關于長慶氣田陰極保護智能樁報警率過高的幾點思考

毛 麗，黃 志，劉 曼，孫銀娟，高 耘

長慶工程設計有限公司，陜西西安 710018

1 智能樁應用存在的問題

2022 年10 月，長慶氣田智能陰極保護系統平臺（見圖1）上線試運行，各采氣單位已將549 套智能陰保測試樁有關數據接入平臺。目前管道保護電位正常的智能樁為314 個，整體正常率僅57%，異常智能樁235 個，其中欠保護220 個，過保護8個，掉線7 個，整體不合格率達到43%，欠保護率高達40%，見表1。目前報警頻繁，報警率超高，導致平臺整體使用率較低。

圖1 長慶氣田管道智能陰極保護管理平臺

表1 長慶氣田智能測試樁使用統計

2 智能樁報警率過高的影響因素

在使用中發現，智能測試樁不僅報警率過高，而且測得的自然電位普遍在-0.82～-0.75 V 之間，嚴重偏離實際自然電位，針對智能樁目前存在的問題，經過初步調查和研究，對以下影響因素進行了分析[1-6]。

2.1 通電電位控制法的影響

判斷管道陰極保護是否保護充分，依據的是管道的斷電電位。通常采用恒電位儀同步中斷法，其測量過程中，需要同時中斷與所測管道相關的所有有關電源。長慶氣田管網縱橫，為節省投資和管理費用，站外管道通過跨接方式形成區域陰保的模式，區域內陰極保護的相互關聯性導致牽一發而動全身，根本無法做到同步中斷所有恒電位儀，因此采用斷電電位控制成為不可能，實際管理中普遍采用通電電位-1.15～-0.85 V 控制法，除去IR（I 為電流、R 為電阻）降后，極大可能導致欠保護，造成智能樁報警[7]。

2.2 高含氧量和高土壤電阻率的影響

影響腐蝕有兩個重要因素，即土壤電阻率以及氧的擴散和滲透。土壤電阻率是表征土壤導電性的指標，常用作判斷土壤腐蝕性的標準。對于長慶氣田所轄的靖邊氣田及蘇里格氣田，經現場測試表明，靖邊氣田土壤電阻率多數集中在100～200 Ω，蘇里格氣田則集中在200～500 Ω。氧作為一種去極化劑，含氧量越高，管道表面越難以極化，極化電位越正。長慶氣田所處區域大多為砂質土壤，透氣性強，含氧量高，極化困難。同時，由于土質疏松，管道與土壤的有效接觸面積變小，流入管道表面的電流減少，保護電流密度變大，恒電位儀輸出電流偏高，IR 降中的I 必然變大。因此長慶氣田在I 和R 雙高的情況下，IR 降問題格外突出，比如蘇里格氣田桃2-4 站IR 降甚至高達0.5 V 左右。而長慶氣田統一將最高保護電位控制在-1.15 V，除去如此高的IR 降后，OFF 斷電電位很難到達陰極保護判斷標準（-0.85 V），因此造成智能測試樁欠保護報警。

2.3 試片斷電電位讀取時刻的影響

獲得準確的斷電電位，對于評價管道的陰極保護是否滿足規范要求至關重要。斷電電位的確定，與電位采集頻率、測試儀表、測試人員的經驗等息息相關，對于一條達標的陰極保護管道，采用不同的儀表或由不同人員進行測量，甚至可以得出完全相反的結論。

GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中斷電電位定義為“為測試無IR 降電位，在回路電流中斷短時間延遲后瞬間所測的電位”。那么到底哪個瞬間才對應真正的斷電電位，目前防腐界對斷電電位的定義、測量方法、讀取頻率并無統一的定義和方法。

