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1、 获取可靠防腐层数据的电位测量方法的理解 Dr. J. M. Leeds S. S. Leeds 英国英国DCVG技术及设备供应公司技术及设备供应公司 地面上直流电位调查方法更为精确的检测结果，使运营商在管道阴极保护（CP）和防腐层完整性管理上的费用有更好的效益。为了达到这样的目的，要求仪器的操作者正确掌握各种DC电位检测仪器的操作技术，理解检测方法的优势和局限。地面电位调查方法包括： ? 密间距电位测量（CIPS） ? 直流电位梯度法（DCVG） ? 皮尔逊法 ? 电磁衰减法 皮尔逊法和管中电流衰减法同属于AC检测技术。对于防腐层检测来说，AC方法所能给出的信息很有限。这与DCVG方法能对防
2、腐层和阴保进行独立而详细的质量评价的强大功能形成了明显的差异。 图 1 CIPS 检测方法的变化示意图 应用DC信号电流技术在地面上测量和评价防腐层的质量总是会与阴极保护效果的测量相关联。然而，对管线运营商的忠告是在实施管道防腐层地面调查项目时会遭遇“雷区”。调查的结果数据不完备往往是对DC电位方法 （特别是CIPS方法） 产生不满的原因。然而，致使调查结果数据不完备的原因之一是检测人员的培训不足。此外，绝大多数管线单位并没有关于如何进行调查的详细方法描述和技术规定。也正是不严密的实施步骤导致了调查结果在质量和准确性上存在很大的差异。 管道运营公司的工作重点是更好地保障调查的质量而不是使所花费
3、用最低，因为实施良好的调查可以帮助避免更为昂贵的挖掘和维修工作。同样的对于运营商来说，如果期待对管道进行详尽的分析评价-包括比较各种检测数据集（包括使用金属蚀失检测工具得到的信息），接受不完备的地面调查数据也是失败的经济策略。 CIPS技术CIPS技术 密间距电位检测技术是使用尾线与管道上最近的测试桩相连，来保证电位测量与埋地管道电气连接，沿管道的整个路由以规则的间距详细记录管道对地电位数值（参见图1）。 在检测期间，所有会影响到检测管段的直流电流源都要进行同步中断，以记录可信的阴极保护的断（OFF）电位。所测得的大量电位数值与距离数据一同存入便携式数据记录仪或笔记本电脑，以备1图 2 CIP
4、S 检测方法的变化 4,5 示意图随后的内业数据分析。 CIPS检测方法并非是管道防腐层的调查技术，而是一种监测管道保护电位的途径。然而，CIPS检测数据常常用作防腐层修复工作的基础技术依据，尽管这些数据能够提供的要比期望的少。管道上的防腐层或其他管道问题又会导致区段内管-地电位或高或低。CIPS检测阴保的通（ON）电位数据提供了最好的管道防护层的信息，而OFF电位则提供了管道防腐层缺陷处有关阴极保护状况的信息。然而，所有CIPS技术的应用都会面临犯错的可能性，而这一点往往并未引起仪器操作者的重视。某些错误是操作不当所引起的，而有些误差则是技术本身所固有的。 混合CIPS技术混合CIPS技术
5、为了增加数据采集的附加值，在一系列混合CIPS检测技术的变化中，人们尝试着将防腐层的缺陷定位与CP的管-地电位的测量结合起来。将CIPS的直流电位检测和与皮尔逊法的交流检测结合，共有六种这样的变化。这些检测方法的变化可以用电位检测中半电池传感器的相对位置来概括： 1. 将一个半电池置于管线上方，尾线连接到最近的测试桩上，应用CIPS方法测量管道对地的ON电位。 2. 将一个半电池置于管线上方，尾线连接到最近的测试桩上，应用CIPS测量管-地的ON和OFF电位。 3. 将第一个半电池置于管线正上方，尾线连接到最近测试桩上，将第二个半电池放置于相对第一个半电池5-10米的侧向，应用CIPS测量管-
