陰極保護效果評價技術

阮雨風

（肇慶佛燃天然氣有限公司，廣東 肇慶 526100）

0 引言

地下管網作為“城市血管”，是市政基礎設施工程中的重要一環。隨著時間推移早期的地下管網逐漸暴露出老舊、漏損等安全隱患，化解這種危機成為管道運營方必須面對的課題。

采用3PE防腐層和陰極保護等措施來防止外部環境對埋地鋼質管道的腐蝕是管道工程上最常見的防腐蝕方法。陰極保護是在防腐層存在缺陷條件下（在埋地管線中幾乎是無法避免的）管道的最后一道安全防線，所以其有效性評價成為管道安全運營的關鍵。實踐表明，采用巡檢測量管地電位的方法存在一定的不確定性，在原以為陰極保護狀況良好的管線上發生了嚴重的外腐蝕甚至穿孔的案例[1]。這就要求采用更為精準的檢測手段和更為深刻地理解用于評價的陰極保護準則。

1 陰極保護效果評價

對于埋地鋼質管道，國際上都是將將陰極保護的目標定義為使“腐蝕速率降低到一個可以接受閾值或者以下”，雖然這個閾值各國家的取值并不相同，在美洲NACE規定為0.025mm/年（0.001英寸/年），而歐洲標準EN規定為0.01mm/年，在澳洲則規定為0.005mm/年。所謂陰極保護效果評價，就是檢驗這一目標是否得以實現。在不同的環境下實現陰極保護目標的條件可能是不同的，一個單一的陰極保護準則可能無法滿足所有條件、所有地點結構的陰極保護評價。因此，評價者有責任，根據其經驗和特定的管道系統條件，采用包括單一的或者組合的準則方式來確認是否實現足夠的腐蝕控制[2]。

早期直接的腐蝕速率的測量是以埋地試片在一段時間內的失重來計算的，需要較長的試驗時間而且其精度有限，所以人們采用間接的其他參數測量來表征腐蝕控制效果。國家標準GB/T 33378-2016《陰極保護技術條件》4.1條款明確規定“陰極保護效果以保護電位為評價標準”，具體說就是管道的保護電位要達到陰極保護準則的要求。國內外標準在陰極保護準則的描述上基本都是采標NACE SP0169，該標準最新版本關于陰極保護準則的闡述如下：

（1）已經證實在特定的管道系統有效腐蝕控制的準則，可以用在這些管道系統或其他具有相同特征管道系統；

（2）最低100mV陰極極化偏移。該準則的檢測應該在極化或去極化過程中進行；

（3）鋼結構/電解質電位相對于飽和銅/硫酸銅參比電極（CSE）達到-850mV或更負。該檢測可以直接測量極化電位，也可以在有電流作用的狀況下，充分考慮的電流在大地和金屬路徑中的IR降條件下獲得。

2 保護電位的檢測

早期保護電位測量多為人工巡檢時使用高阻抗萬用表直接測量管道與參比電極之間的電壓既管地電位Von來完成，由于其中包含了未知的IR降，其評價結果多令人懷疑。而后人們開發了同步中斷器，將管道連接的外加電源或犧牲陽極同步斷開，在斷開的瞬時測量管地電位Voff，由于電流I等于零，IR降的影響消除，但是這種方法對于復雜系統來說并不現實（需要安裝過多的的中斷器且有些連接可能并不為人所知）。因此工程實際中多采用極化探頭測量保護電位。

極化探頭就是為方便施工將參比電極和試片近距離地結合為一體，通過管道與試片連接的方式，用試片的陰極極化模擬管道缺陷的陰極極化，試片選用和埋放應盡可能符合下列原則：

（1）與管道金屬一致的材質和表面狀態；

（2）應足夠小以避免過多的保護電流流失；

（3）埋深及回填狀態與管道相同；

（4）表面經過處理清除所有軋制氧化皮和異物；

（5）放置在已涂敷防腐層的失效處；

（6）放置在陽極電位梯度最小的位置。

通常采用數字記錄儀來記錄試片的極化過程，圖1是試片的極化曲線（a）和去極化曲線（b），從中可以很精確地評價陰極保護效果。

圖1 管道的極化和去極化曲線

如果Voff極化電位達到-850mV或更負，則符合陰極保護準則第三款。如果陰極極化偏移大于100mV則符合陰極保護準則的第二款。在上述驗證符合的情況下，除非發生了重大的環境、管道、防腐層完整性或陰極保護系統參數的變化，管道的通電電位VON可以用于監測陰極保護的效果，如果VON穩定則符合陰極保護準則第一條款。

