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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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粧上连线与管道相连，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一 〇. 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。
[0004] 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。
[0005] 此外，由于海水的电阻率较低（为1~5Q.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（R0V)，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。
[0006] 国外对深海管道阴极保护检测的方法中，通常采用有尾线PR0/T以及无尾线的 RP0/R两种方法。也采用两种的混合测量方法HybridR0V。在应用无尾线的PR0/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】
[0007] 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。
[0008] 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R0V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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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：
[0012] 第1、将所述的多功能探头安装在海底管道检测机器人R0V的前端，多功能探头通 过其上的水下连接器与R0V上安装的水下控制系统的主测量电路连接；R0V通过脐带电缆 与工作母船上控制端计算机系统相连，获得水上电源的电力。检测人员通过手柄操控R0V 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。
[0013] 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￥#_，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A作为后继检测的基础参数。
[0014] 第3、正式测量过程中，水下控制系统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A 。
[0015] 采用如下公式计算出海底管道的真实保护电位
[0017] 式中，AVT_@为探头下参比电极相对于远程参比电极测得的电位差；
[0018] 分别是与管体连接和未连接时探头上下参比电位差值；
[0019] 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；
[0020] Vg；是未连接管道时探头下参比电极的管地电位计算值。
[0021] 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：
[0022] 应用R0V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R0V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AV7W、A￥#|以 及单位长度内海水电阻值Ri^ic，任意方向的单位距离内的电流为：
[0024] 计算每只镯式阳极的输出电流为：
[0025] I总=EI!*Ax! (7)
[0026] 式中，1.&为每只镯式阳极总的输出电流，单位mAdi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，AXiS每个电流测量点之间的距离，单位：m。
[0027] 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。
[0028] 本发明检测原理及计算依据：
[0029]定义：设R0V上水平参比电极之间的间距为1水平，单位：m;
[0030] 多功能探头内上参比电极与下参比电极之间的间距为lSi，单位：m。
[0031] 1、海底管道真实保护电位的计算方法
[0032] 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：
[0033] V賴=-(V远参-/^参）⑴
[0034] 式中，为在管道上方地面，应用近参比电极测得的管地电位数值；为在距 离管道足够远的地面，施加远程参比测得管-地电位。
[0035] 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)就是R0V探头内下参比电极对远参比电极测得的电位差值；
[0036] 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：
[0037] V真实=V下管-AV下远⑵
[0038] 式中，VTg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，VTjg为连 接尾线时应用远参比电极测得的管地电位。
[0039] 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。
[0040] 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：
[0042] 式中：1a*、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；AA ^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；
[0044] 式中：
[0045] VTeas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；
[0046] VT<t_为未连接管道时探头下参比电极的管地电位计算值；
[0047]由公式（2)，⑷可得在无尾线测量时：
[0049] 式中，AVT_@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。
[0050] 2.管道上镯式阳极输出电流的计算方法
[0051] 应用R0V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R0V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以及单位长度内海水 电阻值由公式（3)可推导出任意方向的单位距离内的电流为：
[0053] 计算每只镯式阳极的输出电流为：
[0054]I总=EI!*Ax! (7)
[0055] 式中，I,&为每只镯式阳极总的输出电流，单位mAdi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，AXiS每个电流测量点之间的距离，单位：m。
[0056] 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。
[0057] 本发明的优点和积极效果：
[0058] 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R0V上的检测装置，实现对外防腐层