NACE標準SP0169中的－850 mV電位準則

付更揚

（中石油昆侖燃氣有限公司，湖南分公司，長沙410000）

NACE標準SP0169中的－850 mV電位準則

付更揚

（中石油昆侖燃氣有限公司，湖南分公司，長沙410000）

SP0169（前RP0169）標準在防腐蝕業界被廣泛采用，但SP0169標準中關于陰極保護有效性的－850 m V（相對銅／硫酸銅參比電極，下同）通電電位準則存在技術爭議，在SP0169－2007的修訂過程中引起廣泛的討論。本工作對NACE標準的修訂流程進行了介紹，從實踐和理論的角度闡釋了－850 mV準則的來歷，并對－850 mV通電電位和極化電位準則的有效性進行了比較。

SP0169；陰極保護；電位準則；－850 mV；通電電位

Robert J.Kuhn于1928年在美國新奧爾良的一條天然氣長輸管道上安裝了世界第一臺陰極保護整流器，這是埋地鋼質管道陰極保護應用的開始。Kuhn在1928年美國國家標準局（National Bureau of Standards）組織的陰極保護會議上第一次提出了－850 mV（相對銅／硫酸銅參比電極，下同）通電電位的準則?，F代陰極保護技術就是基于這個準則發展起來的。

美國國家腐蝕工程師協會（NACE）在1969年頒布了第一部陰極保護準則標準RP0169－1969，該標準應用于埋地或水下鋼質管道的外腐蝕控制。此后，該標準歷經多次修訂和重新確認。2007年該標準由推薦做法（Recommended Practice）升級為標準做法（Standard Practice）。SP0169最新版本于2013年10月正式頒布［1］。在SP0169的各版本中共出現過六個陰極保護有效性準則［2］：（a）－850 mV通電電位準則（考慮IR降）；（b）極化電位至少－850 m V（不含IR降）；（c）100 m V陰極極化（不含IR降）；（d）通電電位負向偏移至少300 mV（含IR降）；（e）電位至少負移至E-lg J曲線的塔菲爾段的初始負電位值（不含IR降）；（f）在預先確定的電流流出位置測量從電解質流向金屬構筑物表面的電流，如果有凈流入的保護電流，就可認為達到陰極保護。（凈保護電流準則，含IR降）。

在最新版的SP0169－2013標準中，存在如下三個陰極保護有效性準則：

（1）通過實踐確認在特定管道上能實現有效保護的電位準則，可以在該管道以及類似工況的管道上使用；

（2）100 m V陰極極化準則——陰極極化量最少為100 mV，可通過極化形成或者極化衰減測量確認達到此要求；

（3）－850 mV電位準則——使用銅／飽和硫酸銅參比電極測量結構物與電解質界面的電位，達到－850 mV或者更負。該電位可以是直接測量得到的極化電位，也可以是通電電位。在使用通電電位時，應考慮土壤及金屬通路上的IR降。

1 －850 mV通電電位準則存在的爭議

在對RP0169－1983進行修訂的過程中，主導修訂工作的T-10-1委員會經調查，發現70％陰極工程師沒有考慮陰極保護通電電位準則中的IR降問題［3-6］。由此，在RP0169－1992中加入了－850 mV極化電位準則。這就造成了該標準中－850 mV通電電位準則和極化電位準則共存的局面。

采用－850 mV通電電位準則時，即使管道極化電位沒有達到－850 mV，但是如果管道周邊土壤情況比較穩定，管道的自腐蝕電位會逐漸向正方向偏移。相對來說，管道陰極保護的極化是逐漸增加的。這對抑制鋼管表面的腐蝕是有利的。

2 SP0169－2007的修訂歷程

在2002年的NACE腐蝕大會中，STG 05專業技術組發布了一個關于RP0169－1996中陰極保護準則的報告［4］，該報告提出：①該標準中的第六章無法獲得重新確認（第六章是關于陰極保護準則的內容）；②－850 mV通電電位準則與－850 mV極化電位準則之間關系不明確；③需要借鑒考慮國際上其他的標準；④關于100 mV陰極極化“形成”準則和100 mV陰極極化“衰減”準則存在困惑；⑤需要補充關于微生物腐蝕和高溫腐蝕的陰極保護準則；⑥需要補充避免引起涂層破壞以及適用于高強鋼的陰極保護電位上限。

NACE標準每隔5年要進行一次修訂或者重新確認。在2002年，STG 05專業技術組成立了TG 285標準工作組對SP0169標準第六章中的準則問題進行修訂，隨后該修訂任務轉至STG35專業技術組下轄的TG360標準工作組，該工作組對包含第六章在內的整個標準進行修訂。對SP0169標準提出多項重大修改，對第五章和第六章補充，并且追加了關于其他陰極保護國際標準的介紹。此后，最新版本的SP0169－2013于2013年10月正式頒布。

