動態直流雜散電流干擾中極化試片電流測量

劉 軍

(中國石化銷售有限公司 華南分公司,廣州 510623)

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動態直流雜散電流干擾中極化試片電流測量

劉 軍

(中國石化銷售有限公司 華南分公司,廣州 510623)

介紹了一種新型的極化試片電流測試方法。該技術采用高精度數據記錄儀監測受到動態直流雜散電流干擾的極化試片中流進、流出的直流電流。該結果可以用于埋地鋼質管道直流雜散電流干擾的評價，為查找直流雜散電流干擾腐蝕風險點提供依據。

直流雜散電流;掛片;陰極保護

腐蝕是埋地鋼質管道安全運行所面臨的最大風險之一。陰極保護與涂層的聯合應用是國際上公認有效的埋地鋼質管道防腐蝕技術。根據現行國家標準[1]，管地界面極化電位是判斷陰極保護有效性的準則，在現場應用中，經常采用斷電電位作為評價陰極保護效果的指標[2]。但是，隨著我國城市基礎建設的大力發展，城市周邊埋地管道受到強烈的直流雜散電流干擾，已成為影響管道安全運行的重大風險。這些直流干擾源中較為突出的一個就是地鐵動態直流雜散電流干擾。由于上述雜散電流的存在，密間隔電位測試(CIPS)已不具有實施的意義；即使采用試片斷電法來測試斷電電位，也無法徹底消除因參比電極與試片之間IR降而導致數據判讀的困難。故管道管理單位無法準確地評價管道陰極保護的有效性。

此外，關于直流干擾的識別，在GB 50991-2014埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準[3]中提出要采用地電位梯度或自然電位的偏移來判斷土壤中雜散電流的強弱。

管道工程處于設計階段時，可采用管道擬經路由兩側各20 m范圍內的地電位梯度判斷土壤中雜散電流的強弱，當地電位梯度>0.5 mV/m時，應確認存在直流雜散電流；當地電位梯度≥2.5 mV/m時，應評估管道敷設后可能受到的直流干擾影響，并根據評估結果預設干擾防護措施。

沒有實施陰極保護的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進行判斷。當任意點上的管地電位相對于自然電位正向或負向偏移超過20 mV，應確認存在直流干擾；當任意點上管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100 mV時，應及時采取干擾防護措施。

對于已經運行的埋地管道，因為準確的自然電位無法獲知，導致上述評價準則無法采用、實施。這是目前業界對于動態直流雜散電流干擾下管道受干擾程度的評價以及腐蝕風險評估的一個難點。

在動態雜散電流干擾的治理研究中，已有主要針對斷電電位的測試方法、極化試片設計等方面的研究，但鮮有關于埋地試片吸收或排放直流雜散電流的研究。本工作對流經埋地極化試片的直流電流進行了現場測試，以期為動態雜散電流的測試和緩解提供新的思路。

1　極化測試探頭技術

埋地鋼質管道采用陰極保護后，因電流在土壤介質中的IR降及雜散電流的影響，很難精確測得真實的極化電位[4-6]。目前消除IR降的常規方法是瞬間斷電法。所謂瞬間斷電法是指瞬間斷開陰極保護電流(此時電流I為零)而測得的斷電電位。瞬間斷電法測得的斷電電位近似等于極化電位，在管道電位現場測試中，就采用此方法來評價陰極保護的有效性。

瞬間斷電法的準確測試需要具備以下三個基本條件：①多套陰保系統要實現同步斷開；②所有與管道相連的均壓線均應斷開；③沒有雜散電流的干擾。在管線的實際現場測試和管理中，特別是在存在動態直流雜散電流干擾的情況下，很難將測試得到電位里面的IR降消除掉，這給陰極保護效果的準確評價造成一定的困難。

近年來極化試片測試技術得到越來越多的關注和應用。極化試片采用與待測管道同樣的鋼材制作，埋設在管道附近，以模仿管道防腐蝕層上的破損點。如果該試片的斷電電位滿足陰極保護的準則要求，那么管道防腐蝕層上同等尺寸或者更小的破損點也會得到足夠的陰極保護[7]。

在現場使用中，應令極化試片與參比電極盡可能接近。在測得的試片斷電電位中，陰極保護電流及其他電流(雜散電流、平衡電流及大地電流)的影響會被盡量消除。但是在動態直流雜散電流的干擾情況下，該雜散電流引起的IR降很難被徹底消除。在這些情況下繼續使用試片斷電電位來判斷管道的陰極保護水平和腐蝕風險，具有一定的不準確性。

判斷金屬結構物是否達到足夠陰極保護的另外一個參數是電流密度。在陰極保護設計中，保護電流的需求就是根據保護電流密度來計算和確定的。如果能對流經極化試片的直流電流進行連續測定，那么就有可能在極化試片吸收、排泄直流電流量的基礎上，發展出一種新的雜散電流影響嚴重程度以及陰極保護有效性的評價方法和準則。

2　極化試片電流測試法在成品油管道的應用

華南分公司某成品油管道受到地鐵動態直流雜散電流嚴重干擾。在地鐵運行期間，管道的通電電位在-10～10 V(CSE)間波動；在地鐵停運時，管道的通電電位恢復正常。圖1為某測試樁處通電電位。

