CN109813790B - 高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统及方法，通过对模拟埋地管道防腐层破损点的检查片在高压直流干扰下直流电流密度进行连续监测，并根据法拉第定律对电流密度进行时间积分获得管道涂层缺陷处腐蚀速率的方法；所述系统包括电流监测仪、检查片、测试桩、服务器单元和管道，所述电流监测仪一端与所述检查片连接，另一端通过测试桩与所述管道连接，所述电流监测仪与所述服务器单元连接，待高压直流接地极放电时，监测回路中电流随时间的变化趋势，然后根据检查片的面积计算确定单位面积的电流，即可得到电流密度随时间变化的曲线，最后根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分得到检查片的腐蚀失重，进而得到腐蚀速率。

Description

高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统及方法

技术领域

本发明属于腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统及方法。

背景技术

近年来随着高压/特高压直流输电工程的大量建设、投运，其对埋地管道及站内设备的干扰问题日益严重的暴露出来。高压直流输电系统在运行过程中多采用双极运行方式，但是在建设投运初期、年内检修以及故障时，采用单极大地返回运行方式，运行时间依据具体情况而定，几小时、几天甚至一两个月的情况都可能存在。单极大地返回运行方式是利用导线和大地构成直流侧的单极回路。在该运行方式中，两端换流站均需接地，大地相当于直流输电线路的一根导线，通过接地极入地的电流即为直流输电工程的运行电流，可达数千安培。此种情况下，大量的直流电流入地形成的大地电场，导致大地电位升高，引发金属结构的杂散电流腐蚀问题，同时对人员安全、设施安全带来严重的安全隐患。由于高压直流干扰影响范围大、干扰程度高以及时间不确定等特点，如何准确评估高压/特高压直流干扰下埋地管道面临的腐蚀风险成为实际生产中迫切需要解决的难题。本发明提供一种高压/特高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率测试评估方法，可对埋地管道涂层缺陷在高压/特高压直流干扰下的腐蚀速率进行监测评估，为管理运营提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的在于开发一种高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率的监测系统及方法，即对通过模拟埋地管道防腐层破损点的检查片在高压或特高压直流干扰下直流电流密度进行连续监测，并根据法拉第定律对电流密度进行时间积分获得管道涂层缺陷处腐蚀速率的方法，所述监测系统具有结构简单、实施容易、实时性强的优点，所述方法得到的腐蚀速率与实际腐蚀速率基本吻合，精确度高、可靠性强、可行性高，可为工程上对管道腐蚀速率的评估提供重要参考依据，对埋地管道的安全运行提供重要保障。

为实现上述目的本发明提供如下技术方案：

高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统，所述系统包括监测单元、测试桩、管道和服务器单元，所述监测单元通过测试桩与所述管道连接，所述监测单元与服务器单元连接；

所述监测单元包括电流监测仪和检查片，所述检查片通过电缆与所述电流监测仪连接，所述电流监测仪通过测试桩与所述管道连接，所述电流监测仪与所述服务器单元连接；

服务器单元，所述服务器单元用于根据检查片的面积将接收的电流参数转化为电流密度参数，并显示电流密度参数；

电流监测仪，所述电流监测仪用于对模拟管道防腐层破损点的检查片的直流电流进行监测并将监测的电流参数传输给服务器单元。

进一步地，所述电流监测仪和所述测试桩埋置于地上，所述检查片和所述管道埋置于地下。

进一步地，所述检查片的埋置深度与所述管道相同，所述检查片与所述管道的水平间距为0.1m～0.3m。

进一步地，所述检查片材质与所述管道材质相同。

进一步地，高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测方法，所述方法首先准备监测单元并确定测试桩的位置，然后采集并监测电流，并由电流监测仪将监测的电流参数传输给服务器单元，最后服务器单元将电流参数转化为电流密度参数并进行显示，从而计算获到管道涂层缺陷处腐蚀速率。

进一步地，所述方法具体包括以下步骤：

S1：准备监测单元

将电流监测仪与检查片进行连接；

S2：确定测试桩的位置

将监测单元与测试桩对应设置，埋置电流监测仪和检查片，电流监测仪通过测试桩与管道连接；

S3：采集并监测电流

启动电流监测仪，采集对应管道的电流，在高压直流干扰下对模拟埋地管道防腐层破损点的检查片直流电流进行连续监测，监测时间在0.5h以上，然后通过电流监测仪将监测的电流参数传输给服务器单元；

S4：计算结果

服务器单元将接收的电流参数转化为电流密度参数并进行显示，根据检查片的面积计算确定电流密度，根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，进而得到高压直流干扰下管道涂层缺陷检查片的腐蚀速率。

