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PCM技术在埋地管道检测中的运用

近年来,随着通辽市的快速发展,天然气作为一种新能源进入了千家万户,为群众带来了极大便利,同时由于中压燃气主管道大都埋在地下,故存在着诸多安全隐患。为了对本市区现有的天然气管道进行有效、科学的检验,确保管道的安全运行,通辽市特种设备检验人员不断培训学习,逐步掌握了目前国内比较先进的检测手段。而其中最关键的一项技术就是埋地管道PCM检测。
一、PCM检测技术特点
通辽市天然气由新奥燃气公司铺设,其中大部分都是埋地管道,由于埋地铺设,地理环境复杂多变,不适合运用常规方法进行检验。随着时间的推移,在施工、土壤腐蚀、地面沉降等因素影响下,管道的防腐层会发生老化、发脆、剥离、脱落,造成管道的腐蚀、穿孔,从而引起泄漏。
经过对埋地管道事故大量的统计分析表明,埋地钢质管道的腐蚀是一个普遍存在的问题,而且也是导致事故的重要原因。所以,确保埋地钢质管道外覆盖层具有良好的性能状态,检测并掌握好管道外覆盖层的安全质量状况,是管道能否安全运行的关键因素,也成为管道使用单位、检验检测单位与政府相关职能部门关心的问题所在。因此,PCM检测技术应运而生。
PCM是PipelineCurrentMapper的简称,即为管中电流法或多频管中电流法,主要是测量管道中电流衰减梯度,因此也称为电流梯度法。它是一种通过分析地下管道中电流的变化来研究埋地管道防腐层状况的不开挖检测技术,既可进行管道定位又可用于管道防腐层状况检测,解决了以往埋地管道在非开挖状况下无法检验的难题。
二、PCM系统的组成及其检测原理
PCM检测原理见下图。
 
