埋地管道检测技术（专题）

1 埋地钢质管道检测技术
2 埋地非金属管道检测技术
3 埋地排水管道内窥检测技术
（1）CCTV检测技术
（2）声纳检测技术
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技术支持： 北京派普克

一 埋地管道外检测技术
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,本节重点介绍管道外的腐蚀检测方法,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。多年来国内外的管道运营公司和科技工作者在上述内容的检测上积累了丰富经验,并总结和发明了多种检测方法,这对于我国的埋地管线的防护提供了宝贵的经验和借鉴。
1 　埋地管道敷设环境调查
城市燃气钢质管道基本上采用埋地敷设方式,其主要的腐蚀是化学腐蚀与电化学腐蚀。因而对管道经过地区的土壤环境调查,是考察管道安全状况的重要因素,也是进行埋地钢质管道外覆盖层安全质量状况须考虑的因素。目前,埋地钢质管道经过土壤腐蚀性能和杂散电流情况的调查,按照国内现行国家与行业有关规范的要求,土壤电阻率与杂散电流是反映土壤腐蚀性的重要因素。通常采用Winner 四极法与杂散电流测试仪(SCM) 来进行测试,并对其进行分级。杂散电流测试仪见图3-1 ,它是检测杂散电流的安全和高效的设备。

图3-1 杂散电流测试仪
2 　埋地钢质管道外覆盖层的检测技术
2. 1 　交流电流衰减检测技术
交流电衰减检测用于总体评价管道外覆盖层并确定外覆盖层破损点。当电流施加在管道上时,根据电流衰减变化的大小探测外覆盖层绝缘电阻和破损点,还能提供其它信息,包括管道埋深、分支位置、搭接面积和电导系数等,也能区别单个异常点与连续的外覆盖层破损区域。交流电衰减法适用于能传递电磁信号的任何覆土层下的金属管道,如冰、水及混凝土等,但需要管道连接点。以电流衰减率为原理开发的仪器主要有英国RADIODETECTION 公司开发的RD4002PCM 和DYNALO G 公司生产的C2SCAN 系列仪器。RD4002PCM 的4Hz 频率和C2SCAN 的973. 5Hz频率得到了NACE RP050222002《管道外壁腐蚀直接评价方法的推荐做法》标准的推荐。C2SCAN 仪器带有测量检测间距的全球卫星定位系统( GPS) ,能标志破损点位置。
2.1.1 C2Scan 技术
C2Scan 扫描是利用电流衰减原理进行地下管线位置走向探测和防腐层的绝缘状况评价及寻找破损点的技术。该方法采用五根垂直阵列天线,不但提高了探测精度,而且使得确定管道位置更加方便。具有自动识别干扰信号并提示的能力。与其它方法相比,检测精度高,操作成本低,对操作人员技术依赖性不大。
C2Scan 管线巡检系统是在地面上对埋地管线的防腐层状况进行定位和评价的仪器。因为C2Scan 是非接触系统,可在水泥、冰、沙漠、道路、沼泽及水等上面进行测量。它在管线上方可探测至下方10 m 深(有时甚至达到15 m 深) 的管道。
该仪器引导检测人员接近埋地管线,定位出平面和深度的位置,利用内置的GPS 系统存储每一个测量点的位置数据,采集大量的信号读数并以字母数字或者图表显示数据。数据包括地图和管线深度轮廓、每一段管线防腐层的状况及涂敷层电导率(μS/ m2 ) 曲线,并且一段接一段地进行巡检。在“近间距”模式下,C2Scan 将显示某个防腐层缺陷的位置和相对严重程度,以便必要时开挖和修复。所测量的数据是绝对的,所以可以对同一管线不同时期的检测结果进行比较,以显示腐蚀随时间的变化情况。所有的测量数据可存储在仪器内并可随时显示。通过使用C2Scan 配套的专门处理软件,可以直接将数据传输给计算机用于打印和将来的分析处理。
2.1.2 多频管中电流检测技术( PCM)
多频管中电流法是一项检测埋地管道防腐层漏电状况的技态,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,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3-2 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。

图3－2埋地管道外防腐层状态检测仪
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。
图3-3 是实测中对防腐层状况评价及其对应的典型电流变化曲线。图3a 中防腐层破损,电流下降大;图3b 中防腐层完好,电流下降小;图3c 中防腐层完好与破损并存,破损处电流急剧下降;图3d 中有金属管搭接或防腐层剥落,电流损失严重。

