CN104962925A - 无尾线海底管道密间距阴保电位及阳极输出电流测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的无尾线海底管道密间距阴极保护电位及阳极输出电流测量方法应用于，配合海底管道检测机器人ROV实现的牺牲阳极保护的有效性和阳极的输出电流等重要技术参数的测量。无尾线海底管道阴保电位及阳极输出电流测量的设备由内含三个测量电极的多功能探头、水下控制***、ROV上水平布置的两个参比电极等装置构成。配合水上计算机***，以密间距检测出海底钢质管道的真实保护电位，及镯式牺牲阳极的输出电流大小；用于实现对管道阴极保护有效性、阳极工作状态的评价，以及阳极剩余寿命的预测。无尾线的测量方法消除了对海底管道检测时，拖曳与管道管体相连的尾线时尾线易断、尾线长度受限，受海况影响大，影响检测区域内其他船只通行等弊端。
Description
技术领域
本发明涉及海底管线阴极保护状况的检测实现方法，属于腐蚀探测、海底管道检测的应用技术领域。集海底管道检测、阴极保护技术、管道电位测量方法、数学计算方法等技术为一体。
背景技术
海洋是一个腐蚀性极强的环境，钢铁构筑物在海洋环境中极易发生腐蚀破坏，海底油气钢质管道的腐蚀比陆上埋地管道要严重得多。海洋环境中的物理因素、化学因素和生物因素都会导致管道的腐蚀，而且一旦发生腐蚀破坏，维修极为困难，介质泄漏所造成的危害十分严重。由于海底管道的腐蚀是一个长期发展的过程，随着管线服役时间的延长，管道的防护设施也会发生损坏和老化，管体的腐蚀程度会不断加重，严重危害海底管道的运行安全。因此，通过定期检测来掌握海底管道的阴极保护设施是否处于正常的工作状态，测量保护电流密度，进而评估管体的腐蚀状态、管道上牺牲阳极的剩余寿命。这些参数对于保障海底管道的安全运行，防止管道发生泄漏事故都具有十分重要的意义。
常规的埋地管道阴极保护密间距电位测量(CIPS)方法是：用一根长导线(称为尾线)通过测量管道附近的某个测试桩上连线与管道相连，沿着管线路由以小的间距在地面上测量管体对大地的电压，当测得的管地电位负于－0.85V时认为管道处于完全的保护状态下。由于整条管道的金属管体可以看成一个电位的等势体，这样可测出管道路由上任意点的阴保电位数值，进而得到整个管线上保护电位的分布状况。CIPS检测设备是使用一个具有数据记录功能的精密毫伏表替换常规的万用表，对大量检测数据加以记录，并配合分析软件进行数据处理和分析。
而在海底管道进行CIPS检测的过程中，由于受海洋环境、海况及检测距离等因素的限制，检测尾线只能连接在较小的范围(一般＜2km)内。在管道上连接长距离的尾线是十分困难和不便的。
此外，由于海水的电阻率较低(为1～5Ω﹒m)，海洋中杂散电流等电性干扰较为轻微，工程中可以将远离管道的海水看成一个电位的等势体，采用远程参比电极，配合在管道上方海底自主行进的检测机器人(ROV)，能够间接地测量出管道相对于管道周边土壤(海泥、海水)的管-地电位，有效评价出管道上阴极保护的有效性。这种检测管道上阴极保护电位的方法克服了传统密间距电位测量过程中长距离施加尾线的种种不便，具有良好的实用性，可靠性。
国外对深海管道阴极保护检测的方法中，通常采用有尾线PRO/T以及无尾线的RPO/R两种方法。也采用两种的混合测量方法Hybrid ROV。在应用无尾线的PRO/R的测量方法中，对检测数据进行修正是技术的关键。
发明内容
本发明目的是为了解决海底管道密间距电位测量CIPS方法的实施中，使用长距离尾线带来的种种不便的问题。提供一种无尾线的，通过应用远程参比电极，实现海底管道阴极保护电位检测，并对测量误差进行修正的方法。
