專利名稱：地下管道陰極保護(hù)電位負(fù)偏移測(cè)量探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種地下管道陰極電位測(cè)量裝置中的一個(gè)部件，確切地說是這種測(cè)量裝置的探頭及利用這種探頭測(cè)量陰極保護(hù)電位各種參數(shù)的方法。將這個(gè)探頭埋在地下管道附近，與地上的電位測(cè)量部分組合成地下管道電壓測(cè)量裝置。利用這個(gè)裝置可以方便地測(cè)量消除IR降影響的管-地電位，地下管道某一部位的保護(hù)電流密度，電位負(fù)偏移和自然腐蝕狀態(tài)下的腐蝕電流外，又可用來消除雜散電流的干擾和防止參比電極的流空。
隨著石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，地下長(zhǎng)輸管道敷設(shè)越來越多。但通常是金屬材料，例如16Mn鋼，制成的管道，這種管道因土壤、地下水和細(xì)菌的腐蝕，造成的經(jīng)濟(jì)損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。為防止地下管道被腐蝕，目前采用較多的是陰極保護(hù)技術(shù)，即使地下管道帶一定的負(fù)壓(陰極)，能有效地防腐蝕。為判定陰極保護(hù)的效果，需要測(cè)量管道相對(duì)地電位的指標(biāo)，所謂測(cè)量管-地電位。但是由于地下管道穿越的土壤環(huán)境往往有很大差別，因而管道的自然電位變化范圍比較寬。這時(shí)，單憑管-地電位來判定就提供不了準(zhǔn)確的依據(jù)，例如，用常規(guī)測(cè)得的管-地電位已經(jīng)達(dá)到或者已經(jīng)超過了最小保護(hù)電位，而實(shí)際上地下管道并沒有真正達(dá)到最小保護(hù)電位，管道的金屬表面還會(huì)以較明顯的速度被腐蝕。或者，用常規(guī)測(cè)得的管-地電位達(dá)到最小保護(hù)電位，但實(shí)際上在達(dá)到測(cè)得電位以前管道已經(jīng)超過了最小保護(hù)電位，則增加電力消耗和對(duì)鄰近地下設(shè)施產(chǎn)生干擾。在這些情況下就應(yīng)該用電位負(fù)偏移指標(biāo)，提供正確的判斷。
已有的用于地下管道陰極電位測(cè)量裝置所配備的測(cè)量探頭主要是為克服IR降的影響，測(cè)量真實(shí)的管-地電位。復(fù)雜的多功能探頭除了能夠測(cè)量消除IR降影響的管-地電位之外，還可以測(cè)量地下管道某一部位的保護(hù)電流密度，以及用其來消除雜散電流的干擾和防止參比電極的流空。但是這些探頭都不能用來測(cè)量電位負(fù)偏移。所以實(shí)際測(cè)量電負(fù)偏移常采用的方法是，將已經(jīng)處于陰極保護(hù)作用的地下管道仃電一百多小時(shí)，測(cè)其自然電位，然后確定其電位負(fù)偏移。這種方法，不但影響了陰極保護(hù)運(yùn)行率，而且究竟仃電多長(zhǎng)時(shí)間，地下管道才能恢復(fù)到自然電位也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)可依，它受到管道所處的自然環(huán)境，例如，土壤、管道的防腐層質(zhì)量，管道的長(zhǎng)度，直徑及陽極保護(hù)作用的時(shí)間長(zhǎng)短等各種因素影響。而確定這些因素的影響只能憑經(jīng)驗(yàn)，因而影響測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