(a) 防腐层破损 (b) 防腐层完好


(c) 防腐层完好与破损并存 (d) 有金属管搭接或防腐层剥落

图3-3 　不同防腐层状况对应的电流衰减图
2. 2 　PEARSON( PS) 皮尔逊检测技术
PEARSON 法检测基本原理是,当一个交流信号加在金属管道上时,在防腐层破损处便会有电流泄漏入土壤中,这样在管道破损裸露点和土壤之间就会形成电压差,且在接近破损点的部位电压差最大,用仪器在埋设管道的地面上检测到这种电位异常,即可发现管道防腐层破损点,以该原理为基础的仪器目前国内外均有生产,最具有代表性的是江苏海安无线电仪器厂生产的SL 系列地下管道防腐层探测与检漏仪,它采用人体电容法来拾取信号,是国内长输管道运营单位常用的检测仪器。
该方法利用一个发射机, 发射一音频信号如1 000 Hz的交流信号与管道相连,如果管道防腐层完整良好,则信号沿管道传播,逐步减弱。如果管道防腐层有破损,信号将从破损处溢出管道,并在该处周围土壤中产生较强的磁场信号,当检测人员手持带有选频放大器的接收机在管道正上方行走时,接收机将对这一明显的溢出信号产生报警显示。检测人员可根据音频报警和电流信号的大小确定管道防腐层破损的位置。
使用该方法对管道防腐层检漏与检测人员的经验关系很大,有经验的检测者几乎可测到所有的埋地管道防腐层缺陷,并可判断其缺陷的程度,而缺乏经验者则往往不能得出正确的结论。该方法的缺点是极易受干扰,不适用于复杂的地理环境,而且必须全线行走检查,一般情况下只能定性,不能定量。该法较适于长距离埋地管道的定期检测。在新管道铺设的质量管理程序中,它作为维护管道防腐层完整无损的前提条件,被写入了新管道防腐层施工质量验收的前提条件。
通过现场应用表明,该种仪器检测深度> 5 m ,PEARSON ( SL22098) 和交流电流衰减法( RD4002PCM + A 字架) 定出的破损点位置和破损点大小基本吻合,适合于城市埋地钢质管道破损点的检测,具有较强的破损点定位能力与精度。
2. 3 电化学暂态检测技术
埋地管道防腐层缺陷包括防腐层破损和防腐层剥离两种情况。对于埋地管道防腐层缺陷检测,上述方法只能适用于防腐层的破损检测,不能检测管线涂层剥离的情况。近两年,人们采用电化学暂态检测技术对石油沥青防腐层缺陷进行了系统的研究,取得了一些有实际意义的结果。一种基于电化学暂态检测技术检测管道石油沥青防腐层破损和剥离的仪器在天津大学研制成功。
2. 3. 1 　防腐层缺陷的存在方式
埋地管道防腐层有四种可能存在的方式(图3-4) ,对于图4b 的状态,阴极保护体系可使保护电流流到这些破损点处,将金属极化到某个电位,通常为- 0. 85 V (Cu/ CuSO4 ) 或更低,使破损处的金属得到保护,免遭腐蚀。

图3-4 　防腐层可能存在的四种状态
与仅存在破损点相比,当防腐层出现剥离时,就会发生阴极保护屏蔽,阴极保护电流不能进入剥离层正下方的已暴露的金属,在此剥离区域内将产生腐蚀,如图3-5 所示,故比破损造成的后果更为严重。

图3-5 　防腐层剥离和阴极饱和屏蔽
2. 3. 2 　电化学暂态技术测试原理
图3-6 是不同状态防腐层的电化学等效电路。根据电化学参数值的不同,就可以进行管道防腐层的缺陷检测。

图3-6 　不同状态防腐层的电化学等效电路
Rs ———溶液电阻　Rf ———防腐层电阻
Cf ———防腐层电容　Rb ———剥离后防腐层反应电阻
Rp ———极化电阻　Cd ———界面电容
图3-7 是缺陷防腐层在某一频率恒流方波激励下产生的电位响应。防腐层出现破损时,界面电容Cd值低,极化电阻Rp 高;而防腐层仅出现剥离时,界

