CN1206529C - 检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下管线勘测、腐蚀检测、无损检测的方法。检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法，其特征是按下列步骤进行：1)沿垂直于管道走向的测线布置接地的供电电极A、B和测量电极M、N，供电电极A、B与交变电流相连接，测量电极M、N与广谱电测仪相连接；2)用广谱电测仪不断改变频率进行交流电位差振幅和相位测量，得到振幅频谱曲线和相位频谱曲线；3)根据相位频谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度：异常幅值比正常值小说明存在腐蚀；异常幅值小得越多，腐蚀越严重。它具有检测费用低、适用管径范围大的特点。

Description

检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法

技术领域

本发明涉及地下管线勘测、腐蚀检测、无损检测的方法。

背景技术

管道运输是我国五大运输产业之一，它广泛应用于油气、化工、给水和供暖等行业，在国民经济中有着极其重要的地位。埋入地中的金属管道因常年埋设地下，其周围环境及管内流体等多种因素会造成管道腐蚀。输送石油、天然气、煤气等易燃易爆流体的管道，因腐蚀穿孔发生跑、冒、漏事故也常发生，不仅影响生产工作的正常进行，而且会污染环境，甚至引起爆炸和火灾，给国家和人民的财产和生命造成重大损失。因此，对地下金属管道的腐蚀状况进行检测与监控，具有十分重要的意义。

目前，检测地下金属管道腐蚀状况常用的方法都是在管内进行检测，有超声波法、漏磁法及涡流法等。其所用设备的主要组成部分包括装载电池和仪器的仓体、传感器、里程轮定位装置、密封皮碗、设备跟踪与定位系统等。工作时将经过电气调试好的检测器通过管道的发送装置送入管道，它在输送介质的压差驱动下沿管道运行，同时检测记录与管道腐蚀状况有关的数据，经计算机分析后给出被检测管道的腐蚀状况及准确位置^[1]。这些管内检测技术对于地下金属管道腐蚀状况的检测一般来说是有效的，但也存在某些缺陷和不足。首先是设备昂贵，检测费用高。以超声波检测为例，进口设备价值不低于100万美元，而且某一特定设备仅适用于特定的管径，这是检测费用高的原因之一，此外，电池消耗费用也很高，每公里将近5000元。所以，在我国检测费用高达2万元/公里。近年来我国自行研制了一些这类设备，使成本可以有所降低，但不会降低太多。其次是这些技术存在某些缺陷和不足，例如漏磁腐蚀检测器的最小检测深度为壁厚的20％，也就是说，一般常用的8(9)mm的地下金属管道只当腐蚀深度超过1.6(1.8)mm，才会被检测到。另外，从原理上看，一些管内检测技术对材质较均匀因而受到渐变的均匀腐蚀的检测难于奏效。更为严重的是，这些管内检测设备还只适用于管径较大的油气输送主干线，DN-273(外直径为273mm)以下的小口径管线的探测，国内不论在设备还是技术上都是空白^[1]。正因为上述缺陷和不足，我国到目前为止也仅有少数管径较大的长输管线进行过里程不长的检测，而小口径地下金属管道总里程长，在地下管道中所占比重大，是油田和石化企业广泛应用的，因而对这类管道进行检测的要求极为迫切。[1]王瑞利、赵华涛。我国管道内检测技术与设备的发展。2000年地下管线管理技术专业委员会论文集《地下管线技术与应用》，北京：中国建筑工业出版社，2000，132-139。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测费用低、适用管径范围大的检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法，其特征是按下列步骤进行：

1)沿垂直于管道走向的测量线路布置接地的供电电极A、B和测量电极M、N，应使A、B位于管道投影的一侧，M、N位于另一侧，且M、N应距管道地面投影较近；供电电极A、B与交变电流相连接，测量电极M、N与广谱电测仪相连接；

2)用广谱电测仪不断改变频率进行交流电位差相位测量，得到相位频谱曲线，频点范围10～10000Hz；

3)根据相位频谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度：异常幅值比正常值小说明存在腐蚀；异常幅值小得越多，说明腐蚀越严重。