此外，對(duì)地下管道腐蝕部份的判斷，通常采用測(cè)量電位梯度的方法來實(shí)現(xiàn)。這種方法測(cè)量的工作量大，必須要測(cè)量一定長(zhǎng)度的管道的電位-距離圖，才能做出定性地判斷。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種用于地下管道陰極電位測(cè)量裝置中的測(cè)量探頭，使用這種探頭，能夠在現(xiàn)場(chǎng)方便測(cè)量地下管道各種參數(shù)。例如1、消除IR降影響的真實(shí)的管-地電位;
2、某一部位的保護(hù)電流密度;
3、電位負(fù)偏移;
4、自然腐蝕狀態(tài)下的腐蝕電流密度。
本發(fā)明的測(cè)量探頭的結(jié)構(gòu)如

圖1所示。其中1、外殼;2、內(nèi)套;3、銅電極;4、大固定架;5、小固定架;6、導(dǎo)套;7、封盤;8、輔助電極A;9、輔助電極B，10、微孔瓷片;11、密封圈;12、銷母;13輔助電極C。
該探頭由三個(gè)輔助電極(8、9、13)和一個(gè)永久性固體參比電極(3)組成。輔助電極的材料同地下管道選取同樣材質(zhì)，例如通常為16Mn鋼。輔助電極的表面經(jīng)磨光處理后，用丙酮或苯等擦干，然后鑲嵌在探頭的外殼(1)的側(cè)面和底部的大、小固定架(4、5)上。輔助電極用環(huán)氧樹酯、瀝青封口漆或石蠟等絕緣，防水材料固定。永久性固定參比電極位于探頭中央，其微孔瓷片(10)由大固定架(4)固定在外殼的側(cè)面，通過導(dǎo)套(6)與內(nèi)套(2)相通。輔助電極和永久性固體參比電極的聯(lián)接電纜經(jīng)探頭中心引出。輔助電極A(8)通過接線盒與地下管道相聯(lián)。輔助電極A的面積確定主要是由有代表性的深層缺陷及管道的陰極保護(hù)狀況所決定。輔助電極A的面積選得越大，測(cè)得消除了IR降影響的陰極保護(hù)電位值越正。于是，如果由一定面積上測(cè)得的管-地電位達(dá)到了最小保護(hù)電位。那么，比該輔助電極面積大的那些涂層缺陷處可能達(dá)不到最小保護(hù)電位，而比該輔助電極面積小得多的涂層缺陷處可能會(huì)產(chǎn)生過保護(hù)。電極A的面積越小，越能減少管道的防腐層泄漏面積。同時(shí)，減小了陰極保護(hù)電流的消耗。但面積小過，產(chǎn)生的電信號(hào)弱，也影響測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本發(fā)明輔助電極A選取5～30cm2為宜。較佳的輔助電極A的面積為15～25cm2。
輔助電極B，用來確定地下管道周圍土壤的腐蝕性，隨時(shí)確定地下管的自然腐蝕電位。輔助電極B與輔助電極A配合使用，因此，輔助電極B的面積應(yīng)取與A相同。較佳的電極面積為15～20cm2。
輔助電極C通過地上測(cè)量裝置的接線盒與地下管道相連，用來確定管道上一定面積的涂層缺陷處陰極保護(hù)電流密度，指示陰極保護(hù)未投入運(yùn)行時(shí)，地下管道上的陰極區(qū)和陽極區(qū)。輔助電極C面積為0.5～1.5cm2時(shí)，測(cè)得的保護(hù)電流密度符合推薦的保護(hù)電流密度值。較佳的表面積為1cm2左右。
永久性固體參比電極由銅電極(3)和含有一定吸水材料的硫酸銅晶體粉未組成。銅電極與硫酸銅粉要有充分的接觸，其接觸表面積為30～70cm2為適宜。永久性固體參比電極與飽和甘汞電極間的電位差為73.0～74.2mV，它與液體Cu/CuSo4參比電極間的電位差為1.4mV。永久性固體參比電極的多孔瓷片鑲進(jìn)測(cè)量探頭的外殼內(nèi)2～3cm與微孔瓷片相接的導(dǎo)套(6)內(nèi)用膨潤(rùn)土將這個(gè)凹陷空間填滿，以保持參比電極內(nèi)所需的濕度。電極下靠進(jìn)底部加密封圈(11)進(jìn)行密封，上部用封盤(7)固定。
