摘 要： 評價(jià)管道陰極保護系統運行情況主要測試陰極保護管地電位， 根據電位準則進(jìn)行。 但在地表測試的電位不能完全反應出管道實(shí)際的陰極保護電位， 本文主要介紹不同陰極保護方式下， 應用斷電法最終得到管道斷電電位， 通過(guò)調整斷電電位使管道處于陰極保護有效保護狀態(tài)。

關(guān)鍵詞： 陰極保護 斷電法 通電電位 斷電電位 IR降

1 前言

目前采用陰極保護方法控制管道外腐蝕， 而管地電位是評價(jià)管道陰極保護系統運行情況的重要參數， 由于管道經(jīng)過(guò)土壤類(lèi)型不同， 土壤電阻率差別很大， 常規的地表法測量管地電位， 沒(méi)有針對不同土壤環(huán)境， 測量的管地電位含有較大IR降， IR降存在影響測量電位反映管道陰極保護系統真實(shí)運行狀況， 從而造成管道陰極保護系統運行在十分危險的“欠保護”狀態(tài)。 斷電法能夠有效減少I(mǎi)R降的影響， 得到較真實(shí)陰極保護管地電位， 通過(guò)分析這個(gè)電位是否達到通常標準中要求的-850mv， 判定管道是否處于陰極保護系統有效保護。 對于未達到標準電位處于“欠保護”狀態(tài)的管段進(jìn)行現場(chǎng)調查和數據分析， 使用PCM+A字架方法查找欠保護的原因， 及時(shí)整改， 使其處于陰極保護有效保護狀態(tài)。

2 陰極保護電位測試時(shí)IR降形成

IR 降系指電流在介質(zhì)中流動(dòng)所形成的電阻壓降， 給電位測量結果造成誤差。 采用斷電法（切斷陰極保護電流后測量） 后， 消除了部分誤差。假如將各種誤差簡(jiǎn)單劃分為IsR（可用斷電法消除） 和Vo（不能消除） 兩類(lèi)， 存在以下關(guān)系式：

Eon=Eoff+IR

式中

Eon ——通電電位即未消除IR降的電位；

Eoff ——斷電電位即不含IR降的陰極保護管地電位；

I ——保護電流；

R ——管道表面與參比電極之間的電阻。

可消除的IR降是由參比電極和管道電位測量點(diǎn)之間的陰極保護電流（恒電位儀輸出電流） 的分量、 土壤介質(zhì)電阻和管道表面膜或絕緣層電阻造成的， 屬于直流歐姆電壓降， 在陰極保護電流中斷瞬間立即消失。

3 斷電法消除IR降影響

埋地鋼質(zhì)管道陰極保護根據直流電流的來(lái)源不同分為外加強制電流和犧牲陽(yáng)極兩種， 針對不同陰極保護類(lèi)型分別采用不同手段應用斷電法， 消除IR降獲得陰極保護管地電位。 而斷電法可根據檢測儀器不同分為兩種： 一種是使用衛星同步中斷器， 包括進(jìn)行全線(xiàn)測試的密間隔電位法（CIPS） 和僅在測試樁處使用萬(wàn)用表進(jìn)行讀取通斷電位的手動(dòng)中斷法； 另一種是使用試片（極化探頭） 法， 該方法僅能測試測試樁處通斷電位。

針對埋地鋼質(zhì)管道陰極保護方式的不同， 采用不同方法進(jìn)行管道陰極保護管地電位測試： 對于采用外加強制電流的陰極保護系統， 可選擇密間隔電位測量（CIPS） 法或同步中斷器法進(jìn)行測試；對于采用犧牲陽(yáng)極方式的陰極保護系統或外輸管線(xiàn)與站內之間絕緣接頭失效的埋地鋼質(zhì)管道， 可采用試片（極化探頭） 法測得埋地管地電位。

