环境因素对ACVG法防腐层检测的影响

和宏伟;白冬军;冯文亮

【摘 要】交流电位差(ACVG)法在实际检测中,易受到外界环境因素的干扰,造成检测结果出现偏差.通过建立ACVG数学模型,分析管道埋深、外界干扰因素对ACVG法检测结果的影响规律. 【期刊名称】《煤气与热力》 【年(卷),期】2015(035)012 【总页数】5页(P74-78)

【关键词】数学模型;交流电位差;ACVG法检测;防腐层;干扰 【作 者】和宏伟;白冬军;冯文亮

【作者单位】北京市燃气集团研究院,北京 100011;北京市公用事业科学研究所,北京100011;北京市公用事业科学研究所,北京100011 【正文语种】中 文 【中图分类】TU996.8 1 概述

交流电位差(ACVG)法是通过向埋地钢质管道中施加一定频率的电流信号，如果管道的防腐层出现破损，特定频率的电流信号会从防腐层的破损位置溢出，以破损点为中心形成一个闭合的电场，不同破损程度的防腐层会形成不同形状和不同强度的电场［1］。通过使用PCM(多频管中电流测量仪)自带的A 字架附件，测量电场

中固定长度的电位差来判断和分析管道防腐层的破损位置与破损情况，达到防腐层检测评估的目的［2］。

在防腐层检测过程中，ACVG 容易受到环境因素的干扰和影响，例如，城镇小区中的各种频率的信号、土壤电阻率、被测管道埋深等，都会直接影响ACVG 的检测结果［3］，使检测结果出现偏差，甚至会出现错误。因此，缓解环境因素的干扰和影响，对影响因素进行修正，能有效提高ACVG 检测的准确性。

本文通过建立ACVG 的数学模型，研究特定频率的电流信号在管道防腐层破损点位置电位差的形成过程和分布情况，结合现场检测结果，分析不同环境因素对ACVG 检测结果的影响。 2 ACVG 数学模型

在利用ACVG 进行防腐层检测时，通过发射机向被测的埋地钢质管道施加一定频率的电流信号，该信号会随着管道距离的延长不断衰减，当管道的防腐层出现破损时，电流信号会有一部分溢出。虽然发射机发射的电流信号是交变的，但由于其频率较低，在某一时刻内可以近似静态处理。由于防腐层破损点与周围土壤是电连通的，从防腐层破损点溢出的电流会在周围的土壤中形成电位差［1］。电位差与溢出电流的大小、管道的埋深、破损点的分布、土壤电阻率、测量位置等因素有关。 根据溢出电流形成电位差的原理，建立数学模型。管道处于三维坐标系中，管道和防腐层破损点在三维坐标系中的分布情况见图1。由于管道埋设在地面以下，为了计算相对简单，假设坐标轴x 和y形成的xOy 平面为地面，管道的埋深(本文中“埋深”一词指地面到管道中心线的距离)为h，管道的纵向中心剖面位于xOz 平面。设管道上点A 为电流信号的起始施加点，测量方向沿着x 轴的正向。管道上破损点B 的坐标为(xb，rsin α，h－rcos α)，其中xb为防腐层破损点在三维空间中的横坐标，r 为管道的外半径，夹角α 为破损点B 与管道截面圆心连线偏离竖直方向(z 轴)的角度。当α 为0°时，破损点在管道的顶部，当α 为180°时，破损

点在管道的底部。

图1 管道和防腐层破损点在三维坐标系中的分布情况

当管道中的电流经过破损点B 时，会在该位置形成电流衰减，设电流的衰减值为ΔI，周围土壤的电阻率为ρ(认为一定距离范围内的土壤电阻率是均匀的)。根据防腐层破损点(点源)的接地电阻的计算公式和电位分布公式可以得出土壤中任一点电位值U［4］:

式中 U——土壤中任一点电位值，mV ΔI——电流的衰减值，A ρ——土壤的电阻率，Ω·m x，y，z——土壤中任一点的坐标 xs，ys，zs——防腐层破损点的坐标

由此可以得出土壤中任一观察点C(x，y，z)的电位为:

式中 U(x，y，z)——观察点C(x，y，z)的电位，mV x，y，z——观察点C 的坐标 h——破损点所在的埋深，m

当观察位置C 和破损点B 的具体位置一定时，U(x，y，z)与电流衰减值ΔI、土壤电阻率ρ、管道的埋深h、破损点在管道截面的位置参数α 有关。

在防腐层检测中，观察点C 在地面上且位于管道正上方，可将点C 的坐标进一步简化成(x，0，0)。点C 的移动只是发生在沿电流信号的衰减方向(x轴方向)，当从点C 出发沿着x 轴移动Δx 的距离到点D 时，点D 的坐标为(x +Δx，0，0)。将点C 和点D 坐标代入式(2)中，可以得到点C 与D 之间的电位差为:

式中 ΔU——点C 与D 之间的电位差，mV

在使用ACVG 法的过程中，一般先使用PCM 对防腐层的破损点进行定位，当定位完成后，将观察点C 置于防腐层破损点的正上方，则点C 的坐标简化为C(xb，0，0)，将C 点坐标代入式(3)，进一步得到:

PCM 通过自带的固定距离的A 字架测量两点之间的电位差，但PCM 显示的ACVG 读数不是电位差ΔU 本身。设PCM 的读数为β(一般称为DB 值，单位db)，β 与ΔU 的关系为:

式中 β——PCM 的读数DB 值，db

根据式(4)、(5)可以得出，防腐层破损点的DB值不仅与防腐层破损点位置的电流衰减有关，还与土壤电阻率、测量位置、管道埋深等因素相关。对于同一条管道的不同位置，上述的各个影响因素都在变化，所以在利用ACVG 法进行防腐层破损点的检测时，仅使用DB 值来对防腐层的破损情况进行定量评估是不科学的，还应对DB 值按照各个影响因素进行修正，得到归一化的DB 值，才能达到对管道防腐层有效评估的目的。

3 管道管顶埋深对电位差的影响

当管道长度较长而直径相对较小时，夹角α 对电位差的影响忽略不计，可以认为管道的防腐层破损点分布在管道的顶部，即夹角为0°。在对防腐层的破损情况进行检测时，PCM 能够显示管道的埋深，式(4)中(h－r)的数值可以得出(定义为管顶埋深)。在使用ACVG 法时，点C 与点D 的x 轴方面间距Δx 是固定的，Δx 为A 字架两个接地脚的间距，为固定值(约0.55 m)，式(4)可以进一步转化为:

式中 h2——管顶埋深，m

为了研究ΔU 与h2的关系，在电流信号强度一定的情况下，将 设定为不同的值，绘制电位差随管顶埋深的变化曲线，见图2。 图2 电位差随管顶埋深的变化曲线

从曲线的变化趋势中可以得出，随着管顶埋深不断增加，ΔU 不断减小。当h2从0到0.25 m 变化时，ΔU 减小速率非常大;当h2从0.25 m 逐渐增大时，曲线逐渐趋于平缓，ΔU 变化量减小。目前管道管顶埋深都能够达到0.25 m 以上，防腐层破损点位置处的电位差受管道管顶埋深的影响相对较小。的值越大，电位差受管顶埋深的影响也越大。如果管道周围的土壤电阻率较高(大于50 Ω·m)且防腐层破损位置的电流衰减较大时，管道的管顶埋深会直接影响着电位差的测量结果，所以在该种情况下，应对电位差的测量结果进行管道管顶埋深修正。 4 外界干扰对ACVG 测量结果的影响

在使用ACVG 法对管道防腐层进行检测时，使用的信号为低频信号。在城镇环境中存在大地的震动、车辆行驶、地铁运行、阴极保护电流波动、用户用电量的波动、各种线缆的交叉并行等情况，都会产生一定的低频干扰信号。干扰信号会流入、流出管道，与检测中所使用的低频信号产生叠加或抵消，在防腐层破损位置的电流衰减值ΔI 也随之发生变化。根据式(4)，干扰信号会造成管道防腐层破损点前后的电位差发生改变，直接影响ACVG 检测结果。

较大干扰时管中电流I 和DB 值随测量时间t的变化情况见图3。测量时选取北京城区某地下管段，使用两台PCM，测量点保持固定，一台PCM 测量管中电流I，另一台测量防腐层破损点位置处的DB值。对管道施加的电流为600 mA，持续时间约65 min，记录管中电流I 和ACVG 测量的DB 值随测量时间的变化情况。 由图3可以看出，DB 值变化与管中电流的变化呈正相关，即电位差变化与管中电流的变化呈正相关，DB 值最大波动范围在20 db 左右。存在外界干扰的情况下，不同时刻、不同位置的破损点受到的干扰程度各不相同，DB 值的变化程度也各有