图3-7 　恒流方波激励及其电位响应曲线
面电容Cd 值高,极化电阻Rp 低。通过测量电位响应曲线及测出的电化学参数,就能分析与判断防腐层是否存在破损或剥离。
3 　阴极保护( CP) 检测技术
3.1管地电位( 保护、自然电位) 检测
3.1.1管地保护电位的检测
该方法是通过阴极保护系统设置的测试桩来进行检测。当管地电位相对Cu/ CuSO4 参比电极的电位为- 850～ - 1 250 mV 时,认为管道处于保护状态。当管地电位> - 850 mV 时,管道处于未保护状态,此时在管道表面可能有腐蚀发生,而当管地电位值< - 1 250 mV时,则在该处有过保护产生,有可能使防腐层与管道剥离。
阴极保护系统要求定期监测,对处于临界电位的地方要每月测试一次,以便了解该处的电位变化趋势和管理状态。
由于阴极保护是通过电化学极化的手段使管道表面阴极极化,使之处于热力学上的稳定态,从而遏制管道表面防腐层缺陷处金属的腐蚀,因此阴极保护的极化电流与管道表面的防腐层的完整状况密切相关,管道表面防腐层的缺陷越多所需要的阴极保护的电流密度就越大。通常防腐层缺陷决定了阴极保护的需求,而缺陷的尺寸和位置变化时,其阴极保护电位曲线也会发生变化。图3-8 和3-9 给出了防腐层与阴极保护电位的依存关系。
图3-9 表明对于埋地管道防腐层不良的系统其阴极保护电流密度值大大增加,在正常情况下每平方米管道表面的电流密度应控制在150～200 μA 范围以下。由此可见,阴极保护的管地电位值和电流值均可作为依据来判断埋地管道阴极保护的状态,尤其是管道外腐蚀层的优劣。
阴极保护参数测试方法的优点是在现场直接获取测试数据而无需开挖管道。但由于受测试点的局限(只能在有测试桩处测定) ,只能了解管道某一区间或范围内管道防腐层的状态,而不能准确定位防腐层缺陷。而对使用聚乙烯夹克、胶粘带类防腐层的管道,如防腐层已发生剥离,则会由于阴极保护的屏蔽作用,测试不出发生阴极剥离腐蚀的部位。


图3-8 　防腐层良好的管道“ON”电位曲线

图3-9 　不良防腐层系统的“ON”电位曲线

3. 1. 2 管道自然电位的检测
对无阴极保护或者牺牲阳极的保护系统,测出管体本身的自然电位,来和管体本身材料的标准电位来比较,从而确定管道是否有腐蚀或腐蚀倾向。
3. 2 　密间隔电位检测技术( CIPS)
密间隔电位测量法也是通过电位的测量来确定管道未保护和过保护的管段,其分析方法与常规阴极保护参数法相同。可判定管线的阴极保护效果和管道防腐层的状态。该方法是连续测量管地电位最广泛采用的技术,在测量管地电位时将拖线电缆接到管道测试桩上或直接接到管道上,测量时需使用的仪器有, ①同步计时器。保证通向管道的整流电源同步通断,否则峰值效应将分散在1 s 断电周期内而无法测到真实的断电电位。②数据记录器,其输入阻抗应> 107Ω。③参比电极为饱和硫酸铜电极。④测管器。⑤电脑及绘图机。测试方法如图3-10 所示。
CIPS 法测量时,需沿管道每隔0. 9～1. 8 m 测量一次管地电位,为测量真实的瞬间断电电位,需使用同步计时器开关与管道相连的所有直流电源,因此该法不适用牺牲阳极保护的管线,它无法保证同时通断流向管道的直流电源。采用便携式数据记录仪记录测试到的数据,参比电极要放在管道正上方并保证记录仪测量和存储数据。当间隔> 3. 05 m时,所测数据无意义。

