輸油管道陰極保護電位測量誤差及其消除方法

何騰蛟

(中石油渤海鉆探工程有限公司管具技術服務分公司，河北 任丘 061000)

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輸油管道陰極保護電位測量誤差及其消除方法

何騰蛟

(中石油渤海鉆探工程有限公司管具技術服務分公司，河北 任丘 061000)

國內輸油管道基本使用的強制電流法陰極保護系統，一般使用恒電位儀的恒電位模式，但隨著投用時間變長，部分場站出現恒電位儀控制電位絕對值小于通電點電位的情況。分析產業測量誤差的原因包括了陰極保護電源測量誤差、參比電極測量準確度、管道周圍地電場影響和電位測量系統等問題。通過電位測量誤差計算發現：使用的參比電極內阻越小，測量設備的內阻越大，則測量值與真實值之間的誤差越小；無論使用何種測量設備，測量值的絕對值均小于真實值；長效參比電極內阻值對實際電位測量的影響是存在的，阻值較大時，測量誤差可達10%以上。多測量設備同時測量時，不同測量設備并聯測量同一電位時，測量值相同；并聯的設備越多，測量值與真實值之間誤差越大。

輸油管道；強制電流法；陰極保護；參比電極；內阻；電位測量

輸油管道多使用強制電流法陰極保護，陰極保護電源采用數控高頻開關恒電位儀，埋設在管道附近的長效硫酸銅參比電極提供參考電位[1]。在現場運行過程中，近期發現電位異常現象，恒電位儀控制電位設置為-1200mV，在恒電位儀接線處使用數字萬用表實測電位為-1200mV，但在通電點實測出電位為-1320mV。管道電位衰減與陰極保護間的距離成正比，在陰極保護站前后幾千米內測得的管道保護電位均負于-1200mV，這有悖于常規的陰極保護理論[2]。該測量誤差出現概率較大，誤差偏差數值較大，應予以消除。

1　測量誤差原因分析

使用常規手段[2]對陰極保護電源、參比電極、管道周圍地電場等進行排查，逐一排除或找出造成誤差的原因。

1) 陰極保護電源測量問題管道通電點與陰極保護電源零位線僅有一根零位電纜連接，而理論上零位電纜的電流為毫安級，且電纜本身內阻非常小，所以參比電流流經零位電纜形成的壓降非常小。實際測量亦證明并非電氣接觸不良造成的誤差。陰極保護電源經過校準和實際測量證明，設備本身讀取電位和顯示電位功能良好，無明顯誤差。輸油管道陰極保護電位異常問題基本排除設備和接線問題。

2)參比電極測量準確度通過使用不同參比電極對比長效參比電極讀數，發現長效參比電極測量誤差非常小，與便攜式對比，誤差基本控制在5mV之內。可排除參比電極損壞或讀數不準造成測量誤差的問題。

3)管道周圍地電場影響輸油管道陰極保護一般使用淺埋陽極地床，地床距管道垂直距離大于200m。實測管道附近，陽極床造成的地面電位梯度小于0.5mV/m，由此可推斷地電場對參比讀數的影響較小。

4)電位測量系統問題恒電位儀使用內置電位測量系統進行電位讀取，而實測管道電位使用數字萬用表進行測量，測量電位分別使用長效和便攜式參比電極進行測量。根據繪制測量電路分析，發現長效參比電極內阻變化對電位測量影響較大。

2　電位測量誤差計算

2.1電壓測量原理

一般測量電壓的基本原理是將萬用表并聯到被測量回路，測量流經萬用表的電流，通過歐姆定律，使用電流乘以內阻計算電壓[3]，如圖1所示。

圖1　測量電壓原理圖

設被測(參比電極)內阻為R1，未連接萬用表時兩端電壓(管道電位)為V1，萬用表或恒電位儀測量回路的內阻為R2，流經電流為I2。根據基爾霍夫電流定律，計算此時萬用表或恒電位儀的電流I2和電壓V2為：

式中：R為電阻，Ω；V為電壓，mV；I為電流，A。

顯然，連接萬用表或恒電位儀前后：V1≠V2。

2.2誤差計算

一般使用數字萬用表內阻為10MΩ，恒電位儀測量回路內阻為1MΩ，參比電極的內阻一般小于10kΩ。假設被測電位為V1=-1200mV，則當用萬用表測量實測數據為：

萬用表測量時實測數據誤差接近千分之一。

當用恒電位儀測量時實測數據為：

恒電位儀測量時實測數據誤差接近百分之一。

隨著長效硫酸銅參比電極使用年限變長，參比電極內部硫酸銅消耗過多，參比電極的內阻會逐漸變大；實測輸油站使用10年左右的長效參比電極內阻約100kΩ。在這種情況下，用萬用表測量，實測數據為：

萬用表測量時誤差接近百分之一。

用恒電位儀測量，實測數據為：

恒電位儀測量時誤差接近十分之一。

通過上述計算發現：①使用的參比電極內阻越小，測量設備的內阻越大，則測量值與真實值之間的誤差越小；②無論使用何種測量設備，測量值的絕對值均小于真實值；③長效參比電極內阻值對實際電位測量的影響是存在的，阻值較大時，測量誤差可達10%甚至更大。

2.3多測量設備同時測量

多測量設備測量同一電位時電路如圖2所示。在現場排除故障時，發現同時使用萬用表和恒電位儀測得的數值一致。

圖2　萬用表和恒電位儀同時測量電位原理圖

根據電流分流計算，使用萬用表和恒電位儀同時測量V1時，并聯后的總內阻值R和萬用表讀數V2、恒電位儀讀數V3分別為：

顯然：V2=V3

此時，若長效參比電極內阻為100kΩ，則：R=1009091Ω，V2=V3=1081mV。

通過上述計算發現：①不同測量設備并聯測量同一電位時，測量值相同；②并聯的設備越多，測量值與真實值之間誤差越大。

3　電位測量誤差消除

通過計算和實際測量，對參比電極進行降阻是切實可行的消除電位測量誤差的方法。具體方法是：①長效參比電極應及時澆水降阻；②對于使用年限較長的參比電極應及時更換新的。另外，使用內阻較大的測量設備，也可使電位測量值與真實值之間的誤差較小。最終減小因測量方法導致的陰極保護測量誤差。

[1]GB/T 21448—2008,埋地鋼管管道陰極保護技術規范[S].

[2] 胡士信.陰極保護工程手冊[M].北京：化學工業出版社，1999.

[3] GB/T 21246-2007,埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法[S].

[編輯]帥群

2016-06-14

何騰蛟(1989-)，男，助理工程師，現從事機械加工制造及電器自動化專業研究工作,511033671@qq.com。

TE988.2

A

1673-1409(2016)26-0069-03

[引著格式]何騰蛟.輸油管道陰極保護電位測量誤差及其消除方法[J].長江大學學報(自科版),2016,13(26):69～71.