佛山市三水燃气有限公司 广东佛山 528100
摘要：埋地燃气管道已经被广泛的使用与城镇燃气供应系统中，目前存在两种类型的管材，第一是聚乙烯塑料管材，第二是钢制管材。如何能准确的将管道位置进行定位，如何能有效保护钢制管材不受到腐蚀或少受到腐蚀，是每个城市燃气经营者都曾考虑的问题。本文从如何正确使用管线检测仪和使用阴极保护系统保护钢制管道的角度上，加之近些年来总结分析的数据对上述议题进行讨论。
关键词：示踪线；PE管；电磁场；线圈；牺牲阳极；保护电位
引言
近年随着经济飞速发展和科技的不断进步，燃气埋地管在管材的使用上已经多元化，我国从80年代初开始对聚乙烯燃气管进行研究，1982年开始首次使用聚乙烯管作为输送燃气的管道。目前PE燃气管正在国内燃气行业迅速推广使用，因聚乙烯PE管是绝缘体，常规电磁法无法探测到管道位置及深度，本文结合佛山燃气管网阴极保护电位的概况及一些实际工作检测数据进行总结分析，探讨了一些有效探测埋地聚乙烯PE管位置的方法。
1、燃气PE管的探测方法
1.1、聚乙烯PE管的特性
聚乙烯燃气PE管具有许多卓越特性，如耐低温，韧性好，耐腐蚀、刚柔相济。完全没有埋地钢管随着使用时间长会发生腐蚀泄漏的情况，由其在大城市中有地铁运行的地方，聚乙烯管完全没有杂散电流电腐蚀的担心，安全性在正常使用时高于钢管，但是聚乙烯管受人为破坏的可能性又高于钢管，因此，防止人为破坏成为了日常维护的重点。
因聚乙烯管是绝缘体，用常规电磁法无法探测到管道位置和深度。为了能够采用常规方法进行探测，要求敷设聚乙烯管的同时，也敷设一条金属示踪线。
对于示踪线基本要求是：示踪线要与聚乙烯管道埋在同一位置或者固定于相对位置，用常规电磁探测仪器能够探测得到，目前一般采用的是电线电缆等金属丝作为示踪线敷设（2.5mm2以上砌面多股电线），现在市场上也有警示带内夹放金属铝箔，将警示带与示踪线合二为一的产品。（我公司暂未使用该种警示带）
1.2、非金属管线的探测方法
测地下非金属管线之所以是一项世界难题，主要因为非金属管线不导电不导磁，基本绝缘，不能用金属管线探测仪探查。示踪线实际上是在非金属管线铺设时，同时完成铺设的一条导线。非金属管线铺设示踪线后，日后的探查工作就相对较易，可以通过金属管线探测仪，探测示踪线产生的电磁场中心位置来确定示踪线的空间位置，从而达到确定埋在地下非金属管线位置的目的，示踪线不仅要有导电性能，还要有一定的抗拉强度。目前示踪线的线芯一般采用单股或多股铜电芯线，为了使探测示踪线时信号更强，施工时示踪线末端应尽量减小接地电阻；探测时最好采用直接向示踪线施加信号法，这样干扰少、信号强，探测效果比较理想。
1.3、示踪线的探测原理
探测示踪线在国内已有多种不同品牌的探测仪器，其探测原理都是利用电磁为基础的。金属电导体在有电流通过时，会以导体为中心形成一个电磁场，探测聚乙烯管道的原理是在示踪线上施加上一个电流信号，电流在示踪线周围产生一个电磁场，通过探测仪器接收其电磁场的中心位置及埋深。其电流变化的公式为：Ix=IUe-（k*w*c*p/1+R*w*c）*X
式中：Ix…………导体中任一点的电流强度（A）
X…………与供电点的距离（M）
W…………供电频率（HZ）
C…………导体的分布电容
R…………导体的表面电阻
P…………导体电阻率（Ω.m2）
K…………常系数（K＜1）
探测PE管道的示踪线可以用主动源法及被动源法来给管道施加探测信号：
1.3.1有源法
就是把探测信号直接施加到示踪线上，并且电流随管道方向流动，称为主动源法。通过接收仪器探测电磁场位置，从而确定管道的位置与埋深。该方法的优点是信号强，干扰少，探测结果准确，缺点是探测时要有示踪线的端头接口并且示踪线必需导通。
