陰極保護電位測量誤差分析及對策

尤生勇，趙云峰，馬 飆，丁佐暖

（中國石油西氣東輸長寧輸氣公司，寧夏銀川 750001）

埋地鋼質(zhì)管道由于處于土壤環(huán)境中，必然與土壤周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用，而導(dǎo)致埋地鋼質(zhì)管道逐漸被腐蝕。發(fā)生這種電化學(xué)腐蝕必須滿足（1）存在不同電極電位的兩個電極（陰極、陽極）；（2）兩級間有電氣連接；（3）兩級間存在電位差；（4）兩電極處于同一電解質(zhì)體系中。為此，防止腐蝕的方法，也就是從破壞這4個影響要素入手。目前成熟和通用的方法是管道外防腐涂層加陰極保護。管道的防腐涂層可以使管道表面形成相對完整的、連續(xù)的電絕緣層，從而把存在著許多不同電極電位的微觀腐蝕的管道與土壤介質(zhì)隔離開，使腐蝕電流趨于零而減輕或避免腐蝕。而陰極保護則是使埋地鋼質(zhì)管道的電極電位陰極極化，電位降至鈍化區(qū)內(nèi)，從而達(dá)到控制腐蝕的目的。應(yīng)當(dāng)說陰極保護是對外防腐涂層控制腐蝕的有效補充。陰極保護技術(shù)有犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護兩種。無論哪種方法，均是通過測量保護電位加以分析判斷，那么陰極保護電位測量過程中的誤差就顯得十分重要。

1 保護電位測量過程中的誤差分析

埋地鋼質(zhì)管道在無任何外加電流的情況下，所測的管/地電位為自然電位，即腐蝕電位。該自然電位通常隨管道外防腐層、土壤及周圍環(huán)境而有所不同，一般在-0.6 V左右。當(dāng)管道施加陰極保護電流后，使管道陰極極化，管道保護電位向負(fù)方向偏移，日常管理中便是以電位負(fù)偏移多少來衡量管道是否受到保護。目前在實際工作中，電位測量方法大多采用地表參比法，測量的電位也是通電電位，這樣，實測的保護電位值實際上包含了管/地保護電位和土壤上產(chǎn)生的電壓降即土壤IR降，以及測量萬用表（或電壓表）內(nèi)阻引起的壓降，導(dǎo)致實際測定的保護電位值并不是管道的真實保護電位，往往給日常管理帶來誤判斷（見圖1、圖2）。

從圖2測量回路中分析，常規(guī)保護電位測量將產(chǎn)生兩個方面的IR降誤差，I2分流在測量線路上產(chǎn)生的電壓降和土壤電壓降I1R1；而I2分流產(chǎn)生的壓降主要決定于電壓表內(nèi)阻R5，若R5足夠大，I2則很小。故只要選擇內(nèi)阻足夠大（≥100 KΩ）的電壓表，即可使該壓降忽略不計。而I1R1將會使測得的管/地電位數(shù)值變得更負(fù)，造成地面測量的保護電位已達(dá)到要求（即通電電位達(dá)到-850 mV或更負(fù)），但管道真正保護電位在剔除土壤IR降后，不一定受到保護。同時，長輸埋地管道基本上每公里設(shè)電位測試樁1個，由于防腐層破損點的不確定性，測量某樁號的參比電極可能距防腐層破損點（漏點）的距離更遠(yuǎn)，從而引入的土壤IR降更大。故僅憑通電電位和保護電位準(zhǔn)則，往往帶來較大的誤判斷。

2 土壤IR降的消除

如前所述，只有消除土壤IR降后所測電位才能真正反映出埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護狀態(tài)，管道的陰極保護極化形成和去極化過程（見圖3、圖4）。

圖3 陰極保護極化曲線圖

圖4 陰極保護去極化曲線圖

從圖3、圖4可以看出，無論陰極極化的形成，還是去極化過程，都需要一段時間，一般在24小時以上。利用這一特性不難測得土壤IR降。

2.1 土壤IR測定

如采用電流中斷法測定開電位（Von）和關(guān)電位（Voff），該關(guān)電位（Voff）即是管道的真實保護電位，而Von-Voff值可認(rèn)為是土壤IR降（見圖3）。其基本原理是，當(dāng)外加電流中斷時，土壤壓降立刻消失，但陰極極化效應(yīng)的消失有一個過程，此時迅即測得的電位即是“無”土壤IR降的電位值，即管道真實保護電位。其測量方法這里不再贅述，同時測量土壤壓降的方法還有密間隔電位測量技術(shù)（CIPS）等。