本发明的无尾线海底管道的密间距阴极保护电位测量方法应用于，配合海底管道检测机器人ROV实现的牺牲阳极保护的有效性和阳极的输出电流等重要技术参数的测量。无尾线管道阴保电位检测设备用于完成海底采用镯式牺牲阳极保护的钢质管道上，能够以任意小的间距检测出管道上阴极保护的真实保护电位，以及每个镯式阳极的输出电流大小，实现对管道阴极保护有效性、阳极工作状态的评价，以及阳极剩余寿命的预测。此外，通过对整条海底管线上阴极保护电位不达标点的定位，能够检测出管道外防护层的缺陷位置，并对缺陷严重程度做出评价。基于这样的测量结果，管道运行单位就能为海底管道外防腐层的维修及阴极保护故障的治理制定出更为科学的施工方案。
本发明首先提供了一种应用于电位测量的多功能探头，实现对海底管道保护电位及垂直电位梯度的测量；该探头包括探头壳体，探头壳体内中部设有固态银/氯化银参比电极两支，上下垂直布置，称为上参比电极和下参比电极，两支电极端头间距为25厘米；探头壳体底部设有一个不锈钢材质的针式电极，两支参比电极与针式电极连接探头壳体内上部设置的前置测量电路。
其次，本发明提供了一种无尾线海底管道密间距阴极保护电位以及镯式牺牲阳极输出电流的测量方法，可用于实现海底管道的阴保电位、阳极输出电流，以及管道外防护层缺陷的检测。
一、所述的无尾线海底管道密间距阴保电位的测量方法，应用四个电极，无尾线连接管体，具体方法包括：
第1、将所述的多功能探头安装在海底管道检测机器人ROV的前端，多功能探头通过其上的水下连接器与ROV上安装的水下控制***的主测量电路连接；ROV通过脐带电缆与工作母船上控制端计算机***相连，获得水上电源的电力。检测人员通过手柄操控ROV的前后航行、转向、上浮下沉等动作，实现对管道的自动或手动两种测量方式。在工作母船上同时拖曳一个远程参比电极。
第2、在测量开始的准备阶段，通过多功能探头内底部的针式电极与管体或管道上的镯式阳极相接触，由多功能探头内的前置测量电路测量出管道与多功能探头内下参比电极之间的电位差V下管连接，以及多功能探头内上参比电极和下参比电极之间在连接管道时的电位差ΔV探头连接，作为后继检测的基础参数。
第3、正式测量过程中，水下控制***中的主测量电路输入端与远程参比电极连接；应用多功能探头内的下参比电极与远程参比电极测量出ΔV下-远，以及多功能探头上参比电极和下参比电极之间在未连接管道时的电位差ΔV探头未接。
采用如下公式计算出海底管道的真实保护电位V真实，
式中，ΔV下-远为探头下参比电极相对于远程参比电极测得的电位差；
ΔV探头连接、ΔV探头未接分别是与管体连接和未连接时探头上下参比电位差值；
V下管连接是连接管道时测量出的探头下参比电极相对管体的电位基准值；
V真实是未连接管道时探头下参比电极的管地电位计算值。
二、本发明提供的海底管道镯式阳极输出电流的测量方法包括：
应用ROV上两个水平布置的参比电极及多功能探头内的两个垂直布置的参比电极，以及ROV上的海水电阻传感器进行测量，得出水平及垂直的电位差值ΔV水平、ΔV垂直以及单位长度内海水电阻值R海水，任意方向的单位距离内的电流为：
计算每只镯式阳极的输出电流为：
I总＝∑Ii·Δxi (7)
式中，I总为每只镯式阳极总的输出电流，单位mA，Ii为应用公式(6)第i个检测点上计算出的单位距离内阳极电流，△xi为每个电流测量点之间的距离，单位：m。
应用公式(6)进行计算时，求和的范围在阳极铺设位置两侧，水平电位梯度变号点之间。
本发明检测原理及计算依据：
定义：设ROV上水平参比电极之间的间距为l水平，单位：m；
多功能探头内上参比电极与下参比电极之间的间距为l垂直，单位：m。
1、海底管道真实保护电位的计算方法
应用远程参比法测量埋地管道阴极保护的真实保护电位时，需要施加尾线与管体连接，管线上真实阴极保护电位(消除IR降)的计算公式为：
V真实＝V近参-(V远参-V近参) (1)
式中，V近参为在管道上方地面，应用近参比电极测得的管地电位数值；V远参为在距离管道足够远的地面，施加远程参比测得管-地电位。