6、地的ON和OFF电位。（参见图 1中的下半部分） 4. 将第一个半电池置于管线正上方，尾线连接到最近测试桩上，将第二个半电池放置于相对第一个半电池后侧几米的管道正上方，应用CIPS测量在管道方向的短距离的ON和OFF电位差。（参见图2中的上半部分） 5. 将第3、4种变化相结合来测量ON和OFF电位。第一个半电池置于管线正上方，尾线连接到最近测试桩上，第二个半电池放置于相对第一个半电池后侧几米的管道正上方，第三个半电池放置在第一个半电池旁，与管道呈90度的侧向来记录侧向电位（参见图 2 中的下半部分）。 6. 将一个半电池置于管线上方，尾线连接到最近的测试桩上，应用CIPS测量管-地的ON和O
7、FF电位。同时，用电缆和后侧的另一个检测人员连接起来进行皮尔逊法检测。 变化1 一般应用在不能对管道上全部的直流电源进行中断的场合上。这样的测量结果会包含IR降，可能会导致电位数据夸大管道的阴极保护程度。 变化2 为最常规的CIPS测量ON/OFF电位的方法，但使用不当也会使检测结果有某些明显的测量误差。 变化3 被称之为加强CIPS方法，在受德国影响的地区被广泛应用。该加强方法被发现在定位防腐层破损方面精度不够， 在对小缺陷的确定和评价方面不够灵敏， 这与常规CIPS方法有着相同的局限和误差。 有些设备的供应商将3、4、5种变化结合起来，作为CIPS与DCVG联合检测的功能。这是错误的！其理
8、由是：没有任何一种变化的CIPS技术可以准确对防腐层缺陷进行定位；反之，通过纯粹的DCVG测量也无法进行准确的电位测量。 变化 3的测量变化 3的测量 应用变化3的方法所测得的是常规CIPS方法的ON和OFF电位数据，是以规则的间距沿管线路由测量的。 但这些数据的采集点位与管道防腐层破损中心点的位置之间的关系完全是随机性的。所有的这些CIPS变化都忽略了这样一个事实，防腐层缺陷的电位梯度中心就是表现为管-地电位极小值的位置，也正是要进行CIPS测量的确切部位。除了防腐层破损中心点之外的区域，检测工作中对所测得的电位往往不是很感兴趣，因为这些区域的管道受防腐层保护不需要开挖维修。 在沿管线的每个
9、常规CIPS检测间距上， 测量管道上方半电池与管道侧向呈90度垂直5-10米外的半电池（也就是远地点）之间的电位（见图2）。在加强测量方法的变化中，使用1.5 - 2米的侧向间距是不够的， 因为它只记录了侧向梯度中很小的一部分电位。 这会使得用于防腐层状况评估的数据解释令人怀疑。 应用加强型检测方法所测得的典型电位曲线如图3中所示。有人将该方法测得的侧向ON、OFF电位误认为是DCVG的测量结果，这是明显是一种误解。合适的 DCVG 检测不是这样的。在任何场合下，2OFFONOFF VU 缺陷指数缺陷指数 = ON VU为了标定出防腐层缺陷的特性，要进行除了侧向电位读数之外的更多测量，DCVG
10、检测要详细而精确地标定出缺陷点上电位梯度的中心点。 重要的一点是，无论进行何种变化的CIPS 检测，除非在实施CIPS检测之前已经使用其他方法进行了防腐层缺陷点的定位，在检测过程中是不能测出管线防腐层上何处有缺陷的。因此, 所有的CIPS以及变化了的检测方法，包括加强型检测方法，其电位检测结果只与防腐层缺陷之间有着偶然的关联，这些数据是不能对破损中心点进行确切的描述的。在破损中心点所记录的数据可用与否全凭运气，而无法进行把握。 在加强检测方法中，如果测量了侧向电位的ON和OFF之间的差异， 也就是测定了实际防腐层缺陷中心点与远地点之间的电位差， 则这个电压是与DCVG进行的信号强度测量相同的。
11、在DCVG检测中，这个参数被作为计算防腐层缺陷严重程度的若干个输入参数之一，是通过测量管顶到远地点之间的电位差来得到的。全部这样的数据都要通过土壤电阻和管道埋深加以修正之后，作为影响防腐层维修次序的最主要参数加以使用。 为了简化加强CIPS方法对远极电位的测量，德国式变化方法中，在测试桩的侧向位置上设置一个远地电极，并且用电缆连接到测量设备上。在测试桩处的一个设备负责使用一个开关将一条尾线在所有的连接之间转换，实现从CIPS测量方法切换到侧向电位的测量上。所做的假定是沿管道路由上所做的远地电位测量结果都是相同的。这显然不是真实情况，电位数值会随着土壤的电阻变化而变化，大的土壤电阻就要将半电池放