本發(fā)明的探頭外殼(固定輔助電極A、B、C及微孔瓷片)和內(nèi)套(中有電極，固定導(dǎo)套)之間的空隙充入環(huán)氧樹酯，瀝青封口漆或石蠟等絕緣材料。充填的絕緣材料起固定電極，使探頭內(nèi)部防水、防銹等作用。探頭的外殼、內(nèi)套可由耐腐蝕，絕緣性能好的材料，例如塑料、聚四氟乙烯、電木、陶瓷、玻璃、橡膠等制造而成。其探頭外形可制成園柱體、多邊柱體或其它柱體。輔助電極A、C與微孔瓷片于探頭的同一截面上，輔助電極B位于探頭的底部。輔助電極A、C與輔助電極B之間盡可能縮小其距離，一般150～300mm間距(電極A、C和微孔瓷片的中心所在平面和電極B所在平面)較為合適。各電極的引線合用一根帶有屏蔽金屬網(wǎng)的多組導(dǎo)線，由探頭的上部引出。探頭組裝完畢后，其頂部用環(huán)氧樹脂或?yàn)r青封口膠密封好后加封盤(7)蓋好，封盤上用銷母(12)固定。
本發(fā)明柱體的底面大小，沒有一定的要求，因輔助電極B的表面為5～30cm2，底面大小可選φ150～350mm。柱高與柱底面直徑的比可選1～4。選取柱高時(shí)，應(yīng)使內(nèi)套內(nèi)，銅電極與硫酸銅晶體有充分的接觸，以達(dá)到接觸面積為30～70cm2為宜。
利用本發(fā)明的探頭，配合地面電位測(cè)量裝置，可以方便的測(cè)量地下管道的各種參數(shù)。其測(cè)量使用方法如下所述。
首先將探頭埋在與地下管道深度相同與管道外壁的距離約為0.5～0.6米的地下。探頭與地下管道的聯(lián)結(jié)及測(cè)量時(shí)的接線如圖2所示。圖2中K1、K2、K3、K4為開關(guān)，R為永久性固體參比電極;
A、B、C分別為輔助電極A、B、C;P為與管道連接端;
R0為電流采樣電阻;X-T為自動(dòng)平衡記錄儀或高阻電壓表;此外，a、中斷器;b、探頭接線盒;c、本發(fā)明探頭;d、涂層地下管道。
測(cè)量前，將探頭上的輔助電極A、B、C和永久固體參比電極R分別接入探頭接線盒(b)的A、B、C和R端子，并將管道引出線接入接線盒(b)的P端子，合上開關(guān)K1、K2、K3、和K4，使輔助電極A和C與管道相連，處于與管道同樣的陰極保護(hù)狀態(tài)。探頭埋入地下48小時(shí)后，便可進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的測(cè)量。
測(cè)量地下管道保護(hù)電位，管-地電位的方法是將探頭的輔助電極A和固體參比電極(3)的兩端接入自動(dòng)平衡記錄儀，在地下管道和輔助電極A之間串聯(lián)中斷器(a)，當(dāng)中斷器(a)接通時(shí)，可以測(cè)到陰極保護(hù)電流存在時(shí)的保護(hù)電位Von，即測(cè)得管-地電位;而在中斷器(a)斷開時(shí)，可以測(cè)到陰極保護(hù)電流斷開時(shí)的保護(hù)電位Uoff，即測(cè)得消除IR降影響的管-地電位。
測(cè)量地下管道保護(hù)陰極電位負(fù)偏移的方法是將探頭永久性固體參比電極與輔助電極B間所測(cè)得的電位為地下管線的自然腐蝕電位(UN)，自然腐蝕電位(UN)與保護(hù)電位(Von、Uoff)之差，即為地下管道保護(hù)陰極電位負(fù)偏移參數(shù)，電位負(fù)偏移參數(shù)可用下式表示通電后電位負(fù)偏移＝Uon-UN斷電后電位負(fù)偏移＝Uoff-UN實(shí)例1探頭的制造探頭外殼(1)、內(nèi)套(2)，大固定架(4)，小固定架(5)，導(dǎo)套(6)，封盤(9)由聚乙烯塑料加工而成?；型鈿?1)柱高260mm，底面φ170mm;內(nèi)套(2)柱高220mm，底面φ90mm;導(dǎo)套(6)φ50mm，全部壁厚3mm。