4 衛星同步中斷法

對埋地鋼質(zhì)管道進(jìn)行周期性陰極保護有效性評價(jià)或要全面掌握管道沿線(xiàn)陰極保護電位分布時(shí)， 主要采用密間隔電位法（CIPS） ， 而日常每月進(jìn)行電位巡檢測試時(shí)通常采用萬(wàn)用表進(jìn)行讀取通斷電位的手動(dòng)中斷法。

4.1 密間隔電位法（CIPS）

密間隔電位法（CIPS） 適用于對管道陰極保護系統的有效性進(jìn)行全面評價(jià)的測試。 本方法可測得管道沿線(xiàn)的通電電位（V on） 和斷電電位（Voff） ， 結合直流電位梯度法（DCVG） 可以全面評價(jià)管線(xiàn)陰極保護系統的狀況和查找防腐層破損點(diǎn)及識別腐蝕活躍點(diǎn)。

以下情況不適用密間隔電位法或會(huì )使該方法測量結果的準確性受到影響：

——保護電流不能同步中斷（多組犧牲陽(yáng)極或其與管道直接相接， 或存在不能被中斷的外部強制電流設備） 的管道；

——套管內的破損點(diǎn)未被電解質(zhì)淹沒(méi)的管道；

——覆蓋層導電性很差的管段， 如鋪砌路面、 凍土、 鋼筋混凝土、 含有大量巖石回填物；剝離防腐層下或絕緣物造成電屏蔽的位置，如破損點(diǎn)處外包覆或襯墊絕緣物的管道。

4.1.1 測量步驟

圖和測量步驟主要是：

量簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1：

a） 在測量之前， 應確認陰極保護正常運行，管道已充分極化。

b） 在測量之前， 檢查測量主機電池電量。

c） 在所有電流能流入測量區間的陰極保護直流電源處安裝電流同步斷續器， 并設置在合理的周期性通/斷循環(huán)狀態(tài)下同步運行， 同步誤差小于0.1s。 設置原則是： 斷電時(shí)間應盡可能的短， 以避免管道明顯的去極化， 但又應有足夠長(cháng)的時(shí)間保證能在消除沖擊電壓影響后測量采集數據。 根據具體所用的陰極保護電源設備和測量?jì)x器的不同， 典型的循環(huán)時(shí)間設置宜為： 通電800ms， 斷電200ms或通電4s， 斷電1s或通電12s， 斷電3s。

d） 將線(xiàn)軸（長(cháng)測量導線(xiàn)） 一端與 C I P S /DCVG測量主機（或數字式萬(wàn)用表） 連接， 另一端與測試樁連接， 將一根探杖（硫酸銅電極） 與CIPS/DCVG測量主機（或數字式萬(wàn)用表） 連接。

e） 打開(kāi)CIPS/DCVG測量主機， 設置為CIPS測量模式， 設置與同步斷續器保持同步運行的相同的通/斷循環(huán)時(shí)間和斷電時(shí)間， 并設置合理的斷電電位測量延遲時(shí)間， 典型的延遲時(shí)間設置宜為（50～100） ms。

f） 測量時(shí)， 利用探管儀對管道定位， 保證硫酸銅電極放置在管道的正上方。

g） 從測試樁開(kāi)始， 沿管線(xiàn)管頂地表以密間隔（一般是1m～3m） 逐次移動(dòng)探杖（硫酸銅電極） ， 每移動(dòng)探杖一次就采集并記錄存儲一組通電電位（Von） 和一組斷電電位（Voff） ， 直至到達前方一個(gè)測試樁。 按此完成全線(xiàn)管地電位沿管道變化的測量。

h） 同時(shí)應使用米尺線(xiàn)軸、 GPS坐標測量或其它方法， 測量硫酸銅電極安放處沿管線(xiàn)的距離， 應對沿線(xiàn)的永久性標志、 參照物及它們的位置等信息進(jìn)行記錄， 并應對管道通電電位（V on） 和斷電電位（V off） 異常位置處作好標志與記錄。