1.3.2 无源法
无源法是发射一个交流电磁场，电磁感应电流再以示踪线为中心产生另一个电磁场，这个电磁场叫二次感应电磁场。用接收仪探测二次场的所在位置，从而确定出示踪线的方位。该方法的优点是操作简单易行，无需要有管道的端口加信号，缺点是接收到的信号不强、受外界环境干扰多，探测准确率可信度低。
1.4、管线的探测方法
探测示踪线位置有二种方法（图3、图4）
1.4.1极大值法（峰值法）
利用探测仪器垂直线圈测量电磁场水平分量。由于地下管线形成二次电磁场水平分量在其正上方最大，所以在管线的地面投影位置上出现极大值，极大值也就是管线的位置。
1.5、管线埋深的探测方法
管线埋深的探测有以下几种方法；
1.5.1 直读法
有些地下探测仪利用上下两个线圈测量电磁场的梯度，而电磁场梯度与埋深有关，所以可以在接收机中直接测出地下管线的埋深，这种方法简单而且在埋地管线不复杂的条件下有较高的精度，但由于管线周围介质的电性不同，可能影响直读埋深数据的精度。
1.5.2 45度法
先用探测仪使用极小值法确定示踪线位置，然后将接收机线圈与地面成45度状态，再沿垂直方向移动，寻找“零值点”该零值点之间的距离就等于地下管线的埋深。
1.5.3 70%法
先用探测仪器使用极大值法确定示踪线位置，然后仍保持接收机的垂直状态，沿垂直管线方向移动，寻找两侧幅值定位点为最大幅值70%的点，该两点之间的距离等于地下管线的埋深。
1.5.4 极值法
先用水平线圈极小值定位后，仍保持接收线圈水平状态，沿垂直管线方向移动，寻找极小值点的位置，该极小值点和极大值点之间的距离，等于地下管线的埋深。
1.6、实际探测中的影响因素
无论选用主动源法还是被动源法来探测示踪线，而示踪线周围有其他金属管线存在时，其他金属管线的位置不同，对探测结果的影响也有所不同。
1.6.1示踪线水平位置≤1米有其它金属管线并且二条管线埋深一样时、会形成二个波峰信号，但示踪线波峰信号会强于金属管线。
1.6.2示踪线水平位置≤1米有其它金属管线时并且金属管线理于示踪线上方时波峰信号会偏向于金属管线的位置，形成示踪线波峰信号会小于金属管的情况。
1.6.3示踪线的正上方有其它金属管线时，示踪线的电磁场会被金属管线的电磁场覆盖并可能对示踪线的电磁场产生屏蔽作用、或出现两个信号峰值点的情况，两个峰值点的大小与示踪线和金属管线之间的埋深有关，当有这种探测结果时，往往就是峰谷就是示踪线的中心位置。
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1.7、减少探测时的影响
在二条管线相距较近时，其他管道又没有防腐绝缘层而直接埋地，其中没有防腐绝缘层的管道，所探测到的电磁场信号要比示踪线所感应到的电磁场信号大很多，从而产生二次感应电磁场，这个电磁场会干扰示踪线的电磁场，使在探测时找不到示踪线电磁场峰值点。对于上述的情况就要转换发射机的频率和功率，使之与金属管线感应的二次电磁场的电磁频率不相对应，避开其他管线的干扰，方能正常探测。
如果选用较高的电磁场频率探测灵敏度就会越高，对示踪线接头电阻大的管线有较好的探测效果，但信号衰减会比较快，而且会容易感应到相邻的管线上，对区分相邻管线造成不利。相反在较低的频率信号衰减速度会比较慢，探测距离会更长。而且不易感应到相邻管线上，对区分相邻管线有利，但当管线导电性差或接头绝缘电阻大时，信号不易传递、探测效果较差。因此，在不同探测条件下要选用不同电磁频率，避开其他管线的干扰。
2、阴极保护电位不合格原因分析及解决办法
2.1、腐蚀电位和自然电位
