劉權 劉點(diǎn)玉 單勁智 葛艾天

中石油北京天然氣管道有限公司

摘 要： 通過(guò)對陰極保護準則應用以及電位測試IR降規律等相關(guān)問(wèn)題的分析，探討了陰極保護站不同運行模式的特點(diǎn)，分享了陰極保護運維過(guò)程中總結的一些經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞： 陰極保護準則； IR降；站內外干擾；運行模式

涂層和陰極保護是管道外腐蝕控制的重要手段。在管道設計、施工階段合理選擇管道涂層和陰極保護形式，在管道運行階段保證涂層完好和陰極保護系統有效，對保障管道本體安全至關(guān)重要。

管道埋地后涂層的全面檢查和修復變得相對困難。如何對管道施加有效的陰極保護，保證即便涂層存在破損情況，破損點(diǎn)處電位仍能滿(mǎn)足陰極保護準則，其周?chē)�環(huán)境保持較高的pH值，成為外腐蝕控制的關(guān)鍵。

目前在管道陰極保護系統日常運行和有效性評價(jià)過(guò)程中，仍存在一些認識和理解上的差異，需要進(jìn)一步討論，以期促進(jìn)管道行業(yè)外防腐管理水平提高。

1 陰極保護電位測試中的IR降

陰極保護是一種電化學(xué)技術(shù)，其有效性通過(guò)表征管道陰極極化水平的保護電位判斷。目前管道陰極保護有效性評價(jià)主要依據GB/T 21447《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規范》、 GB/T 21448《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規范》等標準。其中表述陰極保護電位范圍為，其中E 1為限制臨界電位， E IRfree為無(wú)IR降的陰極保護電位， Ep為最小保護電位。在實(shí)際管理過(guò)程中一般將管道的保護電位限制在﹣850 mV至﹣1 200 mV之間。

由于理解偏差，往往將恒電位儀的通電電位設置在﹣1 200 mV左右，忽略了土壤電阻等造成的IR降的成分，使實(shí)際管/地電位不能滿(mǎn)足標準要求。保護電位的設置是基于整條線(xiàn)路極化電位，而不僅是通電點(diǎn)處的電位水平，通電電位通常要比極化電位偏負，考慮到IR降的影響，通電電位一般在﹣900 mV至﹣3 000 mV之間。俄羅斯標準《GOST 9.602-2005UNDERGROUND CONSTRUCTIONS Generalrequirements for corrosion protection》就明確規定基于XPE涂層的管道的通電電位為﹣900 mV至﹣3 500 mV。

在日常測試和評價(jià)陰極保護有效性過(guò)程中，應充分理解通電電位、 IR降和斷電電位之間的關(guān)系。由于通電電位測試相對容易便捷，在現場(chǎng)測試過(guò)程中部分工程人員往往利用測試樁處某次測得的通電電位、IR降和斷電電位，將IR降部分作為一個(gè)固定值或者通電電位的線(xiàn)性百分比來(lái)計算保護電位。實(shí)際上， IR降占比是隨通電電位變化的，隨著(zhù)季節性土壤電阻率變化， IR降占比也會(huì )變化，應充分理解IR降和管道極化的意義及與通電電位的關(guān)系，避免錯誤判斷陰極保護的有效性。

為驗證IR降大小與通電電位的關(guān)系，通過(guò)極化試片法對地鐵附近管道監測數據進(jìn)行了對比分析，極化試片法的測試接線(xiàn)如圖 1所示，通過(guò)信號斷路器的中斷，可以測試與管道連接的試片的通/斷電位。

圖 1  極化試片法測試通/斷電位接線(xiàn)圖

根據采集的數據繪制了通/斷電電位曲線(xiàn)和IR降在通電電位中占比情況對比圖（圖 2），數據顯示隨著(zhù)通電電位的變化，斷電電位變化比較平穩，而IR降電位在通電電位中的占比隨通電電位變化而變化。

圖 2  通 斷電電位及IR降占比對比圖

2 日常管理

管道沿線(xiàn)周邊環(huán)境的變化有可能影響管地電位，從而影響陰極保護效果，在日常維護中管地電位的監測和陰保系統的輸出調整是必不可少的。沿管道進(jìn)行的管地電位測試是評價(jià)陰保系統運行有效性最常見(jiàn)、最有效的手段。管道公司對于測試時(shí)間、頻率、數據格式等都有較為明確的要求。然而在數據測試和分析中，存在著(zhù)以下影響陰極保護效果評價(jià)的因素。

（1）只測試陰極保護系統通電時(shí)管地電位（on電位）忽視瞬斷電位（off電位）的測試（見(jiàn)前述）。

（2）只在測試樁處測量管地電位，很少開(kāi)展密間隔電位測試。

近年來(lái)，管道外防腐層整體性能大幅提升，導致沿管道的陰極保護電流衰減通常并不明顯，在間隔為1千米的測試樁上測得的管地電位基本可以體現管道的陰極保護水平。對于衰減較大的管道或外防腐要求較高的管道，定期開(kāi)展密間隔電位測試有助于更加準確地分析判斷陰極保護效果和重新定義管道陰極保護率，及時(shí)發(fā)現短距離范圍陰極保護不足和整改局部孤立外防腐層破損、搭接和干擾防護不足的問(wèn)題。如在密間隔電位測試中發(fā)現由于其他構筑物接地造成陰極保護電流屏蔽形成的陰極保護不足，圖 3所示。