图3-10 　密间隔电位测量示意图
在埋地管道防腐层缺陷周围,由于电流流向防腐层缺陷处,必然产生一个电位梯度场,该电位场的形状和位置将随防腐层缺陷的大小和管道上所处位置而变化。对于较大面积的缺陷,电流产生200～500 mV 的电位梯度,且当防腐层缺陷在管道不同位置时,其电位场中心的位置也不相同。
使用CIPS 法可辨别管道较严重的防腐层缺陷,但是对于埋地管道较小的防腐层缺陷缺乏敏感性,同时测不出阴极剥离下的缺陷位置;且需全线检测耗费时间和人力,同时其读数误差较大,对测试结果的判断常有干扰。
3. 3 　直流电压梯度检测技术(DCVG)
DCV G 技术的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入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DCV G检测仪,主要包括一个灵敏的毫伏表、两个Cu/ CuSO4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DCV G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019～1. 8 m 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。
DCV G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。还可通过电流的流入和流出准确判定管道的阳极和阴极位置,同时DCV G 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。该法检测精度要高于PEARSON 检测技术,抗干扰的能力较强,对平行管道的检测比较适用,且操作简便不需对操作人员进行专门培训。劳动强度低,但测量速度较慢,测量过程较复杂。
我国已进口有英国PIM 公司生产的DCV G 测试仪和加拿大CA TH2TECH 公司生产的HEX2CORDER DCV G/ CIPS。经实践,其定位管道外覆盖层破损点精度为±1. 5 m ,可用于管道防腐系统的评价。
3. 4 　DCVG和CIPS 综合检测技术
为克服单一检测技术的局限性,国外常采用几种方法同时检测的组合技术,将记录管道真实保护状态和防腐层缺陷定位、定量综合,但检测效率较低。DCV G和CIPS 综合检测技术是近年发展起来的防腐层破损地面检测技术。其步骤如下,先采用DCV G法进行测量,确定破损点准确位置以后,采用CIPS 检查保护程度和对缺陷定量。在破损点上方地表设置一个参比电极,与之相隔一定距离(沿与管道垂直方向) 再设置一个参比电极。测出两个参比电极的电位差( Eon 和Eoff ) ,并使用CIPS 设备测出参比电极1 点的通、断电电位,如图11 所示。按公式即可计算出防腐层破损点的等效圆直径。
DCV G与CIPS 法结合起来联合使用,能提高其检测结果的准确性。可确定缺陷(含微小缺陷) 分布以及阴极保护情况,实时储存及处理数据。
4 　埋地非金属管道的检测技术
现在国内常用的埋地非金属压力管道有PE管、PVC 管、夹砂玻璃钢管及钢骨架PE 管等,使用压力多在1. 0～2. 5 MPa ,直径在400～1 000 mm ,具有管道材质好、耐温性好和耐腐蚀性好等特点。埋地非金属管道的检测主要是探明管道的埋深、走向、变形和是否有泄漏等。现在比较通用的非金属管道走向和埋深的检测方法是示踪法和雷达探测法等。示踪法就是放置一个探头在管道中游走,通过检测探头的有关参数来确定管道位置。管道的变形情况的检测是通过放置红外管道检测机器人来实现的。非金属管道泄漏的检测,主要是用对泄漏介质敏感的气敏仪检测。
现有一种PipeHawk 地下管线探测系统,它能探测最小管径为18 mm、最大管径为1 m ,目标物的水平位置和深度< 3 m 的各种管道。探地雷达的工作原理是,通过天线向地下发射一个快速上升的电磁脉冲,该脉冲因地下介质介电常数的变化而产生散射,将一小部分能量反射回雷达天线,由天线接收后传送到数字信号处理硬件,经计算机处理后就能得到管道的具体位置。

图3-11 破损缺陷定量检测示意图

5 　结语
(1) 土壤环境分析、外覆盖层检测和阴极保护检测等不开挖无损检测技术对确保在用埋地管道的安全运行起到了十分重要的作用。
(2) 土壤环境分析主要是调查土壤腐蚀性能和杂散电流情况,土壤电阻率与杂散电流是反映土壤腐蚀性的重要因素,通常采用Winner 四极法与杂散电流测试仪来进行测试。
(3) 外覆盖层检测的目的是评价管道外覆盖层的完好状态,并确定外覆盖层破损点的位置,主要包括交流电衰减检测技术、皮尔逊检测技术和电化学暂态检测技术,其中采用交流电衰减检测原理的C2SCAN 技术的探测精度和检测效率最好。
(4) 阴极保护检测技术用来诊断管道的阴极保护状态,有管地电位检测法、密间隔电位检测法、直流电压梯度检测法和这几种技术组合的综合检测方法,其中综合方法可提高检测的准确性。