,管道缺陷剩余寿命预测和维护维修建议。

2.5.1 管道缺陷的评价

通过相成的评价方法计算出缺陷处的最大安全压力,根据最大安全压力和管道的最大允许操作压力(MAOP)的比值,得到缺陷的维修系数(ERF值),维护维修系数是管道进行维护维修的重要参考依据。

2.5.2 管道缺陷剩余寿命预测

使用基于概率模型的方法稳基于两次或多次检测间隔的两种方法,对管道缺陷进行剩余寿命预测。

管道缺陷剩余寿命预测的基本步骤:

(1)建立管线腐蚀速率的概率分布模型,其方法是利用管道腐蚀检测数据和服役年限,通过统计分析,利用数学方法进行拟合,找出其概率分布规律;

(2)通过剩余强度评价,确定出缺陷极限尺寸;

(3)计算得出管道失效概率随时间变化规律;

(4)给定目标可靠度,确定对应的失效概率,通过确定合适的可接受失效概率就可以对管道的剩余寿命进行预测,为管道再检测周期的确实提供依据。

2.5.3 维护维修建议

对管道强度的计算和寿命预测后,根据管道维护维修标准,结合运营单位的维修成本及维修计划、响应时间的要求,在保证管道安全运营的前提下,使用分析软件的维护维修建议模块为运营单位提供合理可靠的服务,保证管道经济安全可靠运行。

3、管道内检测步骤:

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3.1 清管

在管道内检测之前,需对管道进行清理,管道清洗的目的是净化管道、设备和工艺,以循序渐进的方法从输油、输气管道中去除污物、沉淀物、氧化铁堆积物,对于减缓内腐蚀、提高管道输送量、保障管道安全运营都有十分重要的作用。同时也是检测做好准备,增加检测精度。

管道清管服务通常采用渐进式清管。渐进式清管,通常是在管道运行不停产的状态下,通过逐渐提高清管球的尺寸大小和密度,按顺序对管道进行清理,目的是在避免堵管风险情况下将管道清理干净,确认管道具备通过几何测径检测器和智能检测器的条件。从管道内清理出沉积物,能确保几何测径检测器取得可靠变形数据,还是智能内检测取得良好检测结果的关键保障。少量的碎片、油泥、结蜡,在检测过程中,累积在传感器周边会引起错误的数据,甚至无数据。

管道沉积物

油气管道内常见沉积物:

–结蜡

–沙

–油垢

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清管器的选型和清管次数:

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3.2 几何测径(变形检测)

当确认管线清洁后,运行测径球,用于验证管线的内径通球几何尺寸。不能被校准的阀门、凹坑、弯头或者其它的障碍物/嵌入物都会被检测出。如果要进一步了解整条管线不同位置的内径几何尺寸变化,需要采用智能几何测径检测器进行检测,可以检测并记录每个几何变化的程度和位置。智能几何测径检测器可以独立运行,或几何测径器的功能包含在智能内检测器上,同时获取管道几何变形数据。