i） 某段密間隔測量完成后， 若當天不再測量， 應通知陰極保護站恢復為連續供電狀態(tài)。

4.1.2 數據處理

數據處理主要包括：

a） 將現場(chǎng)測量數據下載到計算機中， 進(jìn)行數據處理分析。

b） 對每處兩組數據中的幾個(gè)數據， 分別取其算術(shù)平均值， 代表該測量點(diǎn)的通電電位（Von） 和斷電電位（Voff） 。

c） 以距離為橫坐標、 電位為縱坐標繪出測量段的電位分布曲線(xiàn)圖， 圖中一條為通電電位曲線(xiàn)， 另一條為斷電電位曲線(xiàn)， 在直流干擾和平衡電流影響可忽略不計地方， 斷電電位曲線(xiàn)代表陰 極保護保護電位分布曲線(xiàn)。

4.1.3 實(shí)例

以新疆某油田埋地鋼質(zhì)管道為例， 該油田長(cháng)輸管道經(jīng)過(guò)土壤環(huán)境有沙漠、 戈壁、 鹽堿灘、農田等， 土壤環(huán)境差別很大， 土壤電阻率變化非常劇烈， 這導致采用常規地表參比法進(jìn)行陰極保護管地電位測試中含有很大的IR降， 無(wú)法通過(guò)地表電位來(lái)評價(jià)管道是否處于陰極保護系統有效保護， 2010年采用密間隔電位法（CIPS） 對1600km管道進(jìn)行陰極保護有效性檢測發(fā)現有256km未達到-850mv， 有224km超過(guò)-1200mv， 而日常采用地表參比法測試僅發(fā)現32km未達到-850mv， 兩者相差很大， 兩種方法對比見(jiàn)圖2， 說(shuō)明地表參比法存在較大IR降從而影響判斷的準確性。

4.2 手動(dòng)中斷法

在恒電位儀陽(yáng)極或陰極串入衛星同步中斷器， 設置通斷周期， 在測試樁處通過(guò)使用萬(wàn)用表與便攜式參比電極進(jìn)行測試， 具體連接見(jiàn)圖3。通常采用“通12s， 斷3s”的通斷周期， 在一個(gè)通斷周期15s內， 讀取兩個(gè)參數即通電電位和斷電電位， 在通12s內萬(wàn)用表讀數基本穩定在一個(gè)數值即得到通電電位， 在斷3s內發(fā)生斷電瞬間萬(wàn)用表顯示第一個(gè)數值即斷電電位。 通過(guò)分析斷電電位是否達到-850mv標準， 評價(jià)管道是否處于陰極保護系統有效保護。

4.2.1 實(shí)例

以新疆某油田一條輸氣管道為例， 在使用手動(dòng)中斷法進(jìn)行斷電電位測試時(shí)， 發(fā)現從205#樁至末站之間管道通電電位負于-850mv， 而斷電電位遠未達到-850mv， 圖4為205#至233#樁電位變化， 說(shuō)明這段管道未處于陰極保護系統有效保護。

經(jīng)過(guò)對該段進(jìn)行PCM電流測試， 發(fā)現7#閥室存在較大電流損失， 圖5為PCM測試示意圖。 在閥室西側測試電流值為800mA， 而在閥室東側測試電流值僅為25mA， 損失率達到96.9%， 同時(shí)在閥室東側墻邊兩處接地測到電流分別為600mA、200mA， 說(shuō)明管道與閥室接地相連， 管道內絕大部分電流流向閥室接地。 為了進(jìn)一步確認管道是否與閥室接地相連， 通過(guò)萬(wàn)用表與管道、 接地相連， 利用萬(wàn)用表通斷功能， 進(jìn)一步確認發(fā)現管道與閥室接地相連。