12、置在离管线更远的位置。理想的情况是，调查之前测得土壤的电阻率，以保证检测过程中间半电池放置在足够远的地方。 从加强型检测方法中测得的数据可以用于计算称之为防腐层缺陷指数： 这里：UON UOFF 为侧向电位梯度(不涉及防腐层缺陷)，以及 VON VOFF 为常规 CIPS 的ON和OFF电位读数之差，不涉及防腐层缺陷。 这是一个经验公式，所得到的缺陷指数可以作为防腐层缺陷的非常粗略评价参数。之所以粗略是由于所记录的基础数据中固有的误差所决定的。VON VOFF 数据项与DCVG的防腐层破损严重程度计算中的管道对远极点的测量是不同的。其差别在于VON VOFF，通常被称之为IR误差，它主要是由下
13、列的因素所决定的： 图 3 加强 CIPS 检测方法测得的侧向电位的典型结果 ? 与阴保电流源的靠近程度 ? 防腐层绝缘电阻 ? 通过土壤的IR降 ? 在防腐层缺陷处管体上覆盖的无机保护膜上的IR降 从图3可以看出，在破损点处（位置A）阴保电流最大，电流流动所产生的在VON VOFF 的电压差却很小。然而，VON VOFF 出现的最大电位差却是在防腐层没有破损的地方（位置B），这说明 VON VOFF 项中大的数值是由防腐层的绝缘电阻所决定的，而不是由阴保电流在土壤中产生IR降的数值所决定的。此外，VON VOFF 数值必须通过CP电流衰减的偏差来加以修正。这个偏差可能是明显的，可以通过检3测
14、过程是朝向或远离阴保电流的汇流点位置的情况，根据VON和VOFF数值决定是低于还是超出估算的数值。只有经过衰减偏差修正过的数值才能用于防腐层破损严重程度的估算。这个修正对于每种CIPS的变化方法都适用。 变化4 变化4 这项变化的技术在记录常规CIPS电位数据之外，还通过测量CIPS半电池与尾向半电池之间的电位差来实现某种沿管道走向上电位梯度的检测（参见图2）。有人把这种沿管道记录的尾向梯度错误地归结为DCVG检测方法是一种误解。原因是不能将管道纵向上部分的电位梯度说成是代表防腐层缺陷周围的电位梯度。 CIPS所有的变化都不能作为防腐层缺陷的定位技术， 更不能等同于DCVG方法在检测防腐层缺陷
15、上优越的性能。但是，在检测过程中要将之前做过的所有调查信息都作为缺陷可能存在和确定位置的背景资料加以参考，经过分析，再对开挖点重新定位。任何带尾线的检测方法，特别是测距不精确或以时间作为检测基准的方法，产生50米大小的重新定位偏差是很常见的。 带有侧向半电池的加强型电位测量方法是最为接近纯DCVG调查所做的测量，但是这样的电位测量应该先于DCVG检测进行，而不能同时。因为这样测量数据不完备是因为联合检测没有对破损中心点进行必要的描述。 由于变化4的CIPS检测中没有做相对于远地点的电气测量，两个半电池之间的检测间距没有固定，检测过程中只能尽可能地保持间距上大体一致，所以其检测结果的质量完全依赖
16、于检测人员，电位的检测读数是不能用作破损点周围的电压梯度的，也就不能用作缺陷的评价，更不能用于决定缺陷的维修优先级了。从缺陷的完全评价角度来说，该变化的CIPS方法采用固定的电极间距在事实上并非正确。两个纵向电极的测量间距在2-50米（或更大）之间变化，具体采用多大间距要取决于流到破损点的CP电流和该处的土壤电阻率。要使电位的测量覆盖缺陷点在管道纵向的延展区间，才能使测量数据具有意义。然而，更大的纵向间距将会漏检明显的破损。 图 4 尾向半电池检测的典型电位梯度结果 另一方面， 采用大约2米的电极间距对于定位防腐层的缺陷点来说是重要的。当检测到最大的电位梯度时，第一个半电池（CIPS参比电极）的位置就是防腐层破损中心点的位置（图4）。之后，电位梯度会呈现衰减的趋势，这是因为两个电极同时沿管道路由向前移动；当两个电极处于电位等值线时，会有一个电位梯度为零的显示，在缺陷的两侧都会如此。越过缺陷中心点后，电位梯度的方向会反转，随着两个电极沿管线向前移动，在量值上会先增加后减小，最后归为零值，超出防