本发明采用上述方法，工作方法简便，设备价格低廉(进口的广谱电测仪价格约为9～10万美元)，其他消耗很低，因而检测费用会比已有的管内检测技术低廉。尤其重要的优点是，外直径小于273mm的管道，只要管径与埋深相比不是很小，能检测出其严重腐蚀点和中度腐蚀点，能检测出浅度腐蚀点。

附图说明

图1是地下不同壁厚的金属管道的相位频谱理论曲线图

其中a-外半径；b-内半径；H_C-中心埋深；μ_a/μ₀-相对磁导率；σ_a-电导率。

图2是地下带防腐层的无缝钢管上方地面实测的广谱电测量相位频谱曲线图

图3是理论计算物理模型图

具体实施方式

本发明的基本原理：因为金属管道遭受腐蚀的结果相当于管道可导电截面积的减小，也就等效于管壁厚度的变小。由于截面积减小，会使得地面电测量得到的振幅频谱和相位频谱异常幅值减小。金属管道受腐蚀越厉害，管道可导电截面积减小得越多，测量得到的振幅和相位频谱异常幅值就越小。

检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法，按下列步骤进行：

1)沿垂直于管道走向的测量线路布置接地的供电电极A、B和测量电极M、N，应使A、B位于管道投影的一侧，M、N位于另一侧，且M、N应距管道地面投影较近。A、B、M、N电极装置的布置位置可参照下面实施例2的电极位置，这里应注意的是，电极的位置都是以管道中心的埋深为单位的，是相对的。通过在管道上用不同位置电极装置进行实测，选择管道相位频谱异常值最大时的装置进行工作，最为理想。

2)用广谱电测仪不断改变频率进行交流电位差相位测量，得到相位频谱曲线。频点范围一般在10～10000Hz，决定于所用钢管特性及是否外面包裹有防腐层。

3)根据相位频谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度：异常幅值比正常值小说明存在腐蚀；异常幅值小得越多，说明腐蚀越严重。

实施例1：

为了研究地面广谱电测量检测地下金属管道腐蚀状况的可行性，我们在Wait和Williams^[2]推导的理论公式的基础上，推导了地下存在水平安置的无限长金属管道时地面垂直管道走向布置的电极装置测量的交变电场的振幅和相位的理论公式。[2]Wait，J R andWilliams J T.EM and IP response of a steel well casing for a four-electrode surface array.Part I：Theory，Geophysical Prospecting，1985，33：723～735。在此基础上计算了电极装置测量时、外直径相同、壁厚不同的地下金属管道的理论频谱曲线。

计算时金属管道的断面的空间位置、坐标及大地物理参数如图3所示，计算公式为

$\frac{V}{I}={\∫}_A^B{\∫}_M^N\{2P\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)+\frac{d^2}{\mathrm{dsdx}}\left(Q\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)\right)+Q^c({\mathrm{\ρ}}_c,\widehat{\mathrm{\ρ}})\}.\mathrm{dsdx}$

式中：

$P\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)=\frac{i{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}{r}^2{\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)}^3}[1-(1+\mathrm{\γ}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}})e^{-\mathrm{\γ}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}];$

$Q\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_1\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}};$

$Q^c({\mathrm{\ρ}}_c,\widehat{\mathrm{\ρ}})\≅-\frac{1}{{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\σ}}_1}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}^2{K}_0\left(u{\mathrm{\ρ}}_c\right)K_0\left(u\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}\right)}{u^2{K}_0\left(\mathrm{ua}\right)+2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_{1}z\left(\mathrm{\λ}\right)}\mathrm{d\λ}$

其中，ds是供电电极A、B之间的1个无限小元，dx是测量电极M、N之间的1个无限小元，K₀是自变量uρ_c、

和ua的修正贝塞尔函数，u＝(λ²+γ²)^1/2，γ²＝iμ₀ωσ₁， $z\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_w(a^2-b^2)},$ σ_w是金属管道的电导率，a是其外半径，b是其内半径。如图3所示。

