IR降消除技术在长输管道上的应用研究剖析.pdf
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1、IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研 第一章IR降的产生及危害 1.1 IR 降的产生 所谓 IR 降系指电流在介质中流动所形成的电阻压降, 给电位测量结果造成误差, 通 常都在几十mV 到几百 mV 之间 , 当电阻率很高时几千mV 也会出现。 由于 IR 降在阴极保护电位测量中难以避免,所以消除IR 降的测量技术就成了各国腐蚀 专家的首要任务,二十世纪七、八十年代IR 降问题曾引起国际腐蚀界关于阴极保护准则的 大讨论,最终以NACE RP 016992 的修订而告终。针对新的准则制订了测试方法标准 NACE TM 0497 和 NACE TM 0101。在这些标准中, 都对测量中
2、的 IR 降加以限定 , 一般条件下可用断 电法 , 对于有干扰存在时就必须使用试片或探头断电法。 1.2 IR 降的定性分析 在不存在接地保护装置牺牲阳极系统及杂散电流影响的管段 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 1 IR 降 U=IR 其中 I 为流过土壤中的阴极保护电流,R为该段土壤的电阻。 h 代表管道的埋深,s 代表参比跟地面的接触面积。 I=i*s,其中 i 代表管道阴极保护的电流密度; R=p*h/s ,其中 代表土壤电阻率,h 代表管道埋深; 则 U=i* *h。 U的大小只跟i 、 h 有关。 按资料,对于3PE涂层管道保护电流密度一般为 1 mA/m 2。那
3、么对于 =100 m ,埋 深为 2m的管道,在防腐层缺陷附近,无接地保护装置牺牲阳极系统及杂散电流影响的情况 下,其 IR 降为 200mV 。 1.3 IR 降危害实例 1.3.1 四川气田榕佛管道 1999 年 3 月,德国PIPETRONIX公司对已运行20 年的四川气田南干线榕山至佛荫段管 道进行了智能清管检测。榕山至佛荫段管道处于浅丘地区,管径720mm 、全长 25.4km、管材 16Mn 、螺旋焊缝管、设计压力4.0MPa、外防腐层为石油沥青加强级,于1979 年 7 月投入运 行。检测显示:(1)在原认为采用涂层加阴极保护方式,长期认真监测通电电位Von 均负于 -0.85V
4、 ,阴极保护充分的管道上却发生了严重的外腐蚀及穿孔,453 处明显的外腐蚀区,其 中穿孔 1 处,大于壁厚50腐蚀区3 处; (2)原管道极化电位Voff在 -0.7 0.78V 之间,没 有达到保护电位,管道长期处于欠保护状,未达到阴极保护应有的效果;(3)腐蚀坑集中分 布于石油沥青防腐层破损处,涂层完好的地方管道没有发生腐蚀。 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 2 1.3.2 利比亚西部管道 利比亚西部管道平行敷设两条不同管径的原油管道和天然气管道,处于沙漠地区, 土壤 电阻率很高,中国石油天然气管道工程有限公司的测试显示,管道的IR 降处于530mV 到 1040mV之间
5、。 1.3.3 德国 PLE公司管道 德国 PLE公司曾在 60年代, 对他们所辖管道上进行了IR 降的研究和评价, 发现在 -0.85V 电位保护下,管道腐蚀仍很严重。当他们采用消除IR 降成分的方法重新评价这些管道时, 只有 60的管道达到了真正的保护(-0.85V ) 。在保温夹克管测试中,由于防腐保温层绝缘 电阻很大, 测得的保护电位偏负许多,有些超过一2OV甚至更负, 但管道有的仍发生腐蚀, 也是 IR 降引起的。在沥青、水泥路面上方测得的电位,明显负于相邻测试桩测得的电位 值,这也是由于沥青和水泥高电阻引起 IR 降的结果。 第二章现有电位测量中IR 降消除方法 IR 降是由参数
6、I 和 R 共同作用的结果, 因此消除 IR 降的方法也应从消除或降低这 两个参数着手。 目前人们所采用的排除或减小 I R降的方法主要有:断电法、 试片断电法、 脉冲技术、极化探头法、 原位参比法 ( 近参比法 ) 、 土壤电位梯度技术、 交流电技术等。 在 NACE TM 0497中重点推荐使用的也是断电法。只要条件允许,采用断电法可以测出管道 的真实电位,但在实践中,受管道周围条件所限,断电法却往往也不尽人意。NACE TM 0497 指出: “如果有杂散电流、或牺牲阳极与管道直接相连、或存在外部强制电流设备并且不能 被中断的话。 很难得到理想的测量结果,或者说测量结果无法分析”不得不采
7、用试片或探头 来测量管道的真实电位。 2.1 瞬间断电法 断电意味着I 0,因而 IR0。断电之后,管道电位立即降落下来,然后再慢慢衰减。 前面这一电位瞬间急落便是IR 降成分。 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 3 图 断电后去极化曲线 2.2 试片断电法 试片断电法是在测试点处埋设一裸试片,其材质、 埋设状态和管道相同,试片和管道通 过电缆连接, , 这样就模拟了一个覆盖层缺陷,由管道的保护电流进行极化,在试片上部用 一支硬塑料管直达地面 , 在管中填满导电性材料, 测量时把参比电极放在塑料管的顶部 , 由 于试片与参比电极间的电阻较小所以 IR 降也小。测量时,只需断开试
