密间隔电位的埋地管道防腐层破损检测方法

刘博闻，杨理践

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳110870)

密间隔电位的埋地管道防腐层破损检测方法

刘博闻，杨理践*

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳110870)

密间隔电位检测技术CIPS(Close-Interval Potential Survey)是一种通过采集管道通断电位来判断埋地管道防腐层破损的检测方法，针对CIPS中电位采集的问题，提出了一种利用瞬时断电、延后采集、卫星同步法采集电位的CIPS技术。研究了密间隔电位检测中消除土壤上产生的电压(IR)的方法和通断电位采集时间点的选择问题，设计了以单片机为控制芯片的密间隔电位检测系统。结果表明，该系统可以正确地检测出埋地管道防腐层的破损，破损点定位精度为0.1 m，可分辨的最小缺陷半径为1.4 cm。

埋地管道防腐层破损;电位采集;密间隔电位检测;电压降;时间同步

密间隔电位检测技术(CIPS)属于管道外检测技术，由于不需要挖开覆盖在管道上方的土壤即可检测防腐层破损情况，因此极大地节约了人力物力，它通过在地表以较小的间隔连续采集管道通/断电位来判断整个管线防腐层破损情况［1］。

薛致远、徐承伟等［2-3］人将GPS卫星作为CIPS法中时间同步的基准并通过研究CIPS法的通断周期得出日常测量中断电电位测量点选择在断电后

0.05 s且通断周期为1 s时，最能反映真实的管地电位，从而可以准确地判断埋地管道防腐层的缺陷。Adnan S F［4］等人通过研究影响阴保检测系统几个重要参数得出环境中电阻率的下降而增大;防腐层完好处管道上的阴保电流密度要远大于防腐层破损处管道阴保电流密度，理论地证明了CIPS的正确性。

针对密间隔电位检测法中的土壤上电压降的消除方法和管道电位信号采集的时间起点进行了分析，设计了一套密间隔电位检测系统。最后通过搭建模拟实验平台，实验验证了该系统可以正确地检测埋地管道防腐层的破损。

1 密间隔电位检测技术

CIPS检测技术是以规则的、足够小的检测间隔在埋地金属管道沿线进行一系列的通电/断电电位测量，对管道防腐层整体状况进行判断。系统整体示意图如图1所示。

图1 CIPS检测系统示意图

中断器以卫星同步脉冲为基准周期性地通断阴保电源提供可供采集的通断电位，采集器在中断器通断时间点几十毫秒后开始采集电位，参比电极沿着管线以较小的间隔移动，最后得到整个管道的通断电位，根据采集到电位的变化情况判断埋地管道防腐层的破损情况。

1.1 管地电位分布规律

为了通过管道电位判断防腐层的破损情况，有必要了解管道沿线电位分布规律。为了便于推导在管道沿线电位分布公式，忽略了土壤电阻，并认为埋地管道的防腐层过渡电阻一致且管道与土壤接触处土质都是均匀的。

如在离汇流点x处取一管道微元段d x，在d x段电压为E。单位长度的金属管道的电阻为rT，单位长度上电流从土壤流入金属管道的过渡电阻为RT。则根据欧姆定律得出:

式中，负号表示电流的流动方向与x的增量方向相反。

当电流I沿着轴向流过管道时，由于金属管道本身的电阻所产生的电压为:

对上式连续求导两次，并令:

可得:

解此方程，设E0为汇流点的电位，可得到无限长管道电位分布公式:

当管道为有限长时，设管道长为L，假设汇流点的电位为EL，解方程得到:

上式是忽略了土壤IRt降的影响，并认为管道沿线防腐层过渡电阻均匀一致的条件下管道沿线电位遵循的规律。实际上长距离的管线不仅土壤电阻率大，防腐层质量状况也很不一致，这些因素反映在a中。单位长度金属管道的电阻的rT可以认为是定值，而RT=R涂层+R土壤。R涂层远大于rT，因此，R涂层的变化会极大地影响管道电位。当没有缺陷时，由于rT和RT基本不变，故a不变，因此管地电位也基本不变。而破损处，R涂层急剧下降，导致了a急剧上升，管地电位就会发生突变，缺陷越严重，突变程度也就越大［5］。