每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位或自然电位。腐蚀电位表示金属失去电子的相对较易。电位愈负愈容易失去电子，我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去电子受到腐蚀而阴极区得到电子受到保护。
2.2、什么是阴极保护
阴极保护是指将被保护金属（如燃气管道）进行阴极极化，使电位负移到被保护金属表面阳极的平衡电位，消除其化学不均匀所引起的腐蚀电位，使金属免遭土壤的腐蚀。即用辅助阳极或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道设备的腐蚀。从而达到延长被保护管道的使用寿命，提高其安全性和经济性的目的。
2.3、牺牲阳极的优缺点
2.3.1牺牲阳极的优点：①不需要外加电源；②很小的维护费用；③自身的电流不会形成杂散电流的干扰；
④容易安装；⑤易于增加阳极数量；⑥提供均匀的电流分配；⑦极小的路权费用。
2.3.2牺牲阳极的缺点：①较低的驱动电压或电流；②对于劣质防腐层结构物需要较多的阳极；③在高电阻率的土壤环境下保护有可能无较；④由于较低的电流效率使费用高于外加电流阴极保护；⑤更换报废的阳极费用昂贵或困难。
2.4、阴极保护电位的测量方法
2.4.1阴极保护电位的测量
测量方法主要采用近参比电极法，测试点主要为管道的测试桩、放水阀和阀井处。由于设计原因，测试桩未配备长效硫酸铜参比电极，测量时必须自备。测量时，参比电极应于土壤充分接触。在测量实践中，若土壤比较干燥，可进行浇水湿润处理。在城市中，大多数的埋地管道铺设在人行道，符合条件的点不多。在我司70km的埋地钢质管道，总共选取了150个测量点，计每460m左右有一测量点，基本符合相关测量标准的要求。测量周期为半年一次，测量结果进行记录、比对，绘制管道保护电位图，分析电位波动原因。
2.4.2阴极保护的效果检测
a.土壤腐蚀性调查：这是一项基础性的工作，一般在管道设计前完成。因为土壤腐蚀性调查结论直接关系管道防腐材料和等级的确定、阳极材料的选取、阴极最大保护半径。由于之前未进行类似的调查，我司委托了专业公司进行了一次检测。检测的主要内容包括土壤杂散电流、土壤电阻率、自然腐蚀电位、氧化还原电位、土质类型分析、土壤的酸碱度（pH值）、含水量、含盐量（SO-24、CL-1）等。检测标准为沿管线每500m选取一点。检测数据表明，沿线1m左右深度地层土壤均为回填土，大部分属于红粘土加粗沙石，少部分为建筑垃圾，根据德国DIN50929《土壤腐蚀性的影响及评价指数》标准综合打分后评定土壤腐蚀等级为中等。土壤杂散电流方面，绝大部分区域杂散电流检测值在0．60mV／m--3．2mV／m之间，平均值为2．20mV／m．所测地段基本没有杂散电流存在。但个别地方（距高压电铁塔很近的地方）杂散电流刚超过5mV／m。这些地方需进行排流处理或加强监测。
b.电流测量；电流测量包括牺牲阳极输出电流和管道保护电流，由于测量管道保护电流在目前的条件下必须破坏防腐层，我司没有进行该项目检测。我司进行的是牺牲阳极输出电流检测，周期为半年一次，为保证测量结果准确，必须使用高内阻万用表。检测结果进行记录、比对，若发现输出电流异常，超出正常保护电流范围，必须对该部位进行防腐层缺陷检测，确定是否因防腐层老化、缺陷、性能下降引起，或进行牺牲阳极开挖，确定是否牺牲阳极故障。
c.绝缘法兰绝缘性能检测：没有绝缘就没有阴极保护，从某种意义上讲，绝缘效果决定阴极保护的成败。我司管网目前采用的绝缘形式为绝缘法兰，已有充分的工程实践证明该绝缘形式是不太可靠的。因此，必须对所有的绝缘法兰进行定期检测和维护，以免阴极保护电流流失，管网得不到阴极的有效保护。