在閥室內查找接地點(diǎn)， 發(fā)現上游旁通上法蘭被水泥包裹， 并且此處未做防腐， 確定此處有接地。 將此處重新防腐， 全線(xiàn)電位上升200mv， 但仍未達到標準。 繼續用PCM+A字架在7#閥室查找接地點(diǎn)， 發(fā)現氣液聯(lián)動(dòng)閥接線(xiàn)箱內電纜有很強電流信號， 同時(shí)此處有較大破損點(diǎn)達到80db（發(fā)射機接地點(diǎn)為90db） ， 由此可以判斷此處與閥室接地相連。 將氣液聯(lián)動(dòng)閥接線(xiàn)箱內接地斷開(kāi)， 管道全線(xiàn)電位迅速上升， 達到標準要求， 圖6為英輪線(xiàn)205#至233#樁電位恢復。

4.3 檢測過(guò)程中中斷器安裝與測試距離

根據各條管線(xiàn)的具體情況， 即陰保站的數量， 若陰保站的數量大于等于4時(shí)， 按四處同步（斷/開(kāi)） 進(jìn)行測試電位， 若陰保站的數量小于等于3時(shí)， 按實(shí)際的3處或2處同步（斷/開(kāi)） 進(jìn)行測試電位。

4.4 中斷周期選擇

在斷電后測量所需的時(shí)間， 過(guò)長(cháng)的衰減時(shí)間由于去極化作用會(huì )低估現有的保護水平， 以每隔一段時(shí)間就對陰極保護裝置進(jìn)行一次開(kāi)關(guān)的方式來(lái)進(jìn)行測量， 在大多數情況下， off： on的比率為1： 4時(shí)將不會(huì )引起較大的去極化現象， 推薦中斷周期為“200 ms 斷， 800 ms 通”或“3s斷，12s通”。

5 試片法（極化探頭）

將試片法（極化探頭） 埋設在與管道土壤環(huán)境相近地地方， 測試樁與管道連接該試片極化24小時(shí)后， 通過(guò)手動(dòng)斷電即可測量出管道管地電位， 檢查片材質(zhì)應與管道材質(zhì)相同或相近。

極化探頭性能參數滿(mǎn)足以下要求：

電極工作電流密度： ＜5μA/m2；

電位漂移： ＜±10mV；

電極內阻： ＜100Ω；

電極溫度系數： 1.0mV/℃；

電極材料： 高純電解銅。

極化探頭按以下圖7方式連接， 極化探頭的原理圖見(jiàn)圖8。

　

圖9為某氣線(xiàn)50#樁試片法電位衰減曲線(xiàn)， 由圖可以看出此處IR降約450mv， 如果僅僅通過(guò)地表參比法是無(wú)法準確判斷管道受陰極保護系統保護情況。

6 結論

1） 在陰極保護系統效果分析過(guò)程中， 采用斷電電位進(jìn)行評定更為客觀(guān)、 準確。

2） 通過(guò)對斷電電位分析， 可以更加直觀(guān)、 有效發(fā)現管道陰極保護系統存在問(wèn)題， 通過(guò)排查存在問(wèn)題， 使管道陰極保護管地電位達到標準要求范圍， 從而使管道處于良好的腐蝕防護狀態(tài)， 同時(shí)避免當發(fā)現管道處于欠保護狀態(tài)時(shí)， 主觀(guān)判斷為防腐層老化， 避免盲目更換防腐層造成不必要的經(jīng)濟投入。

3） 本文介紹不同陰極保護方式， 采用不同的檢測方法得到管道陰極保護斷電電位。 通過(guò)對現有輸油氣管道進(jìn)行檢測， 能夠有效摸清目前在役管道陰極保護系統運行情況， 對達不到有效保護的管段調節恒電位儀輸出， 提高管道陰極保護電位。 ◢

參考文獻

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[2] 化學(xué)工業(yè)部化工機械研究所． 腐蝕與防護手冊[M]．北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 1990．

[3] 翁永基． 陰極保護設計中的模型研究及其應用[J]． 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)， 1999， 11（2） ： 99~110．

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《管道保護》 2012年第 3 期（總第 4 期）