1.2 土壤电压(IR)降的含义及消除方法

由于密间隔电位检测法是通过管地电位来判断埋地管道防腐层是否存在破损，所以采集到真实的管地电位是该方法准确与否的关键。IR降是在参比电极与管道之间的电解质上产生的电压［6］。

Vm为实际测得的电位，VIR是IR降，Vp为管道真实电位。Vm=VIR+Vp，所以要得到准确的管道极化电位就必须消除IR降。由于I→0时，IR→0，所以采取使瞬间断电法来消除IR降，也就是将阴保电源瞬间断开，在较短的时间内测得的电位是不含IR降的管道真实电位。

1.3 信号的采集

要想得到真实的管道电位，还应该正确地选择电位信号采集的时间点。由于阴保电流通/断电瞬间会产生通/断电尖峰，称为阳极尖峰和阴极尖峰。在某些情况下，尖峰可达近200 mV［7-8］。若直接在电流接通或断开时刻测量电位，不能得到真实的管道电位。而在一段时间之后会出现去极化现象，所以采集电位的时间既要避开阳极和阴极尖峰又不受去极化影响。因此，采用一种延后采集的方法，即在电流接通和断开后50 ms较小的间隔测量一系列的电位，采集结束后将这些电位求平均值，可得到相对准确的电位值。

2 密间隔电位检测系统

基于上述原理，设计了由中断器、采集器、卫星同步模块三部分组成的密间隔电位检测系统。系统工作流程图如图2所示。

图2 系统工作流程图

中断器的作用是以固定周期通断阴保电源形成通/断电位。由于需要频繁的通断且需要的通断转换精度较高，故选择直流固态继电器SDI1103D。另外由于在不进行检测的时候阴保电源总是有效的，所以通过三极管将常开式固态继电器变成常闭式。中断器电路图如图3所示。3、4脚是控制端，4脚接单片机IO口，IO口输出高电平时，固态继电器闭合，输出低电平时，固态继电器断开。1、2脚是负载端，接阴保电源。单片机检测到卫星芯片发出到其INT0口的同步秒脉冲后启动定时器1，定时器1定为0.2 s，输出低电平直到定时器1溢出，然后启动定时器2，定时器2定为0.8 s并输出高电平直到定时器2溢出，若非人为的结束检测过程，则通断过程一直执行。

图3 中断器电路图

卫星同步模块选择了北斗/GPS双模的同步模块。卫星同步技术相对于本地晶振同步具有精度高、受干扰小、没有累计误差等优点［9］，而北斗卫星作为我国自主研制的卫星具有其他卫星系统所不具备的可靠性，同步芯片选择UM220-ⅢN芯片，该芯片会每秒发送一个幅值为3.3 V，占空比为50%的同步秒脉冲(PPS)作为中断器和采集器的时间起点。卫星芯片接口电路如图4所示。

图4 卫星芯片接口电路图

芯片11脚接外接天线A，3脚接单片机INT0口，单片机以此作为中断，控制固态继电器的通断并以此作为采集器延后采集的时间起点。

采集器是一个具有延迟采集电位功能的电压表，由STC89C52RC单片机控制，AD0809作为AD芯片。定时器1和定时器2分别定为50 ms和200 ms，单片机接收到卫星同步脉冲后，启动定时器1，定时器1溢出后开启AD转换并开始采集断电电位，之后开启定时器2，定时器2溢出后开始采集通电电位。电位的采集过程为:以5μs的间隔连续采集5组电位信息，用冒泡法舍去最大和最小值，取中间3个值做平均后显示，这样做可以有效地避免误差，使采集到的电位信息更加准确。电位采集器最小分辨电压为0.007 8 V。

3 实验与结果分析

取长距离管道中一段0.5 m长的管道单元段，测量间隔为0.1 m，其中防腐层为3PE涂层，其面电阻为104Ω/m2，防腐层厚度3 mm，管道电阻率为

5.6 ×10-2Ω/m，管道半径为0.3 m，管壁厚为10 mm，在管道0.1 m与0.2 m之间存在半径为1.4 cm的防腐层破损，0.3m与0.4m之间存在2.7 cm的防腐层破损，电其余3处防腐层完好。使管道电位达到保护电位，阴保电源为5 V。测得数据如表1所示。