在测量海底管道上阴极保护电位时，根据阴极保护原理可以得出，远近参比电极的电位差(V远参-V近参)就是ROV探头内下参比电极对远参比电极测得的电位差值；
那么，在尾线连接管体时，海底管线的真实保护电位即可表示为：
V真实＝V下管-ΔV下远 (2)
式中，V下管为连接尾线时应用多功能探头内下参比电极测得的管地电位，V下远为连接尾线时应用远参比电极测得的管地电位。
由于海底管道沿线长距离测量时尾线与管体保持连接十分困难，无法直接测量V下管和V下远。
由阴极保护原理可知，在管体的周边流动的保护电流使管体附近的电位产生变化，电位的差值与管道周边流动的保护电流大小成正比。假设在整个测量段，海水的电阻率是一个定值，可得：
式中：I连接、I未接分别为通过与管体连接和未连接时，多功能探头附近流动的保护电流值；ΔV探头连接、ΔV探头未接分别为与管体连接和未连接时多功能探头内上参比电极与下参比电极之间的电位差值；
式中：
V下管连接为与管道连接时测量出的多功能探头下参比电极的管地电位基准值；
V下管未接为未连接管道时探头下参比电极的管地电位计算值；
由公式(2)，(4)可得在无尾线测量时：
式中，ΔV下-远为多功能探头下参比电极相对于远参比电极测得的电位差。
2.管道上镯式阳极输出电流的计算方法
应用ROV上两个水平参比电极及多功能探头内的两个参比电极，以及ROV上的海水电阻传感器进行测量。得出水平及垂直的电位差值ΔV水平、ΔV垂直以及单位长度内海水电阻值R海水，由公式(3)可推导出任意方向的单位距离内的电流为：
计算每只镯式阳极的输出电流为：
I总＝∑Ii·Δxi (7)
式中，I总为每只镯式阳极总的输出电流，单位mA，Ii为应用公式(6)第i个检测点上计算出的单位距离内阳极电流，△xi为每个电流测量点之间的距离，单位：m。
应用公式(6)进行计算时，求和的范围在阳极铺设位置两侧，水平电位梯度变号点之间。
本发明的优点和积极效果：
本发明应用于海底钢质管道腐蚀与防护的检测工程。测量的技术参数包括：管道的阴极保护电位、管道真实保护电位、管道上镯式阳极的输出电流等。应用本发明可通过搭载在海底管道腐蚀检测机器人ROV上的检测装置，实现对外防腐层缺陷的直流电位梯度DCVG检测、阴保效果的密间距电位CIPS检测等技术方法。
该发明集电位测量结构和方法、信号调理方法、测量结果计算模型、嵌入式***等技术为一体。技术方法及构成的海底管道***具有，无需拖曳长距离检测尾线、检测精度高、测量参数全、测量方法简单、检测有效距离长等优点，具体包括：
1)本发明采用海底管道阴极保护的无尾线测量，消除了对海底管道检测时，拖曳与管道管体相连的尾线，尾线易断、尾线长度受限，受海况影响大，影响检测区域内其他船只通行等弊端。
2)本发明的技术方法，可以测量出海底管道上镯式牺牲阳极输出电流，用于评估管道上牺牲阳极的工作状况，进而得出阳极的消耗程度，评估阳极的剩余寿命。
3)本发明可以广泛应用于各种海况下的海底管道腐蚀与防护状况的探测。对于埋于海泥、裸露在海底，甚至悬浮在海水中的管道，都具有良好的实用性。
附图说明
图1是本发明采用的测量探头结构示意图；
图2是实施无尾线海底管道阴极保护电位测量的示意图。
图中，1是水下连接器，2是前置测量电路，3是上参比电极，4是下参比电极，5是针式电极，6是水上控制端计算机***，7是从导航计算机发来的数据，8是从水下控制***传来的数据，9是工作母船，10是远参比电极，11是脐带电缆，12是多功能探头，13是水下控制***，14是ROV，15是镯式牺牲阳极，16是海底管道，17水平布置的两个参比电极。
具体实施方式
实施例1：海底钢质管道腐蚀检测***SEA-ROV的阴极保护电位及阳极输出电流的测量