在本雜散電流測試與研究項目中，采用新型數據記錄儀與極化試片對管道的通電電位、直流雜散電流等參數進行長時間監測。所使用的數據記錄儀按照圖2進行接線，記錄流經試片的直流電流以及試片通電電位。通過專用軟件，導出電位、電流數據，繪制曲線。

測試中所用試片的形狀為平面圓盤狀，面積為5 cm2。當極化試片直流電流為正值時，表明電流由土壤流入試片表面，試片和管道可得到陰極保護；測試的極化試片直流電流為負值時，表明電流由試片流入土壤，試片和管道將有腐蝕風險。

由于管道受到動態雜散電流影響，試片瞬間的直流電流方向會不斷變化，圖3為1號測試點的試片電流長時間連續監測記錄。

該數據記錄儀在配合參比電極使用時，也可以對極化試片的通電電位進行監測。由圖4可見，當測試的極化試片直流電流為正值時，表明電流由土壤流入試片表面，管道的通電電位較負；測試的極化試片直流電流為負值時，表明電流是由試片流入土壤，管道的通電電位向正方向偏移。所測得的通電電位包含由直流雜散電流引起的IR降，所以出現上述試片電流與通電電位的對比關系。

2號測試點的試片電流與通電電位的情況見圖5和圖6。2號測試點的雜散電流干擾情況與1號測試點類似，流經試片的直流電流的大小與方向都發生動態劇烈變化，試片的通電電位與該直流電流存在明顯的因果關系。

在之前描述中提到，當測試的極化試片直流電流為正值時，表明電流由土壤流入試片表面，試片和管道可得到陰極保護；測試的極化試片的直流電流為負值時，表明電流是由試片流入土壤，試片和管道將有腐蝕風險。本次現場測試工作對受地鐵干擾的25處測試樁進行了極化試片雜散電流的監測，針對每處測試點都進行了試片直流電流的長時間(1 h)監測。

在后期數據處理中，將測試點的試片直流電流取平均值后發現，有11處測試點的極化試片直流電流平均值為負，表明極化試片處于排泄電流的狀態。具體平均電流數值見表1。

表1　極化試片平均直流電流為負值的測試點數據

當管道防腐蝕層破損點處有大量的氫氧根離子時，電流自管道流出時可能發生的氧化反應如下：

(1)

該反應不消耗金屬，不會導致腐蝕。但是前提條件是管地界面存在足夠的氫氧根離子。

關于受地鐵動態直流干擾的管道表面排泄電流造成的腐蝕與動態直流電流的關系，目前還沒有成熟的理論。所以如果有電流從管道經過管地界面進入土壤，只能初步判斷管道在此處可能有腐蝕風險。目前急需將動態直流雜散電流的流出對埋地鋼質管道的腐蝕影響進行定量化研究，以確定上述干擾情況下管道是否會發生腐蝕以及腐蝕量的大小。

3　結論

采用數據記錄儀結合極化試片，對動態直流雜散電流干擾情況下流經試片的直流電流的大小與方向以及試片的通電電位進行同步監測。現場監測數據表明流經極化試片的直流電流的方向與大小都發

生了劇烈的變化，管道的通電電位也隨之波動。

通過進一步計算各點的極化試片直流電流的平均值，可以找到雜散電流排泄區，即管道腐蝕風險較大的區域。但是由于目前尚沒有成熟的理論和應用經驗將動態變化的直流電流用于量化評估腐蝕風險和評價陰極保護有效性，所以上述數據的進一步解讀有待繼續深入研究。

此外，在動態直流雜散電流干擾的情況下，極化試片的電流方向無明顯規律變動，尚需對其波動性進行長期跟蹤測試總結統計學規律，其對金屬表面的電化學反應的影響也有待進一步研究。

[1]GB/T 21448-2008埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S].

[2]GB 21246-2007埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法[S].

[3]GB 50991-2014埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準[S].

[4]李自立，謝躍輝，郝宏娜,等. 埋地管道陰極保護電位測量方法研究進展[J]. 腐蝕與防護，2012,33(1)：55-59.

[5]胡士信，熊信勇，石薇,等. 埋地鋼質管道陰極保護真實電位的測量技術[J]. 腐蝕與防護，2005，26(7)：297-301.

[6]薛致遠，張豐，畢武喜,等. 東北管網陰極保護通電/斷電電位測量與分析[J]. 油氣儲運，2010,29(10)：772-774.

[7]NACE RP0104-2004The use of coupons for cathodic protection monitoring applications[S].

Measurement of Coupon DC Current in Dynamic DC Stray Current Interference

LIU Jun

(Sinopec Product Oil Pipeline Southern Company, Guangzhou 510623, China)

A new method for measuring DC current through coupon is introduced. A high accuracy data logger was used to monitor the DC current that was picked up or discharged by coupon. This method could be implemented in the evaluation of dynamic stray current interference and may provide valuable information for identification of corrosion risk points on buried pipeline.

DC stray current; coupon; cathodic protection

10.11973/fsyfh-201601016

2015-05-04

劉 軍(1976-),工程師,碩士,從事金屬腐蝕與防護相關研究,15920579881,ljyyh2004@163.com

TG172

B

1005-748X(2016)01-0068-03