计算时假设金属管道外直径为325mm(这在油气长输管道中是相对较小的)，中心埋深为1m，电导率为10⁵s/m，相对磁导率为500，电极装置沿垂直管道走向的测线布置。理论计算结果表明，如果采用合适的电极装置形式、合适的大小和位置，不同壁厚的金属管道的相位频谱异常有着明显的差别。

图1是理论计算得到的相位频谱曲线之一例。计算时管道轴线在测线上的投影点为O；供电电极A、B位于O点左方，AB＝1m，BO＝7m；测量电极位于O点右方，OM＝1m，MN＝1m。由图可见，管道产生的相位频谱异常在1～400Hz频段内。壁厚变化1mm，相位值最大变化为15～30mrad，并且是壁厚越小，每1mm壁厚引起的相位最大变化值越大。实际工作中，在得到钢管上方测量的各频点的振幅、相位值后，可以用上述公式做正演模型，通过最优化反演求出钢管的壁厚，从而判断其被腐蚀程度。

实施例2：

由于在实用中为防止地下钢质输油气管道外表面被腐蚀，在其外部都包裹有高阻防腐层，对这样的地下金属管道，上述理论计算和反演以了解腐蚀状况的方法是不适用的。为此，我们将长10.3m，外直径为325mm、壁厚分别为15mm、10mm和8mm的三根20号钢无缝钢管包裹上防腐层后分别埋入地下三个不同位置处(使其不会相互影响)，构制了三个物理模型，其中心埋深均为1m。在通过钢管中心垂直钢管走向方向布置的测线上，供电电极AB位于O点左方，AB＝5m，BO＝5m；测量电极位于O点右方，OM＝1m，MN＝1m，用勘查矿产使用的广谱电测仪进行了测量。

图2是实测的相位频谱曲线之一。由图不难看出，虽然异常的特点与理论计算得到的无防腐层的地下金属管道的异常特点和出现异常的频段均有差异，但不同壁厚的带防腐层的地下金属钢管产生的相位频谱异常同样有着明显的差别。不同壁厚的带防腐层的这三根钢管的相位频谱异常均发生在128、256、512、1024Hz这4个频点上。壁厚每变化1mm，这4个频点的相位值平均变化约为17～20mrad。这一量值与对无防腐层的地下金属管道进行理论计算所得结果很接近。由图可以看出，如果钢管厚度为15mm，那么被腐蚀掉5mm(即壁厚变为10mm)后上述4个频点的相位异常平均减小了约100mrad，而被腐蚀掉7mm(即壁厚变为8mm)后，上述4个频点的相位异常平均减小了约135mrad。

地下金属管道的腐蚀虽然有不少发生在连续的管段上，但多数还是发生在一较小范围内，一般以1m范围以上为1个腐蚀点。腐蚀深度大于4mm的为严重腐蚀，腐蚀深度在2～4mm的为中度腐蚀，腐蚀深度小于2mm的为轻度腐蚀。根据检测要求，深度腐蚀点应及时大修。目前用于矿产勘查的进口广谱电测仪(国内尚不能生产)测量相位的精度可达±0.2～0.5mrad，根据上述理论计算和物理模拟结果，结合电法勘探理论不难估计，用这类仪器检能测出上述三类腐蚀点，尤其是需要大修的严重腐蚀点。

Claims (1)

1.检测地下金属管道腐蚀状况的地面电测量方法，其特征是按下列步骤进行：

1)沿垂直于管道走向的测量线路布置接地的供电电极A、B和测量电极M、N，应使A、B位于管道投影的一侧，M、N位于另一侧，且M、N应距管道地面投影较近；供电电极A、B与交变电流相连接，测量电极M、N与广谱电测仪相连接；

2)用广谱电测仪不断改变频率进行交流电位差相位测量，得到相位频谱曲线，频点范围10～10000Hz；

3)根据相位频谱曲线上管道异常幅值的大小确定管道是否已被腐蚀及被腐蚀程度：异常幅值比正常值小说明存在腐蚀；异常幅值小得越多，腐蚀越严重。

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