表1中通断电位之差是土壤上的IR降，断电电位是消除了IR降的管道真实电位，将其绘制成管道电位-距离图，如图5所示。

表1 通断电位数据单位:V

图5 管道电位－距离图

由图5可知在0.1 m～0.2 m和0.3 m～0.4 m的管道单元段上的电位相对于其他三段段有明显地衰减且0.3 m～0.4 m段电位衰减比0.1 m～0.2 m段明显，由此可以判断出0.1 m～0.2 m和0.3 m～0.4 m管道段防腐层存在破损且0.3 m～0.4 m段破损程度比0.1 m～0.2 m严重，符合预期设想。

4 结论

实验分析得出结论:

(1)该系统可以正确地检测出埋地管道防腐层的破损，破损点定位精度为0.1 m，可分辨的缺陷半径为1.4 cm。

(2)通断电位之差是土壤上的IR降，防腐层破损处的电位相比于完好处有明显地衰减，且破损越严重的地方电位衰减越明显。

［1］陈敬和.管道外腐蚀直接评价技术［J］.油气储运，2011，30(7): 523-527.

［2］徐承伟，薛致远，滕延平.GPS同步中断法在阴极保护有效性评价中的应用［J］.管道设备与技术，2012(1):50-52.

［3］薛致远，徐承伟，罗鹏，等.密间隔电位测量(CIPS)中通断周期对理地管道阴极保护系统的影响［J］.腐蚀与防护，2012，33(2):171-172.

［4］Adnan SJ.Investigation of Some Parameters Affecting the Cathodic Protection of Steel Pipelines［J］.Anti-Corrosion Methods and Materials，2014，61(4):17-19.

［5］Rob P，Greet L，Dany W.Service Life and Life Cycle Cost Modelling of Cathode Protection Systems for Concrete Structures［J］.Cement and Concrete Composites，2014(47):69-74.

［6］Pawson R，Cybex C.Potential Errors in Close Interval Surveys at Pipeline［J］.Corrision and Protection，2009，32(18):156-159.

［7］张居生，杜月侠，兰云峰，等.腐蚀监测技术及其适用性选择［J］.腐蚀与防护，2012，33(1):75-78.

［8］SantosW J，Santiago JA F，Telles JC F.Optimal Positioning of Anodes and Virtual Sources in the Design of Cathodic Protection Systems Using Method of Fundamental Solution［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2014，46:67-74.

［9］于佳亮，程华，于天泽，等.基于北斗卫星同步授时的应用研究与试验［J］.中国铁路，2013，4:21.

杨理践(1957-)，男，沈阳工业大学教授，博士生导师，主要研究方向为长输油气管道内检测技术及相关理论、漏磁检测技术等无损检测技术，yanglijian888@ 163.com;

刘博闻(1957-)，男，沈阳工业大学硕士研究生，主要研究方向为长距离埋地管道缺陷的检测等无损检测技术，342488415@qq.com。

Detection of Damaged Layer of Buried Pipeline by Close Interval Potential Realization M ethod

LIU Bowen，YANG Lijian*

(Institute of Information Science and Engineering，Shenyang University of technology，Shenyang 110870，China)

CIPS(Close-Interval Potential Survey)is a through the acquisition pipeline on-off potential to determine the buried pipeline anticorrosion layer damage detection method，aiming at the problems in CIPS potential acquisition proposed a using instantaneous power failure，delayed acquisition，satellite synchronousmethod to collect the potential of CIPS technology.Themethod of eliminating the voltage(IR)generated in the soil and the selection of the time point of the break potential acquisition is studied in the detection of close interval potential.The results show that the system can correctly detect the damage of buried pipeline corrosion protection layer，the location accuracy of the damaged point is 0.1 m，and the resolution of theminimum defect radius is 1.4 cm.

buried pipeline corrosion protection;potential acquisition;close interval potential detection;IR drop; time synchronization

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.034

TB552

:A

:1005－9490(2017)01－0179－04

2016-02-04修改日期:2016-03-12