8、片和管道的连接导线, 就可测得试片的断电电位,从而避免了切断管道主保护电流及其它电连接的麻烦,杂散电流 的影响亦小,可忽略不计,而且不存在断电后的极化率差异的宏电池作用。 2.3 极化探头法 极化探头法类似试片断电法。采用极化探头进行电位测量,极化试片平时用导线与管道 相连, 使试片受到与管道同样程度的极化。测量时断开试片与管道的连接,切断试片的阴极 保护电流,立即进行电位测量,得到极化试片断电电位。此即为极化探头法。 极化探头原理图 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 4 极化电位测试探头接线示意 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 5 2.4 近参比法 因参比电
9、极和被测表面间土壤电阻(R)变小,而使IR 降减至最小。 该法可以在工程实践中推广试行,具有参比点位置固定的特点,克服了地表参比点位置 差异可能造成的误差,提高了数据的可比性。不过,对于高电阻、大电流状态下,且参比电 极位置又没对准覆盖层缺陷时,IR 降误差仍然存在,这是因为IR 降主要产生在被测表面的 头几个毫米位置上。 2.5 密间隔电位测试法( CIPS法) 密间隔电位测试就是将参比电极沿管道移动 , 使用数据采集器间隔 1 2 m连续读取并 存储管地电位数据 , 通过专用软件 , 绘出连续的管地电位曲线。这样 , 就可以得到整条管线 完整的阴极保护电位分布曲线。 为了消除土壤 I R降
10、的影响 , 测取外加电流阴极保护系统下的真实管地电位 (OFF 电 位 ) ,测试时数据采集器一端与参比电极相连 , 另一端通过电缆与管道测试桩相连 , 在阴 极保护阳极地床到恒电位仪之间串接一个中断器 , 测量前数据采集器应通过全球 GPS 定位 系统与另外两端送电的 CP 站实现中断器的同步。测量时 , 操作人员沿管道行走 , 在管道的 正上方每隔 1m 左右移动参比电极 , 测取中断器通断下的管地 ON /OFF 电位 , 根据 ON /OFF 电位的变化情况来评价管道的阴极保护情况。 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 6 2.6 加强测试法 测量管顶上方管地电位,同时测
11、量出相对应的与管道垂直的(间隔 10m)电位梯度,经 计算获得消除 IR 降的管道 / 土壤界面电位的测量技术。用于修正测试防腐层破损点多的管 段的断电电位。 计算公式为 VIR-free A测量点的消除IR 降电位, mV 。 Von A测量点的通电电位,mV ; Voff A测量点的断电电位,mV ; Von 通电状态下,A与 B两测量点间的直流地电位梯度,mV ; Voff 断电状态下,A与 B两测量点间的直流地电位梯度,mV ; IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 7 第三章IR降消除方法的应用与比较 3.1 克轮线消除 IR 降实验(近参比法、瞬间断电法) 在克轮输气管
12、线开挖验证和防腐层修复现场,管道破损点段被整体挖出,利用该条件, 分别使用地表参比法、近参比法、瞬间断电法进行了测试:(使用接地摇表测量该地土壤电 阻率为 31?m ) 近参比法、断电法实验步骤: (1)在管道防腐层破损点处进行简单打磨处理,暴露钢管。 (2)将万能表正极插用力压到钢管上,万能表负极接便携式参比电极。 (3)将参比电极放置在紧贴管道防腐层处(留有少许土壤) ,并将参比电极下部分用土 埋好,少量浇水,读取万能表读数,记为近参比法电位。 (4)将参比电极放在管道正上方的管堤上,少量浇水,读取万能表读数,记为通电电 位。 (5)使用手机与守候在末站恒电位仪前的人员联系,切断恒电位仪开
13、关。过程中用相 机全程拍摄万能表的读数变化。通过分析拍摄下的视频确定断电电位:视读数第一次变化的 时刻为断电时刻,第二次电位变化的时刻视为IR 降消除的时刻,该电位视为断电电位。 断电电位的读取问题: 不论是在极化建立或是衰减瞬间都会产生很强的电位脉冲,不同环境、 规格和涂层种类 的管道脉冲强度不同,时间参数也不同,为避免电位脉冲对测试结果产生影响,根据现场所 用万用表的响应时间及管道的实际状况,确定读数的时刻。 虽然不同文献中,50ms到 100ms、500ms读数时刻都被推荐过,但读数差距不大。在现 有的实验条件下, 我们根据北京安科公司的经验,取断电后万能表的第二次变化时刻为断电 电位读
14、数时刻。 IR 降消除技术在塔里木油田长输管道上的应用研究 8 图通电电位Von 图断电电位Voff (视频截图) 注:在现有条件下,为了把握合适的断电电位测试时刻,我们用视频功能将断电电位的变 化记录下来,根据断电去极化衰减曲线(如下) ,取了断电后电位第二次变化的数值作为断 电电位。 图使用电位记录仪得到的去极化衰减曲线 使用近参比法和瞬间断电法消除IR 降的比较 位置地表参比法 /V 近参比法 /V 瞬间断电法 /V 近参比法IR 降 /V 瞬间断电法IR 降/V 109#+970m -1.326 -1.326 -1.102 0 0.225 110#+300m -1.328 -1.327
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