海底钢质管道腐蚀检测***SEA-ROV是以搭载在ROV上的一组5个参比电极以及一个拖曳的远程参比电极的检测装置为核心，实施海底管道外防腐层、阴极保护有效性检测、阳极工作状态的专用设备。设备的功能是：在浅海的工矿条件下，实现对海底管道实施外防腐层的DCVG检测，阴极保护***的真实保护电位的CIPS以及管道上镯式阳极的输出电流等参数的检测方法。检测过程是，SEA-ROV检测人员通过手柄操控ROV的前后航行、转向、上浮下沉等动作，对管道的测量可以实现自动或手动测量两种方式。在工作母船上拖曳一个远程参比电极，电缆与尾线相同材质。通过工作母船，搭载水上计算机***、ROV操控***、电源***、GPS卫星定位***等；释放水下自主航行的海底管道检测机器人ROV，通过脐带电缆与***的电源、水上控制端的计算机***相连。实现海底管道的腐蚀检测。具体实施方法为：
一.硬件的实现(本发明除特别声明外，所有硬件均为市场上购买的标准件)：
多功能探头，搭载在ROV 14前端。该多功能探头包括探头壳体，探头壳体内设置3个电极：探头壳体底部顶端的不锈钢材料针式电极5，以及探头壳体内中部上/下布置的两个固态银/氯化银参比电极，称为上参比电极3和下参比电极4，两支电极端头距离25厘米，结构见图1。ROV前后水平布置的两个固态银/氯化银参比电极17，电极端头距离75厘米。由工作母船拖曳的远程固态银/氯化银参比电极一支，距离ROV测量点地距离＞30米；
水上控制端计算机***，包括主机、显示器、键盘、鼠标、操控手柄等，操作***为Windows 7专业版；
水下控制***，为微处理器构成的主测量电路及控制子单元，实现：检测电路控制、结果实时计算、数据存储，电源管理、与水上控制端计算机***的网络通信等功能。
配合远程参比电极测量的***结构及布置见图2。
实现SEA-ROV设计功能指标：
A、ROV下潜最大深度50m。
B、电源功率4000瓦。
C、脐带缆长度150m。
D、远程参比电极距检测ROV距离＞30m。
二.检测方法的实现：
1、无尾线海底管道密间距阴极保护电位的测量方法，具体方法包括：
第1、将多功能探头12安装在SEA-ROV的前端，多功能探头通过其上的水下连接器1与ROV上安装的水下控制***13中主测量电路连接；水下ROV通过脐带电缆11与工作母船9上控制端计算机***6相连，获得水上电源的电力。检测人员通过手柄操控ROV的前后航行、转向、上浮下沉等动作，对管道的测量可以实现自动或手动测量两种方式。在工作母船上同时拖曳一个远程参比电极10。
第2、在测量开始的准备阶段，通过多功能探头内的针式电极5与管道16或管道上的镯式牺牲阳极15相接触，由多功能探头内的前置测量电路2测量出管道与多功能探头内下参比电极之间的电位差V下管连接，以及多功能探头内上参比电极和下参比电极之间的有尾线连接时电位差ΔV探头连接，作为后继检测的基础参数。
第3、正式测量过程中，水下控制***中的测量主电路输入端与远程参比电极连接。应用多功能探头内的下参比电极与远程参比电极测量出ΔV下-远，以及多功能探头上/下参比电极之间的无尾线连接时电位差ΔV探头未接。
采用公式(5)计算出海底管道的真实保护电位V真实。
2、海底管道镯式阳极输出电流的测量方法，包括：
应用ROV上两个水平布置的参比电极及多功能探头内的两个垂直布置的参比电极，以及ROV上的海水电阻传感器进行测量，得出水平及垂直的电位差ΔV水平、ΔV垂直以及单位长度内海水电阻值R海水，由公式(6)计算出任意方向的单位距离内的电流。
应用公式(7)计算每只镯式阳极的输出电流，求和的范围在阳极铺设位置两侧，水平电位梯度变号点之间。
海底钢质管道腐蚀检测***SEA-ROV的技术规格为：
| 数据存储方式 | 水上计算机***SQLserver数据库 |
| 上位机接口 | 局域网 |