3 －850 mV通電電位準則的來歷

Kuhn最早提出了－850 mV的陰極保護電位準則，Kuhn指出，“令管道停止腐蝕的相對于銅／飽和硫酸銅參比電極的電位可能是在－850 mV左右”。隨后，實驗室研究和現場應用都證明了－850 mV極化電位準則的有效性。目前該準則在全球幾個主要陰極保護標準里都得到采用。

Kuhn對鑄鐵供水管道和鋼質天然氣管道的陰極保護試驗是在地下水位很高的地區進行的，土壤電阻率很低且管道埋深很淺［7］。在這種情況下IR降很小，可用式（1）近似計算［8］：

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；d為管徑，m；J為陰極保護電流密度，A／m2；t為管道埋深，m。

假定土壤電阻率5Ω·m，管徑0.2 m，電流密度0.02 A／m2，埋深0.9 m，計算得到IR降為15 mV。在電解質電阻率很低的情況下，－850 mV通電電位準則與－850 mV極化電位準則是非常接近的。處于低電阻率環境的海底管道或鹽泥中的管道可以使用－850 mV通電電位準則，但是對于埋地管道來說，通電電位很大程度受IR降的影響。Kuhn于1958年在對德克薩斯州-俄亥俄州長達1 352 km的管道進行了陰極保護工作后提出，極完好涂層的管道應達到－1.000 V的電位。

后人在研究陰極保護的電位準則時，如果忽略了Kuhn當時進行電位測試的特定條件，往往會得出錯誤的結論。

4 －850 mV極化電位準則的有效性

在20世紀50年代，Schwerdtfeger和Mc-Dorman在美國國家標準局通過大量試驗證實了－850 mV極化電位準則的有效性［9］。試驗將鋼電極置于無氣土壤環境中，土壤p H為2.9～9.6。根據試驗數據所做的電位與p H關系見圖1。

在無氣環境中，氫電極是腐蝕電池的陰極電位而鋼電極是腐蝕電池的陽極。當陽極與陰極之間不存在電位差時，陽極即停止腐蝕。由圖1可見，當極化電位達到－0.77 V（相對SCE）時，兩條曲線相交，陽極與陰極之間電位差為零，該電位相對銅／飽和硫酸銅參比電極電位為－0.845 V，接近－850 mV，此處電位不含IR降。Schwerdtfeger和McDorman在試驗中將大量鋼試片極化到“相交點”所對應的電位，在此電位的結果證實試片腐蝕很輕微。

在20世紀80年代，Barlo和Berry也在實驗室研究驗證了－850 mV極化電位準則的有效性［10］。該試驗針對有氧和無氧兩種土壤環境進行了陰極保護電位準則的研究，在兩種土壤環境中，采用－850 mV極化電位準則能將埋地金屬的腐蝕速率控制在0.025 4 mm／a以下。隨后美國燃氣協會（American Gas Association）在Barlo和Berry的研究基礎上推動了一個為期5 a的現場驗證項目，在3個國家的14個地點驗證－850 mV極化電位準則的有效性。結果表明，當試片極化到－850 mV時，其均勻腐蝕速率大大降低，遠低于0.025 4 mm／a。

陰極保護的經典定義是將結構物表面最不活潑區域（陰極）的電位極化到與結構物表面最活潑區域（陽極）的電位一致。陰極保護有效準則電位就是結構物表面最活潑區域的開路電位。而陰極保護的熱力學定義是將結構物極化到在特定環境中的熱力學穩定電位。

也可采用基于熱力學數據所繪制的鐵-水腐蝕體系的電位-p H圖（圖2）來研究－850 mV極化電位準則的有效性。圖2存在三種區域：腐蝕區、免蝕區和鈍化區。在免蝕區內，電位和p H的變化不會引起金屬的腐蝕，即在熱力學上，金屬處于穩定狀態。有效陰極保護的準則電位即為令金屬進入免蝕區的電位。

由圖2可見，電位與p H密切相關，所以理論保護電位與介質p H存在對應的關系。以鐵為例，其理論保護電位如下（對應Fe2+濃度為10－6mol／L）：p H＜9.0，E＝－0.62 V（SHE）；9.0＜p H＜13.7，E＝－0.085－0.059 1p H V（SHE）；p H＞13.7，E＝0.320－0.088 6p H V（SHE）。