进一步地，所述S2中检查片的裸露面积为1～100cm²，所述检查片裸露面背对所述管道，所述检查片的裸露面积与管道防腐层平均缺陷面积相等。

进一步地，所述S3中启动电流监测仪，需在待检测片稳定后再进行，检测片稳定时间为0.5～1h。

进一步地，所述S4中计算结果基于法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，按以下方法实现：

根据法拉第定律，其电化学反应速率R为：

其中，i为流经检查片的电流，A；j为电流密度，A/cm²；n为电化学反应中消耗或生成的电子数；F为Faraday常数；A为检查片面积，cm²；考虑到检查片可能发生的反应：

Fe→2e+Fe²⁺ (2)

则：

其中，理论腐蚀失重m，g；R为电化学反应速率；A为检查片面积，cm²；M为反应物的摩尔质量，g/mol；t为反应时间，s；

根据式(4)计算得出理论腐蚀速率：

V_d＝10*m/ρA(t/3600) (4)

其中，理论腐蚀速率Vd，mm/h；M为反应物的摩尔质量，g/mol；ρ为检查片的密度，g/cm³；t为反应时间，s。

本发明的有益效果如下：

1、本发明所述监测系统具有结构简单、实施容易、实时性强的优点，具有良好的推广价值，可为工程管道腐蚀速率的评估提供重要参考依据，对埋地管道的安全运行提供重要保障；

2、本发明基于检查片电流密度对高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率进行测试评估的方法根据实际的现场测试获得数据，并非根据经验估算，其结果与实验室内模拟实验的腐蚀速率结果相吻合，精确度高、可靠性和可行性较强，为以后的现场高压直流干扰对埋地管道腐蚀研究提供一种新思路。

附图说明

图1为高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率测试评估方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

如图1所示，本发明提供了一种高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测方法，所述方法首先准备和埋置监测单元，将电流监测仪一端与检查片连接，另一端通过测试桩与管道连接，然后启动电流监测仪，在高压直流干扰下对模拟埋地管道防腐层破损点的检查片直流电流进行连续监测，并将监测的电流参数传输个服务器单元，服务器单元将电流参数转化为电流密度参数并进行显示，最后根据法拉第定律对电流密度进行时间积分获得管道涂层缺陷处腐蚀速率。

所述方法具体包括以下步骤：

S1:准备监测单元

将电流监测仪与检查片进行连接；

S2：确定测试桩的位置

将监测单元与测试桩对应设置，埋置监测单元，即电流监测仪和检查片，将电流监测仪与测试桩进行连接，测试桩与管道进行连接；

检查片的埋设深度与管道相同，检查片与管道之间的水平间距为0.1m～0.3m，检查片裸露面背对管道，检查片的裸露面积为1～100cm²，与管道防腐层平均缺陷面积相等或接近，检查片材质应与管道材质相同或者相近；

S3：采集并监测电流

监测单元埋置和连接完毕0.5～1h待检查片稳定后，闭合开关，启动电流监测仪，在高压或特高压直流干扰时采集对应管道的电流，监测电流时间应在0.5h以上，然后电流监测仪将监测的电流参数传输给服务器单元；

S4：计算结果

服务器单元将接收的电流参数转化为电流密度参数，根据检查片的面积计算确定单位面积的电流，即电流密度，根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，得到高压直流干扰下管道涂层缺陷检查片的腐蚀速率。

上述S4计算结果基于法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，按以下方法实现：

根据法拉第定律，其电化学反应速率R为：

其中，i为流经检查片的电流，A；j为电流密度，A/cm²；n为电化学反应中消耗或生成的电子数，F为Faraday常数，A为检查片面积，cm²。考虑到检查片可能发生的反应：

Fe→2e+Fe²⁺ (2)

则：

其中，理论腐蚀失重m，g；M为反应物的摩尔质量，g/mol；t为反应时间，s。

根据式(4)计算得出理论腐蚀速率：

V_d＝10*m/ρA(t/3600) (4)

其中，理论腐蚀速率Vd，mm/h；ρ为检查片的密度，g/cm³。

一种高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统，所述系统所述系统包括监测单元、测试桩、管道和服务器单元，所述监测单元通过测试桩与所述管道连接，所述监测单元与服务器单元连接；