| 数据通道 | 共4通道，1通道电流，3通道电位， |
| 检测功能 | 阳极输出电流、管道保护电位 |
| 自动记录周期 | 50mS |
| 最大记录时间 | ＞24小时 |
| 记录精度 | 阳极输出电流1mA，保护电位2.0mV |
| 数据显示 | 上位机实时数据显示 |
| 工作温度 | 10℃～+50℃ |
| 软件 | 数据分析显示及控制软件ROV-Dview |
参考文献:
1. NACE TM0497-2002Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protectionon Underground or Submerged Metallic Piping Systems地下或水下金属管道上与阴极保护准则相关的测量技术。
2. NACE SP0207-2007Performing Close-Interval Potential Surveys and DC Surface PotentialGradient Surveys on Buried or Submerged Metallic Pipelines埋地或水下金属管道上密间距和直流表面电位梯度测量的实施。
3.肖治国等,海底管道水下机器人检测技术《中国石油和化工标准与质量》2014年03期。
Claims (3)
1.一种应用于电位测量的多功能探头，实现对海底管道保护电位及垂直电位梯度的测量；该探头包括：探头壳体，探头壳体内中部设有固态银/氯化银参比电极两支，上下垂直布置，称为上参比电极和下参比电极，两支电极端头间距为25厘米；探头壳体底部设有一个不锈钢材质的针式电极，两支参比电极与针式电极连接探头壳体内上部设置的前置测量电路。
2.一种无尾线海底管道密间距阴保护电位测量方法，该方法应用四个电极，无尾线连接管体，具体测量方法包括：
第1、将权利要求1所述的测量多功能探头安装在海底管道检测机器人ROV的前端，多功能探头通过其上的水下连接器与ROV上安装的水下控制***的主测量电路连接；ROV通过脐带电缆与工作母船上控制端计算机***相连，获得水上电源的电力；检测人员通过手柄操控ROV的前后航行、转向、上浮下沉动作，实现对管道的自动或手动两种测量方式；在工作母船上同时拖曳一个远程参比电极；
第2、在测量开始的准备阶段，通过多功能探头内底部的针式电极与管道上的镯式阳极或管体相接触，由多功能探头内的前置测量电路测量出管道与多功能探头内下参比电极之间的电位差V下管连接，以及多功能探头内上参比电极和下参比电极之间的电位差ΔV探头连接，作为后继检测的基础参数；
第3、正式测量过程中，水下控制***中的主测量电路输入端与远程参比电极连接；应用多功能探头内的下参比电极与远程参比电极测量出△V下远，以及多功能探头上参比电极/下参比电极之间的电位差ΔV探头未接；
采用如下公式计算出海底管道的真实保护电位V真实，
3.一种海底管道镯式牺牲阳极输出电流的测量方法，其特征在于该方法包括：
应用ROV上两个水平布置的参比电极及权利要求1所述的多功能探头内的两个垂直布置的参比电极，以及ROV上的海水电阻传感器进行测量，得出水平及垂直的电位差值ΔV水平、ΔV垂直以及单位长度内海水电阻值R海水，单位距离内任意方向的电流为：
则每只镯式阳极的输出电流为：
I总=ΣIi·Δxi (7)
式中，I总为每只镯式阳极总的输出电流，单位mA，Ii为应用公式（6）第i个检测点上计算出的单位距离内阳极电流，△xi为每个电流测量点之间的距离，单位：m；
应用公式（6）进行计算时，求和的范围在阳极铺设位置两侧，水平电位梯度变号点之间。
Priority Applications (1)
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