從熱力學的角度來說，當p H大于9時，鐵處于免蝕區或鈍化區，其腐蝕速率可以忽略，達到陰極保護的要求。該點所對應的電位是－0.93 V。事實上，當陰極極化到析氫電位后，因為溶液中有充足的氫離子，所以很難將電位再繼續極化至更負。由圖2還可見，當電位下降到p H＝9所對應的析氫電位（－847.9 mV）時，鐵進入鈍化區，基于以下原因陰極保護在此位置已經起到完好的防護作用：（1）此時界面的氧氣已經基本消耗殆盡，腐蝕速率降低；（2）界面已經呈現堿性，進入鈍化區，表面膜會起到良好的防腐作用；（3）極化電位比較負，腐蝕電池的驅動電壓降低，腐蝕速率降低。

5 －850 mV通電電位與斷電電位準則的比較

斷電電位準則的腐蝕控制有效性見圖3。在11種土壤中，－850 m V斷電電位準則完全有效。該結論與圖4中所示的通電電位準則的保護效果形成了鮮明的對比。在使用－850 m V通電電位準則時，僅有3處（27％）試片的保護效果達到完全有效，在其他73％的試驗地點沒有將腐蝕速率控制在0.025 4 mm／a以下。

我國四川氣田南干線的榕山-佛蔭段管道，曾發生過使用通電－850 mV作為陰極保護準則導致嚴重外腐蝕的情況［11］。該管道管徑720 mm，全長25.4 km，使用石油瀝青加強防腐蝕層。管道在榕山、合江西閥室、佛蔭建有運行良好的陰極保護站，長期監測通電電位均負于－850 mV。在運行20 a后進行內檢測發現壁厚腐蝕超過10％的外腐蝕達453處，其中有三處腐蝕區的最大坑深度接近或達到壁厚的75％。在其中一處開挖檢查中發現兩個腐蝕缺陷，一個腐蝕坑深5.6 mm，另一個腐蝕坑深4.7 mm，分別為壁厚的70％和59％。該處開挖點距榕山陰極保護站僅5.2 km，通電時的管地電位為－0.91 V，土壤電阻率34Ω·m。在隨后的電位檢測中發現，雖然管道全線通電電位均負于－850 m V，但是斷電電位介于－780～－700 m V，管道實際上長期處于欠保護狀態。

近年來我國陰極保護業界對－850 m V通電、斷電電位準則進行了大量的研究和現場應用驗證［12-15］。目前業界基本已經對該問題的重要性有清晰的認識，國內多數管道企業在管道運行中采用－850 mV斷電電位／極化電位作為陰極保護有效性的準則。

某天然氣管道的長度達上千英里，研究人員統計其累積失效次數并基于時間繪制曲線圖。在第一階段，管道施加了陰極保護但未按準則要求，腐蝕失效事件很多，其對應的曲線的切線斜率非常大；在第二階段的16 a，管道按照－850 m V通電電位準則施加陰極保護，其對應的切線斜率明顯降低，但是仍有腐蝕失效發生；在第三階段的17 a，管道按照－850 mV斷電電位準則施加陰極保護，管道的腐蝕失效基本不再發生，尤其是最后幾年的數據，曲線的切線斜率接近為零。該研究數據以及國內外諸多相關研究和驗證數據都表明－850 mV通電電位準則不能對該管道進行有效的腐蝕控制，－850 mV斷電電位準則可以有效抑制腐蝕的發生。

6 結論

（1）－850 mV陰極保護準則是Kuhn在現場應用中總結出來的。Kuhn所提出的電位準則是通電電位準則。因為特定的原因，Kuhn在其所測試的管道上得到通電電位里面所含的IR降很小，所以Kuhn所提出的通電電位準則非常接近斷電電位或者極化電位準則。

（2）大量的現場試驗數據以及理論研究表明，－850 mV極化電位準則與陰極保護有效性具有完好的對應關系；－850 mV通電電位準則在某些特定情況下雖然能取得良好的陰極保護效果，但是其有效性存在很大的不確定性。

（3）如因現場應用條件所限無法采用－850 mV極化電位準則，應采用可靠的工程方法確定所測量的通電電位中的電壓降的大小，以避免對陰極保護的有效性做出錯誤的判斷。

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－850 mV Potential Criterion in NACE SP0169

FU Geng-yang
（Petrochina Kunlun City Gas Company Limited Hunan Company，Changsha 410000，China）

SP0169，former RP0169，is widely adopted by corrosion protection industry.However，the－850 m V on-potential criterion in this standard is controversial and has aroused extensive discussions.The present paper introduces the revision procedure of NACE＇s standard and explores the experimental and theoretical backgrounds of－850 mV criterion.The effectiveness of on-potential and polarization potential criteria is compared.

SP0169；cathodic protection；potential criterion；－850 mV；on-potential

TG172

：B

：1005-748X（2016）11-0921-04

10.11973／fsyfh-201611014

2015-08-20

付更揚（1970－），工程師，本科，從事天然氣管道運行管理相關工作，18670070003