輔助電極A、B、C由16Mn鋼制成，其尺寸大小為電極A與B同，φ50mm，厚5mm，電極Cφ11mm，厚5mm。
銅電極(3)由φ15mm高240mm的銅棒制成。微孔瓷片由φ50mm厚3mm的氧化鋁質(zhì)多孔陶瓷片制成。密封圈(11)用橡膠制成中孔(φ12mm)外徑φ25mm，厚2mm墊圈。內(nèi)套(2)和外殼(1)之間用環(huán)氧樹酯密封，內(nèi)套(2)內(nèi)用硫酸銅晶體粉末，充實(shí)填滿。將電極引線分別與各電極點(diǎn)焊接后，從中心引出。內(nèi)套上加封盤(7)后用銷母(12)銷緊，再用環(huán)氧樹酯密封。按圖2制成探頭。
實(shí)例2 地下管線自然腐蝕電位UN的測(cè)量將高阻電壓表或自動(dòng)平衡記錄儀接入探頭接線盒的R端和B端，測(cè)量未與地下管線連接的輔助電極B相對(duì)于探頭中永久性固體參比電極的電位，該電位值，即為地下管線的自然腐蝕電位UN。
實(shí)例3保護(hù)電位Uon和Uoff的測(cè)量將自動(dòng)平衡記錄儀接入探頭接線盒的A端和R端。開關(guān)K4的兩端接入時(shí)間中斷器(a)、中斷時(shí)間調(diào)為3秒，接通時(shí)間調(diào)為27秒，記錄儀，走紙速度定為40mm/分，電位量程選擇在合適檔。然后，打開開關(guān)K3和K4，用時(shí)間中斷器按選定周期斷開和接通輔助電極A。用記錄儀記錄輔助電極A有陰極保護(hù)電流存在時(shí)的保護(hù)電位Uon和陰極保護(hù)電流斷開時(shí)的保護(hù)電位Uoff。Uoff即為消除IR降影響的管-地電位。
地下管道的電位負(fù)偏移值可從UN、Uon、Uoff三個(gè)電位值中求出，通電后電位負(fù)偏移＝Uon-UN斷電后電位負(fù)偏移＝Uoff-UN實(shí)例4地下管道保護(hù)電流密度的測(cè)量和腐蝕部位的判斷將阻值為1.0Ω的采樣電阻R。接入開關(guān)K3兩端，將K3兩端接入記錄儀，走低速度如實(shí)例3，電壓量程選在合適檔，然后打開開關(guān)K1、K2、K3，可測(cè)量輔助電極C上的電流的方向和大小。
當(dāng)輔助電極C上的電流不夠明顯時(shí)，可用輔助電極A驗(yàn)證，即將采樣電阻R。接入K1(或K2)兩端記錄儀接線及走低速度同前，打開開關(guān)K1(或K2)K3同樣可以測(cè)量流入、流出管道上的電流。
當(dāng)陰極保護(hù)有效運(yùn)行時(shí)，有保護(hù)電流流向輔助電極C，相當(dāng)于流向地下管道;當(dāng)陰極保護(hù)未運(yùn)行時(shí)，有電流經(jīng)輔助電極(或輔助電極A)流出，即有電流從地下管道流出。因此，只要測(cè)量到有電流從輔助電極流出，則探頭附近的地下管道遭到腐蝕。
實(shí)例5保護(hù)電位Uon、Uoff及判斷地下管道的腐蝕部位，即同時(shí)進(jìn)行實(shí)例3和實(shí)例4的測(cè)量。
將阻值為1.0Ω的采樣電阻R。接入開關(guān)K3兩端，將K3兩端接入記錄儀的一個(gè)通道。開關(guān)K4的兩端接入時(shí)間中斷器，中斷時(shí)間調(diào)解如實(shí)例3，開關(guān)K4的兩端接入記錄儀的另一個(gè)通道，打開開關(guān)K3、K4，記錄儀的走低速度如實(shí)例2。則通過記錄儀可同時(shí)測(cè)量Uon、Uoff及判斷輔助電極C上的電流方向以確定地下管道的腐蝕部位。