2.2 運行管理措施

目前國內(nèi)絕大多數(shù)埋地鋼制管道，設(shè)計了陰極保護系統(tǒng)，但電位測試大多采用地表參比法，測得的電位均為通電電位，陰極保護運行管理就十分重要。

2.2.1 對目前所測電位為通電電位的管線，應(yīng)利用土壤IR測定方法，測量出土壤IR降 在進行保護電位分析時，應(yīng)計算土壤IR降后的管道保護電位是否達(dá)到-850 mV或更負(fù)作為判定管線是否受到良好保護。如圖5是某管線電位分析曲線圖，該曲線圖包含自然電位曲線、保護電位曲線、消除IR降的保護電位曲線，從曲線圖分析，每月所測得的通電電位應(yīng)等于或更負(fù)于消除土壤IR降的電位。

圖5 某段管線電位分析曲線圖

但值得注意兩個問題：一是無論利用何種測量技術(shù)測得的土壤IR降，總是在某年某月某天所測得的，難以代表全年的土壤環(huán)境變化，該土壤IR降也僅僅是一個參考值。理想的測量，應(yīng)當(dāng)在某一年內(nèi)，對應(yīng)每月保護電位測試時間，測試每月的土壤IR降，供今后幾年進行電位分析，相對而言更可靠。二是在進行土壤IR降測量中，可能受到雜散電流干擾的影響，測試中應(yīng)予以充分考慮。

2.2.2 測量斷電電位 瞬間中斷外加陰極保護電流，在實際工作中難以做到，故測量斷電電位需要引入陰極保護檢查片，陰極保護檢查片由一個或一組和管道或相近的材料組成，檢查片埋設(shè)在管道附近的土壤中，用導(dǎo)線通過電位測試樁與原電位測試線作電氣上的連接，在電位測量時，瞬間斷開連接，測得檢查片的電位為斷電電位，該電位可認(rèn)為是消除土壤IR降的管道真實保護電位。該測試方法簡便易行，在現(xiàn)有測試通電電位的管道上安裝方便，至少在土壤腐蝕嚴(yán)重管段或防腐層質(zhì)量較差管段安裝檢查片，以測得真實的管道保護電位。

2.2.3 利用極化探頭法測量保護電位 “極化探頭測量法”是近些年逐漸興起的管道保護電位測量過程中的新技術(shù)。極化探頭一般由一個裸露的可通電的鋼盤，并在鋼盤內(nèi)內(nèi)置一個參比電極，鋼盤與管道材質(zhì)相同，當(dāng)鋼盤與管道通過地面測試樁內(nèi)測試線連接后，陰極保護電流同時將鋼盤極化，從而達(dá)到鋼盤與埋地管道具有相同的極化電位。測量時，斷開鋼盤與管道的電氣連接，瞬間測得的斷電電位即為有效消除土壤IR降后的管道真實保護電位。該方法另一最大優(yōu)點是由于參比電極置于鋼盤內(nèi)，受鋼盤屏蔽作用，所測電位也就避免了周圍環(huán)境雜散電流的干擾影響。最大缺點是如果管道線路上安裝過多，則會造成陰極保護電流大量流失。

3 結(jié)語

隨著電化學(xué)理論和電子工業(yè)的快速發(fā)展，陰極保護技術(shù)日趨完善，陰極保護的檢測手段也更加科學(xué)化。但由于埋地鋼質(zhì)管道腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性，以及受檢測手段，設(shè)備應(yīng)用的局限性，當(dāng)前，陰極保護效果判斷，一般還停留在對通電電位的分析上。實際上，在運行管理中，若保護電位過負(fù)，易產(chǎn)生陰極剝離，過正管道又得不到保護。因而，如何針對運行管線電位測試手段進行更新，對陰極保護效果做出準(zhǔn)確評價，就十分重要。今后新建管道，陰極保護系統(tǒng)設(shè)計，也應(yīng)當(dāng)考慮電位測量中的誤差，采用斷電電位測試法或極化探頭法測量管道保護電位，顯然具有重要意義。

●文中所指電位值均為相對于飽和Cu/CuSO4參比電極。

[1]胡士信主編.陰極保護手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社1999.

[2]尤生勇，丁佐暖，劉海峰.陜甘寧氣田-銀川輸氣管線陰極保護有效性評價[J].寧夏石油化工，2003，22（1）：34-36.