2.5、阴极保护与防腐
新旧管道连接后，由于新铺设的管道腐蚀电位低，旧管道电位高，电子从新管道流向旧管道，新管道首先腐蚀。同一种金属接触不同的电解质，而电解质的浓度、温度等条件不同，也会造成金属表面各点电位的不同。当阴极保护系统不能给管道提供足够的阴极保护电流时，防腐层缺陷处会发生腐蚀；当阴极保护系统给管道提供的阴极保护电位过负时，防腐层又会发生剥离。所以阴极保护电位应控制在-0.85V 至-1.5V之间。
2.6、管网现状电位的分折
2.6.1牺牲阳极阴极保护失效的成因：
出现阴极保护失败原因比较复杂，阴极保护系统要素出现问题均可能导致保护电位不合格。跟据以往经验，总结出以下几点原因：①阳极所处位置土壤电阻率太高。阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。②管道防腐层整体质量变差，缺陷多，流失的阴极保护电流多。③楼栋引入管绝缘法兰（接头）失效导致地管与楼栋盘管塔接。④埋地管道防腐层破损并与其它金属管线短路塔接。⑤杂散电流从管道的某一部位进入管道，电流流入管道后会直接影响到被保护管道阴极区的电位。
以上阴极保护系统失效的原因可能是一种，也可能是几种情况同时发生，此时原因将更加复杂。
2.6.2管网阴极保护电位的概况
2013-2014年三水燃气共检测楼栋5000栋，阴极保护电位基本在有效的保护范围以内，绝大多数保护在-1.2v至-1.5V之间，基本达到燃气管-0.85V的阴极保护标准，只有极少数的2个小区约14处楼栋引入管阴极电位保护不合格。
2.6.3电位不合格区域原因的分折及解决办法：
经发单整改，在小区头尾二端管道各加装4KG牺牲阳极，再次复测电位以达-1.35v至-1.45v，完全达到阴极保护的标准要求。
b.东海南湾一期低压管
该小区大约竣工于07年，为小区集中调压式供气，阴极电位普查时，发现16-23座阴极电位没达到保护要求，该段管道在19座设中低压调压箱，调压后经低压管道输送供9栋楼房用气，低压管线为一段长约300米的D57燃气钢管，并安装3组牺牲阳极，普查时保护电位在-0.5V至-0.71V之间，电位数值基本为钢管的自然电位，如果阴极保护正常该种新管道的保护电位应在-1.35V左右。
后经施工方整改加装19座低压管绝缘法兰后，探测该小区电流分布情况均无发生异常，电流程平均分布状，测量每栋楼的阴极保护电位在-1.27V至-1.34V之间，保护电位已达到优良状态。
结语
我们的管网某些钢管牺牲阳极也已投入运行多年，防腐层开始老化，阳极在不断消耗，保护电位呈上升趋势，保护率会逐渐下降，所以在这方面我们应加强管理。下一步我们可以做试验性的开挖，查看埋设时间长的阳极情况，摸清和掌握地下燃气管线的腐蚀和阴极保护现状，避免管道日后发生腐蚀穿孔事故、提高管网运行的安全性。再者可以建立一个阴极保护管理信息系统，使阴极保护工作从单一的管理维护、逐渐向隐患预警的职能提升，使阴极保护更好地为管网长期的安全运行服务。
参考文献：
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[3]王志强 张宁.城镇燃气规划建设与管理[M]；
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论文作者:姚成俊,陆杰武
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/9
标签：阴极论文; 管线论文; 电位论文; 管道论文; 阳极论文; 电磁场论文; 电流论文; 《基层建设》2017年第19期论文;