服务器单元，所述服务器单元用于根据检查片的面积将接收的电流参数转化为电流密度参数，并显示电流密度参数。

所述监测单元包括电流监测仪和检查片，所述检查片通过电缆与所述电流监测仪连接，所述电流监测仪通过测试桩与所述管道连接，所述电流监测仪与所述服务器单元连接；

检查片，所述检查片是检测埋地管道阴极保护有效性的工具，通过模拟埋地管道防腐层破损点进行电位读取，所述检查片通过模拟管道防腐层破损点并将读取电流传输给电流监测仪，所述检查片与所述管道材质相同。

电流监测仪，所述电流监测仪用于监测通过模拟管道防腐层破损点的检查片的电流并将监测的电流参数传输给服务器单元。

所述电流监测仪和所述测试桩埋置于地上，所述检查片和所述管道埋置于地下，所述检查片的埋置深度与所述管道相同，所述检查片与所述管道的水平间距为0.1m～0.3m，所述检查片材质与所述管道材质相同。

在实际应用中，每个监测单元包括电流监测仪和检查片；确定测试桩的位置，让各监测单元与管道的测试桩对应设置，埋置各监测单元，利用电缆连接监测单元和测试桩，完毕后，将开关断开，待检查片稳定后再闭合开关，并启动电流监测仪，采集管道上的电流随时间的变化。通过服务器单元可对电流参数进行处理和显示，即可掌握各监测单元对应的埋地管道的电流变化，根据监测的电流，将电流曲线转变为电流密度曲线，根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，得到检查片的腐蚀速率，即可得到管道防腐层缺陷处的腐蚀速率，进而评价各管道受高压或特高压直流干扰的情况。采用本发明可实现埋地管网的大规模监测，预估埋地管道的腐蚀风险，提高安全运行的可靠性。作为优化方案，本发明让检查片的埋设深度与埋地管道同深，并埋设于管道附近的同类土壤中，让检查片的裸露面背对埋地管道；并让检查片与埋地管道之间的水平间距为0.1m～0.3m。这一结构设置可最大程度地模拟埋地管道的真实环境，提高监测的精确度和可靠性。需要说明的是，在实际应用中，所述检查片材质应与管道材质相同或者相近；检查片的裸露面积大小应根据所监测埋地管道可能产生的防腐层平均缺陷面积接近，其裸露面积宜通常在1～100cm²。对于3PE防腐层的埋地管道可采用6.5cm²的检查片，对于裸露和防腐层较差的埋地管道可采用100cm²的检查片。不同裸露面积的检查片其稳定所需的时间也不一样，通常需要0.5小时以上；电流监测时间应在0.5h以上。

所述监测系统的具体实施方法包括以下步骤：

一、准备监测单元，每个监测单元均包括电流监测仪和检查片，所述检查片材质应与埋地管道材质相同或者相近，检查片的裸露面积大小应根据所监测埋地管道可能产生的防腐层最大缺陷接近，其裸露面积宜通常在1～100cm²，具体面积还应根据管道防腐层类型、破损面积等确定；满足检查片材质和面积要求以便模拟埋地管道的真实腐蚀情况；

二、确定测试桩的位置，让各监测单元与管道的测试桩对应设置，并埋置监测单元。监测单元中的检查片、电流监测仪以及测试桩之间通过电缆连接；让检查片与埋地管道之间的水平间距为0.1m～0.3m，并使检查片与埋设于管道附近的同类土壤中，检查片的裸露面背对埋地管道的；

三、各监测单元埋置和连接完毕0.5～1h，待检查片稳定后，闭合开关，并启动电流监测仪，高压/特高压直流干扰时，采集对应管道的电流，系统监测电流时间应在0.5h以上；

四、根据各监测单元传来的电流参数，在服务器单元上根据检查片的面积计算确定单位面积的电流，即可得到电流密度随时间变化的曲线，根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，得到检查片的腐蚀速率，即防腐层缺陷处管道的腐蚀速率；

五、在服务器单元上根据管网的基础信息画出管网图，将步骤四得到的腐蚀速率结果标注在管网图上，进而对腐蚀的风险进行评估。

具体实施步骤中，步骤四的基于法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，按以下方法实现管道腐蚀速率的评估：

根据法拉第定律，其电化学反应速率R为：

其中，i为流经检查片的电流，A；j为电流密度，A/cm²；n为电化学反应中消耗或生成的电子数，F为法拉第常数，A为检查片面积，cm²。考虑到检查片可能发生的反应：

Fe→2e+Fe²⁺ (2)

则：

其中，理论腐蚀失重m，g；M为反应物的摩尔质量，g/mol；t为反应时间，s。

根据式(4)计算得出理论腐蚀速率：

V_d＝10*m/ρA(t/3600) (4)