差异，所以只根据DB 值来判断防腐层的破损情况是欠妥的，特别是当外界干扰的强度较大时，测量得到的DB 值会远偏离真实情况。

在外界干扰较小时，管中电流的变化相对比较平缓，当防腐层出现破损时，从防腐层流入、流出的电流变化也相对较小。较小干扰时管中电流I 和DB 值随测量时间t 的变化情况见图4。测量时选取北京郊区某地下管段，由于该地带距离城区相对较远，干扰较小，DB 值随时间变化的曲线相对平稳，DB 值的波动范围在5 db 之内。

图3 较大干扰时管中电流I 和DB 值随测量时间t的变化情况 图4 较小干扰时管中电流I 和DB 值随测量时间t的变化情况

在利用DB 值评估管道防腐层质量时，应该充分考虑周围的干扰因素，对被测管道周围的干扰情况有一定的预判，尽量选择干扰较小的时间段、区域来进行检测，或者利用管中电流值对DB 值进行修正，同样能在一定程度上缓解外界干扰对ACVG 检测结果的影响，提高检测的准确性。

另外需要说明的是，PCM 发射机可同时发射频率为4 Hz 和128 Hz 的电流信号，而PCM 接收机仅能够显示4 Hz 电流信号的强度值。128 Hz 电流信号一般作为定位信号，无法直接读出，需要通过蓝牙或特定的接收装置才能读取。由于128 Hz 电流信号读取过于复杂，很少用于防腐层的定量评估。在实际检测中发现，4 Hz 和128 Hz 的电流信号抗干扰能力是有差异的，以北京某地区城镇燃气管道为例，不同频率电流信号PCM 测量的电流衰减曲线见图5。 图5 不同频率电流信号PCM 测量的电流衰减曲线

测量地点处于环境较为复杂的小区，周围有电力线、过往车辆等。从测量结果上来看，在同一环境中，由于外界干扰，使用4 Hz 的电流信号和128 Hz的电流信号测量的管中电流的波动情况是不相同的。4 Hz 电流信号的管中电流曲线出现了明显的锯齿状，平滑程度较差，而128 Hz 电流信号对应的管中电流曲线相对平滑，

所以128 Hz 电流信号抗干扰能力要优于4 Hz 电流信号［5］。在外界干扰较为复杂的环境中，对防腐层破损点的DB 值进行管中电流衰减值的修正时，应优先考虑使用128 Hz 的电流信号对应的管中电流值。 5 结论

①ACVG 法是防腐层破损点检测的常用方法，通过对防腐层进行检测，完成对防腐层的质量评估。在实际检测中，ACVG 法易受到环境因素的干扰，使检测结果出现偏差。通过建立电位差的数学模型，分析外界因素对测量结果的影响规律。 ② DB 值与电流衰减值ΔI、管道的埋深、破损点在管道截面的位置参数、土壤电阻率、测量位置等因素有关，而直接使用DB 值来对防腐层的破损情况进行评估是不科学的，应该按照影响因素进行修正或归一化处理。

③电位差或DB 值在一定的管顶埋深范围内受管顶埋深的影响很大，但当管顶埋深超出某个特定范围时，对电位差或DB 值的影响随之减小。如果周围土壤电阻率较大，应充分考虑埋深因素并对其进行修正。

④ 被检测的管道周围环境中存在干扰信号，会对电位差或DB 值产生影响。在使用ACVG 法进行检测时，应选择干扰较小的时段、区域，或者利用管中电流值对DB 值进行修正。在复杂的干扰环境中，优先考虑使用128 Hz 的电流信号对应的管中电流值进行DB 值修正。 参考文献:

［1］曹备，张琳，杨印臣.地下管道腐蚀控制与检测评估［C］// 中国腐蚀与防护学会.2007年全国埋地管道腐蚀控制与检测评估工程技术交流会论文集.北京:中国方正出版社，2007:68－71.

［2］车立新，孙立国.埋地钢管外防腐层直接检测技术与方法［J］.煤气与热力，2007，27(1):1－4.

［3］吴知谦，鲜宁，陈宇波.特殊敷设环境对交流电位差法应用于防腐层检测的影

响分析［J］.化学工程与装备，2010 (11):136－137.

［4］胡士信.阴极保护工程手册［M］.北京:化学工业出版社，1999:419－425. ［5］武新生，和宏伟，金强，等.城镇环境中PCM 信号选择对防腐层检测的影响［J］.煤气与热力，2014，34(4):B31－B35.