3 陰極保護準則之間的聯系

長期以來，-850mV通電電位由于最早被提出和最便于執行一直為業界廣為使用，但是這個“便于”是在沒有充分考慮IR降影響的場合下取得的。隨著地下構筑物的增多以及雜散電流的增強，它的準確性每況愈下。雖然在一定前提下，允許使用，但有必要審視經驗而防止其被濫用。將通電電位理解為腐蝕環境是否改變的指標可能更為合理。

2010年W. Brian Holtsbaum[3]統計了直接測量得到的 Von通電電位和IR降的關系如圖2所示；圖中區域①為欠保護區，④區域為過保護區。采用100mV極化電位偏移準則時（這里我們假定自然電位是-550mV），區域②和區域③均滿足準則要求，但是如果采用-850mV極化電位準則時，則區域②為欠保護區。圖2清楚地給出各個準則的執行差異。在大多數情況下，極化電位偏移大于100mV準則比極化電位達到-850mV或更負準則有更大的包容性。因為前者的目標是將管道控制在一個可以接受的腐蝕速率（自然腐蝕速率的2%以下），而后者是達到理論上的免腐蝕區域。減小陰極保護站的輸出電流，可以使表3中過保護區間的數量為零，但隨之而來的是欠保護點的數量可能增多。對于調整后少量的欠保護點，采用犧牲陽極補救，最終可以使全線的管道達到理想的陰極保護狀態。通常采用極化電位偏移大于100mV準則具有更好的經濟適用性。

圖2 通電電位-IR降關系圖

4 ER（Electrical Resistance）腐蝕速率評價技術

既然陰極保護的目的是使腐蝕速率下降至閾值以下，采用直接測量腐蝕速率顯然是一種更為有效的方法。進入本世紀以來，一種采用ER探針的腐蝕速率測量技術逐漸被人們認識和推廣使用。該技術的特點是基于地面進行的電阻測量，在不需要開挖的情況下，可以現場或者遠程測定試片的腐蝕損失。ER探頭的構造原理如圖3所示，當測量試片在腐蝕過程中長度和寬度不變（封閉）而厚度（G）受到腐蝕單方向減少，其電阻根據歐姆定律增加。

圖3 腐蝕速率測量的原理圖

這里ρ為材料的電阻率，L；W；G 分別為試片的長；寬；高。

ER測量技術的原理并不復雜，但在實際腐蝕環境條件下要實現微米級的靈敏度和快速響應時間，需要將電阻測量精度提高到微歐姆數量級。圖中的參考試片用于消除電阻變化的熱敏性，通過在不同的時間節點，測量兩個試片上的電阻差來計算腐蝕速率。國際上具有記錄功能的土壤ER腐蝕速率測量儀器已進入商用模式，其使用也列入NACE International標準[4]。

ER腐蝕速率測量的最大優點在于，當存在雜散電流腐蝕干擾的情況，它不需要排除干擾仍然可以提供準確包含雜散電流影響的評價信息，而保護電位評價技術則無法取得可靠穩定的數據。圖4是筆者采用 Metricorr ER儀器測量某場站埋地管線陰極保護前后的腐蝕速率結果，結果顯示實施陰極保護后的良好效果。數據表明在腐蝕速率為0.30mm/年的條件下，儀器的響應時間約為數小時，這也證明了該技術的工程實用性。

圖4 某場站陰極保護前后的腐蝕速率

在測量管道的腐蝕速率后，我們可以用管道保護度的概念評價陰極保護效果。國家標準GB/T 21447-2018給出根據腐蝕速率計算保護度的方法：

G1—未施加陰極保護試片的失重，單位為克（g）；

S1—未施加陰極保護試片的裸露面積，單位為平方厘米（cm2）；

G2—施加陰極保護試片的失重，單位為克（g）；

S2—施加陰極保護試片的裸露面積，單位為平方厘米（cm2）。

這里G1/S1；G1/S1分別是陰極保護前后的腐蝕速率。標準要求保護度ηc宜大于85%，在圖4案例中，保護度大于96%。

5 結語

（1）陰極保護效果評價是陰極保護工程的收官之作，其重要性不言而喻。實踐中最常使用的手段是保護電位評價法，而該方法的關鍵是要準確消除IR降的影響；

（2）極化探頭模擬管道極化或者去極化過程，從而測量出準確的極化電位或者陰極極化偏移量，可以幫助準確的應用陰極保護準則評價陰極保護效果；

（3）陰極極化偏移100mV準則是一個更寬泛、更實用的準則，它測量的準確性高，而且既經濟又能達到滿意的陰極保護效果；

（4）近年發展的ER腐蝕速率測量技術是評價陰極保護效果一個最直接和有效方法，它可以在存在雜散電流干擾的條件下，準確反應真實腐蝕環境的綜合腐蝕影響，提供了陰極保護效果評價的又一路徑。