NACE TM 0497：2022《埋地或水下金屬管道系統陰極保護準則的測量技術》規定斷電電位測量時間以0.5～3 s 為宜。GB/T 21246—2020《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》規定“應使用脈沖示波器或高速記錄儀進行測量，核實影響大小和持續時間”“讀取平緩的斷電電位，同時應避免過度去極化”。李自力[8]等認為采用試片斷電法測量埋地管道的斷電電位時，斷電電位應在50～100 ms之間讀取，國內其他研究人員也建議將試片斷電后50 ms 或100 ms 作為斷電電位的讀取時刻。目前智能測試樁不確定是否采用高速數據記錄儀，也幾乎不會有人去核實影響大小和持續時間，其OFF 斷電電位的讀取時刻一般統一設置為300 ms，這極有可能過度去極化，造成智能樁讀取的OFF斷電電位比實際OFF 斷電電位偏正，從而造成智能樁因欠保護而報警。

2.4 測試試片的影響

智能樁采用裸露的鋼試片模擬管道防腐層破損點，通過測試樁引線與管道相連。其電位代表的是在相同土壤環境下，管道上與試片面積相同的防腐層破損點處的管道電位。如果試片的斷電電位能夠滿足陰極保護準則要求，那么管道上小于試片面積的防腐層漏點也能得到有效保護[9]。但實際應用中，智能樁試片斷電法的使用和極化電位的測試還存在很多不確定的影響因素，例如試片材質、形狀、規格及埋設環境等[10]。

1）試片材質的影響。電極電位是指金屬離子進入電解質溶液后，在金屬表面形成雙電層時的電極特性。電極電位和金屬的本性和介質特性有關，每一種金屬都有自己的電極電位。長慶氣田管道根據工藝需要，多選用L245N、L245NS、L360 等不同材質的管道，而目前氣田安裝的智能測試樁，基本上統一選用了A3 材質的試片，且打磨光滑，不管是材質元素含量、金相組織還是表面粗糙度等，只與實際管道相近而不完全相同，必然造成電極電位產生一定差異，其具體影響程度還有待進一步試驗研究。

2）試片面積的影響。試片面積將影響試片表面的電流密度。試片面積越大，表面電流密度越小，試片極化程度越低，極化電位越正。SY/T 0029—2012《埋地鋼質檢查片應用技術規范》規定：“單個陰極保護電位檢查片裸露面積尺寸應與調查區域中可能產生的防腐層最大缺陷接近，裸露面積宜為6.5～100 cm2，三層PE 防腐層管道宜取下限，對裸露和防腐層較差的管道宜取上限”。實際上，管道防腐層最大漏點的面積很難確定；而且采用大面積試片進行評價也過于保守，經濟上不可行。因此，在實際應用中，試片大小的選擇應考慮管道防腐層實際漏點面積大小，選取試驗段開展防腐層破損點面積評價，統計不同面積防腐層漏點所占比率，選擇占比最大的破損點面積作為適合管道測試試片的面積。針對環氧粉末和3LPE防腐管道，可以選擇不同面積的試片。

3）形狀對試片極化電位的影響。由于邊緣效應，試片周圍的電流密度較中心位置更大，極化電位會更負。數據采集器和參比電極無法采集到試片各個點的電位，只能采集到整個試片的混合電位。現場試驗表明，在相同環境條件下，30 cm2試片比6.5 cm2試片電極電位可以偏正0.2 V左右，因此試片的形狀和采集位置也可能造成測試電位的一定偏差。

4）埋設位置的影響。試片埋設深度不同造成土壤含氧量及土壤疏松程度差異而導致電極電位不同，埋深較深的試片較埋深較淺的試片的極化電位應偏負，但差別不會太大；當試片與管道或試片與試片之間距離過近時，因陽極和陰極電壓場的影響，也可能使測試數據偏正或偏負。

3 結束語

長慶油田近年來逐步實施智能測試樁評價埋地管道陰極保護的有效性，目前在智能樁應用中還存在一些問題，后期需結合氣田自然條件、工況，進一步開展科學研究，以期使存在的問題得到根本解決。