其中，理论腐蚀速率Vd，mm/h；ρ为检查片的密度，g/cm³。

本发明提供的高压直流干扰电流监测系统及腐蚀速率的评估方法，将现场监测单元的监测的电流数据转变为电流密度数据，通过法拉第定律求解，不但节省了人力物力，提高了效率，而且具体精确度高、实时性强的特点，可实现对埋地管网进行大规模高压/特高压干扰下的监测，评估埋地管道的腐蚀风险，及时解决高压/特高压直流带来的干扰问题，提高安全运行的可靠性。

以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定。

Claims (9)

1.高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测系统，其特征在于，所述系统包括监测单元、测试桩、管道和服务器单元，所述监测单元通过测试桩与所述管道连接，所述监测单元与服务器单元连接；

所述监测单元包括电流监测仪和检查片，所述检查片通过电缆与所述电流监测仪连接，所述电流监测仪通过测试桩与所述管道连接，所述电流监测仪与所述服务器单元连接；

服务器单元，所述服务器单元用于根据检查片的面积将接收的电流参数转化为电流密度参数，并显示电流密度参数；

电流监测仪，所述电流监测仪用于对模拟管道防腐层破损点的检查片的直流电流进行监测并将监测的电流参数传输给服务器单元；

所述服务器单元根据检查片的面积计算确定电流密度，根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，进而得到高压直流干扰下管道涂层缺陷检查片的腐蚀速率；具体实现方式为：

根据法拉第定律，其电化学反应速率R为：

其中，i为流经检查片的电流，A；j为电流密度，A/cm²；n为电化学反应中消耗或生成的电子数；F为Faraday常数；A为检查片面积，cm²；考虑到检查片可能发生的反应：

Fe→2e+Fe²⁺ (2)

则：

其中，理论腐蚀失重m，g；R为电化学反应速率；A为检查片面积，cm²；M为反应物的摩尔质量，g/mol；t为反应时间，s；

根据式(4)计算得出理论腐蚀速率：

V_d＝10*m/ρA(t/3600) (4)

其中，理论腐蚀速率V_d，mm/h；ρ为检查片的密度，g/cm³ ；t为反应时间，s。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电流监测仪和所述测试桩埋置于地上，所述检查片和所述管道埋置于地下。

3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述检查片的埋置深度与所述管道相同，所述检查片与所述管道的水平间距为0.1m～0.3m。

4.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述检查片材质与所述管道材质相同。

5.高压直流干扰下埋地管道腐蚀速率监测方法，基于权利要求1-4之一所述系统，其特征在于，所述方法首先准备监测单元并确定测试桩的位置，然后采集并监测电流，并由电流监测仪将监测的电流参数传输给服务器单元，最后服务器单元将电流参数转化为电流密度参数并进行显示，从而计算获得管道涂层缺陷处腐蚀速率。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1：准备监测单元

将电流监测仪与检查片进行连接；

S2：确定测试桩的位置

将监测单元与测试桩对应设置，埋置电流监测仪和检查片，电流监测仪通过测试桩与管道连接；

S3：采集并监测电流

启动电流监测仪，采集对应管道的电流，在高压直流干扰下对模拟埋地管道防腐层破损点的检查片直流电流进行连续监测，监测时间在0.5h以上，然后通过电流监测仪将监测的电流参数传输给服务器单元；

S4：计算结果

服务器单元将接收的电流参数转化为电流密度参数并进行显示，根据检查片的面积计算确定电流密度，根据法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，进而得到高压直流干扰下管道涂层缺陷检查片的腐蚀速率。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述S2中检查片的裸露面积为1～100cm² ，所述检查片裸露面背对所述管道，所述检查片的裸露面积与管道防腐层平均缺陷面积相等。

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述S3中启动电流监测仪，需在待检测片稳定后再进行，检测片稳定时间为0.5～1h。

9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述S4中计算结果基于法拉第定律对电流密度曲线进行时间积分，按以下方法实现：根据法拉第定律，其电化学反应速率R为：

其中，i为流经检查片的电流，A；j为电流密度，A/cm²；n为电化学反应中消耗或生成的电子数；F为Faraday常数；A为检查片面积，cm²；考虑到检查片可能发生的反应：

Fe→2e+Fe²⁺ (2)

则：

其中，理论腐蚀失重m，g；R为电化学反应速率；A为检查片面积，cm²；M为反应物的摩尔质量，g/mol；t为反应时间，s；

根据式(4)计算得出理论腐蚀速率：

V_d＝10*m/ρA(t/3600) (4)

其中，理论腐蚀速率V_d，mm/h；ρ为检查片的密度，g/cm³ ；t为反应时间，s。