圖 3   CIPS測試曲線(xiàn)及電流屏蔽段

（3）重測試輕分析，數據分析不足。毫無(wú)疑問(wèn)，管地電位測量的頻率越高，對管道陰極保護的監控效果越好�；�于此種考慮，很多企業(yè)將測量周期定為1個(gè)月甚至更短，但也會(huì )帶來(lái)一些問(wèn)題：首先，高頻率的測試意味著(zhù)大量的現場(chǎng)工作量，過(guò)多牽涉管理人員的精力；其次大量的測量數據如果得不到及時(shí)的分析，陰保系統來(lái)不及調整穩定便又開(kāi)始新一輪的測試，管理效果反而大打折扣。國外很多管道公司陰極保護電位測試周期規定為半年1次或1年1次，但是都非常重視數據的分析和分析結果的響應（調整、整改）。國內在管道周邊環(huán)境相對穩定，管道電流需求量也相對穩定的情況下，可根據季節變化每年測量2～4次。

（4）不重視交流干擾數據的測試分析。近年來(lái)，因交流干擾影響管道安全運行的情況日益普遍。有研究結果表明，存在10 V以?xún)鹊碾妷翰罹陀锌赡茉斐山�距離安裝的金屬結構發(fā)生瞬間或持久的放電現象，對于輸送易燃易爆油氣介質(zhì)的管道造成嚴重的安全隱患。令人擔憂(yōu)的是，一些管道只是出現問(wèn)題和事故之后，才發(fā)現很久以來(lái)一直存在著(zhù)交流干擾的情況。目前交流干擾的防護技術(shù)已較為成熟，在每次陰極保護管地電位測試的同時(shí)進(jìn)行管地交流電位的測試，便很容易發(fā)現存在的交流干擾情況，進(jìn)一步采取防護措施，避免問(wèn)題發(fā)生。

3 陰極保護站間距設置

國內新投產(chǎn)的管道普遍采用三層聚烯烴涂層，其良好的涂層電阻率，管道的衰減常數小，部分陰極保護站的間距可達200 km以上。但隨時(shí)間推移，涂層絕緣性能會(huì )變差，系統需要輸出更大的電流來(lái)保證陰極保護的有效性，增加設備負荷，也易造成靠近陰極保護站附近過(guò)保護。間距如果過(guò)大，對其間管道電位調節缺乏靈活性，一旦出現陽(yáng)極地床故障或局部陰極保護不足，不能充分利用陰極保護站之間的系統冗余進(jìn)行調節，降低了管道陰極保護率。

4 陰極保護電源運行模式的探討

陰極保護電源是實(shí)現陰極保護有效性的核心設備，常用的電源具有恒位、恒流和整流器三種工作模式。其中恒電位功能是通過(guò)將通電點(diǎn)處管地電位反饋與儀器的輸出設置進(jìn)行對比運算，及時(shí)調整設備的電流輸出，保證通電點(diǎn)的管地電位與設置輸出電位一致，設備通過(guò)“反饋”“對比運算”“輸出調節”等模塊調整輸出電流，在一定程度上保證了管道沿線(xiàn)管地電位的穩定。但恒電位功能有其與生俱來(lái)的局限性，如果管道沿線(xiàn)局部的電位變化不能對通電點(diǎn)處的管地電位造成明顯的影響，那么恒電位功能就不能作用到該局部。一旦管道在通電點(diǎn)附近遭受局部直流干擾，陰保電源會(huì )大幅調整其電流輸出，這種情況在通電點(diǎn)受到陽(yáng)極干擾時(shí)尤為危險，因為電源會(huì )減少電流輸出以實(shí)現通電點(diǎn)的電位恒定，很可能造成遠端的保護不足。由于管道周邊環(huán)境相對穩定，除季節性變化外，管道電流需求量變化不大，在通電點(diǎn)附近易受雜散電流干擾的情況下，恒電流或整理器控制模式相較于恒電位模式能很好地克服通電點(diǎn)處電位波動(dòng)造成全線(xiàn)電位不穩定的情況，保持陰極保護系統運行的可靠性。

5 雜散電流干擾

干擾是管道陰極保護系統運行維護過(guò)程中不可回避的問(wèn)題，管道運行方往往重視外界對自身管道的干擾，卻忽略了自身管道設施之間以及自身管道對外界的干擾。例如，同一個(gè)站場(chǎng)既擔負著(zhù)干線(xiàn)陰保站的功能其站內埋地管網(wǎng)又施加了外加電流陰極保護，干線(xiàn)陰保系統的陽(yáng)極電場(chǎng)不可避免地與站場(chǎng)陰極保護的陽(yáng)極電場(chǎng)發(fā)生疊加而相互干擾，一些情況下已經(jīng)影響到管道的外防腐效果。又如，當電氣化鐵路或輸電線(xiàn)路與管道靠近時(shí)，管道運行單位均能夠采取測試及防護措施以防范其對管道的干擾。與此同時(shí)，管道的陰極保護或排流措施對其路基或塔架基礎的金屬結構的干擾卻沒(méi)有得到對方重視,雙方尚未建立有效的協(xié)調解決機制。

6 結束語(yǔ)

腐蝕防護是一門(mén)實(shí)踐工程學(xué)科，盡管管道陰極保護的原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但其隱蔽性的特點(diǎn)，容易使人麻痹大意，不易引起重視。加之管道所處環(huán)境相對開(kāi)放，新情況和新問(wèn)題不斷出現，需要進(jìn)一步總結經(jīng)驗和教訓，以達到持續改進(jìn)的目標。

劉權，男， 1981年出生，本科，工程師，就職于中石油北京天然氣管道有限公司，主要從事腐蝕控制工作。