在具有防腐层的埋地管道上施加某一特定频率或多个频率的激励电流信号(近似直流的4Hz信号电流和128Hz/640Hz的定位电流),激励电流信号自发射点开始将沿管道向两侧传输,由于管道与地面之间存在分布电容及防腐层电阻,所施加的电流信号强度沿管道随着距离的增长呈缓慢的指数衰减趋势。利用管道上方接收机能准确地探测到经管道传送的电流信号,通过跟踪和采集该信号,测绘出管道各处的电流强度,可以进行管道路线定位和深度测量。对于同一条管
道,在管径、材质、土壤环境不变的情况下,电流在沿管道传送的过程中逐渐衰减变化与管道防腐层的绝缘电阻率有关,电流信号在管道外防腐层完好时,传播过程中呈指数规律缓慢衰减,防腐层绝缘性较好;反之,当防腐层不好或存在缺陷时,电流就会加速衰减,防腐层品质较差。反映电流衰减变化的关系式为:
I=Ioe-αx
式中:I为在管道上方读取的任意一点的电流强度值,A;Io为发射机向管道发射的电流值,A;x为测量点到发射机发射点的距离,m;α为衰减系数(与管道防腐层的绝缘电阻率、管道的直径、厚度和材质等有关)。管道中的电流值对数与管道的距离呈线性关系变化,管道中电流值的对数线性斜率的大小是由管道防腐层的电阻率决定的。单位距离的电流变化率与距离之间的关系是一条水平直线。
当管道防腐层破损后,电流信号便由防腐层破损点泄漏入土壤,这样在管道破损点和土壤之间就会存在电压差,由此可初步判定出管道防腐层的异常位置。而且由于越在接近破损点的部位,电压差也就最大,此时就可以利用“A字架”在埋设管道的地面上检测到这种电位异常,即可对防腐层的破损点进行精确定位。    PCM还可以在给定频率下,根据电流衰减率的变化测定出埋地管道等距离点的X,Y值,通过计算机程序处理分析后,进而可以计算出各管段的外防腐层绝缘电阻Rg,然后根据Rg值参照管道外防腐层绝缘电阻评估标准,就可以对管道防腐层划分技术等级,从而实现对管道外防腐层的质量状况综合评估。
三、PCM检测技术的操作要点和影响因素
1、熟悉管线情况
在开始检测一条埋地管道之前,应尽可能多地了解关于这条管道的相关信息,如管道的分布范围、管道的运行状况、被检管道区域内的其他管线分布状况,以及阀门、管线阴极保护检测桩、牺牲阳极的位置、管线连接点的大致位置等其他相关的数据。同时应该参考日常的自检记录,如阴极保护电位的测量结果、曾被开挖和修复过的防护层地点和时间,以及开挖过程中发现破损的严重程度、原因和修复结果等相关报告。
2、地极的合理选择
由于地极是管中信号电流经由土壤流回发射机的途径,所以必须与目标管线绝缘良好。为了保证能够施加足够大的信号电流,地极点的选择应该尽量使回路电阻比较小。其一,地极点应当选择在管道简单、附近管道无接地点的位置上,应该尽可能打得深一些。其二,地极一般在距检测管线的垂直方向30m~50m以外的地方,尽量采用单独的低阻抗接地物,不能连接在管道或其他金属构件上,以免信号传入测量区产生干扰。如果现场附近有池塘、水沟、建筑物的接地线、避雷针地极等易于导电的装置,也可利用它们作为地级。其三,接好地极之后,应检查接地回路电阻,回路电阻应在数十欧姆至数百欧姆之间。当回路电阻过大时无法在目标管线得到理想的信号电流,此时,可用给地极浇水,增加地极数量等办法来降低接地电阻。
3、检测信号频率的选择
进行防腐层检测,检测电流频率一般采用ELF带方向(128Hz+4Hz)或LF带方向(640Hz+4Hz+8Hz)的信号供入(对于要应用A字架进行破损点定位的,发射机的信号频率只能放在两个带电流方向的档上)。使用中当128Hz的定位频率上干扰较强可能影响电流测量时,改用640Hz的定位频率,以避开外界的干扰频率。当检测的管道很长,同时管道上的埋设条件不很复杂时,检测信号频率可采用EIF(128Hz+4Hz)。
4、信号接入点的选择
发射机为管道提供信号的原则是要尽量使管道上有较强的信号电流,并避开或降低其他信号干扰,使相邻伴行管线尽量没有信号,或使其他管线的信号最小。一是要尽量选择管道分布简单、防腐状况较好的管段,位置可以是在阴极保护的检测桩上、阴保站内的保护电流输入点位置(此时应关掉恒电位仪或整流器,去掉联机)、管线可能的阀门设施或其他的易于施加信号的地方等。二是如果待测管道有多个供入点可供选择时,要尽量选择管道分布最稀疏、防护层状况较好的位置作为供入点。三是多条管线一端相连时,尽量在不连的一端供入检测信号。目标管在线若有绝缘法兰时,一定要将信号施加在法兰的前端。四是如果将要检测的管段附近没有测试桩和阀门,可以寻找一处裸露于地表的管道,刮破一块防腐层,将信号夹钳用磁铁吸附于管体上,也可以在跨越的管道上破坏一小处防腐层,用绳子将信号夹钳固定在管体上。
5、检测电流值大小
发射机的信号强度值要满足检测需求,但并非越大越好。当较大的信号强度太大时,会使发射机发热量过大,缩短机器的工作寿命,但是管道中的传输电流会随着距离的增大而逐渐减小,信号强度太小则无法完成检测工作。经检测、验证,当低频交流信号的工作频率确定为128Hz,电流的大小必须保证在测试区间内管道有足够的剩余电流强度(>lmA),才能较好地进行管道外防腐层整体性能评价,否则防护层等级划分结果便会失真。
四、PCM检测中应注意的事项
1、一些军用或民用信号的传送通常使用大功率的发射机,如其发射站建在待检测管线的附近时,它发射的部分信号与PCM的低频/超低频信号重叠,形成伪信号将会对管线的检测结果产生一定的影响。我们可以通过如下方法消除干扰:首先关掉信号发射机,外部的信号还连续不断地出现,那么真正的PCM信号电流值就应该是去掉外界信号电流值以后所得到的。PCM接收机会自动消除较小的干扰信号,但当干扰信号过强时,对测量结果会产生影响。正常高度的架空线一般不会影响读数,如果架空线在3m~5m的范围内,可能会干扰系统的测量结果。
2、在检测管线的拐点、支管(三通)接头等地段,由于信号磁场会出现一些畸变,常常会在交叉点引起电信号急剧下降或局部失真,但通过开挖却未发现外防腐层异常。这是因为临近部分的电磁信号形成回路并相互干扰的结果。所以检测点的选取应尽可能在离交叉点或弯曲点处至少5m的距离外。
3、测量点附近若存在高压线路、电气化铁路、大构筑物接地、金属物体等外界电磁干扰时,就会产生类似于临近地下管线磁场的作用,使检测数据失真,所以在PCM检测中,要尽量避免这些检测点。除此之外,还要考虑土壤泄漏电流产生的电流畸变和地极选取位置对检测信号的影响。在评价过程中,需要考虑各种影响因素,对各种干扰数据进行合理取舍,才能得到真实的反映油气管道外防腐层的性能。
4、接收机进行定位、测深、测电流时应尽量避开信号供入点、三通、弯头等可能出现电流干扰异常处。接收机在进行电流测量时,如果用峰/零值定位的位置是重合的,证明管线定位准确,检测的电流资料没有受到干扰;如果两个位置不重合,则可能有伴行管线或有其他干扰存在;当峰/零值定位差大于20cm以上时,说明管线的干扰较大,管线定位不准确,因而所测的电流值往往不准,这时应另选信号采集点避开干扰;当干扰严重,在一段距离内都无法准确测量电流值时,应改变施加信号的方法,重新进行测量。
五、结论
(1)PCM检测系统能够精确定位管道并准确测量管道线埋深,能够对现有的大部分埋地管道进行非开挖性检测,这对于及时了解管道的安全状况,消除可能存在的外防腐层破损、管道泄漏等安全隐患起到了重要的防护作用。
(2)能给出管线电流分布和电流方向,从而可以整体评估管道防腐层状况及阴极保护的有效性。
(3)能够有效地评价埋地钢质管道外覆盖层的安全质量状况的方法是进行安全质量分级,并按照不同级别确定相应的安全运行维护策略。
(4)当需检测管段处于高压线等强电干扰区时,就无法工作。该系统在实际应用中,劳动强度大,尤其对故障定位较麻烦。对防腐层破损点的精确定位和判断仍有局限性,对破损面积较小的故障难以确定。因此建议在精确定位破损点以后,采用DCVG+CIPS对破损点大小进行计算,从而决定开挖的优先次序,最大限度地降低开挖成本。

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