通過上述實(shí)例可知，利用本發(fā)明的陰極保護(hù)電位測(cè)量探頭及按圖2所示的測(cè)試方法，可以方便的測(cè)量處于陰極保護(hù)下的地下管道的陰極保護(hù)電位及消除IR降影響的陰極保護(hù)電位，即管-地電位，電位負(fù)偏移，保護(hù)電流密度和判斷地下管道腐蝕部位。此外，在探頭的結(jié)構(gòu)上，所設(shè)計(jì)的三個(gè)輔助電極，在滿足測(cè)量過程中有足夠的靈敏度同時(shí)又減少了電極表面積，降低了保護(hù)電流的泄漏、減少了保護(hù)電流的消耗。節(jié)省了能源。減少了保護(hù)電流的消耗。
權(quán)利要求
1.一種地下管道陰極電位測(cè)量探頭，由參比電極(3)、輔助電極組成，本實(shí)用新型的特征在于，參比電極(3)是由銅和硫酸銅晶體粉未組成的固體參比電極，輔助電極是由電極表面分別為5～30cm2，5～30cm2及0.5～1.5cm2的三個(gè)輔助電極A(8)、B(9)、和C(13)組成的。
2.按照權(quán)利要求1所述的固體參比電極(3)，其特征在于銅電極與硫酸銅粉未按觸面積為30～70cm2的固體參比電極。
3.按照權(quán)利要求1所述的三個(gè)輔助電極，其特征在于較佳的電極表面積為輔助電極A、B相同為15～25cm2，輔助電極C為1cm2左右。
4.一種用權(quán)利要求1所述的探頭，測(cè)量地下管道管-地電位的方法，其方法是該探頭的輔助電極A和固體參比電極(3)的兩端接入自動(dòng)平衡記錄儀，在地下管道和輔助電極A之間串聯(lián)中斷器(a)，當(dāng)中斷器(a)接通時(shí)，可以測(cè)到陰極保護(hù)電流存在時(shí)的保護(hù)電位Uon，即測(cè)得管-地電位，而在中斷器(a)斷開時(shí)，可以測(cè)到陰極保護(hù)電流斷開時(shí)的保護(hù)電位Uoff，即測(cè)得消除IR降影響的管-地電位。
5.一種用權(quán)利要求1所述的探頭，測(cè)量地下管道保護(hù)陰極電位負(fù)偏移的方法，其特征是，該探頭永久性固體參比電極與輔助電極B間所測(cè)得的電位為地下管線的自然腐蝕電們(UN)，自然腐蝕電位(UN)與按照權(quán)利要求4所述測(cè)得的保護(hù)電位(Uon、Uoff)之差，即為地下管道保護(hù)陰極電位負(fù)偏移參數(shù)，電位負(fù)偏移參數(shù)可用下式表示通電后電位負(fù)偏移＝Uon-UN斷電后電位負(fù)偏移＝Uoff-UN。
全文摘要
一種地下管道陰極電位測(cè)量探頭是由銅與硫酸銅組成的永久性固體參比電極和三個(gè)輔助電極組成的。利用這個(gè)探頭，配合地面電位測(cè)試裝置，能夠方便地測(cè)量地下管道的各種參數(shù)，確保地下管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行。此外，輔助電極的電極表面積小，使在滿足工程需要的前提下，減小了管道防腐層的泄漏面積，降低了保護(hù)電流的消耗，節(jié)省了大量能源。
文檔編號(hào)G01N27/416GK1046602SQ8910506
公開日1990年10月31日 申請(qǐng)日期1989年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月21日
發(fā)明者常守文, 何悟忠, 李紹忠, 張莉華, 常殿林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)研究所, 東北輸油管理局