關于陰極保護標準及工程測量方法的探討

蘇俊華，孫海礁，高立群，李燦雷，楊相鋒

(1.寧波中科腐蝕控制工程技術有限公司，浙江寧波 315040;2.中國石油化工股份有限公司西北分公司，新疆烏魯木齊 830011;3.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110015)

關于陰極保護標準及工程測量方法的探討

蘇俊華1，孫海礁2，高立群3，李燦雷1，楊相鋒1

(1.寧波中科腐蝕控制工程技術有限公司，浙江寧波 315040;2.中國石油化工股份有限公司西北分公司，新疆烏魯木齊 830011;3.中國科學院金屬研究所，遼寧沈陽 110015)

研究表明，在陰極保護實際工程應用中，傳統的通電12 s后斷電3 s的測量方法并不能得到準確的斷電電位數據。IR降的正確測量可以通過專業儀器得到，也可在工程現場用萬用表進行簡單測量后進行修正得到。另外，在正常情況下，－100 mV極化可以將電化學腐蝕速率降低到原來的2%;極端情況下也可以降低到原來的1/7。因此應該重視－100 mV的極化標準，并將此準則同樣視為陰極保護工程驗收的一條重要標準。

陰極保護 IR降 斷電測試 保護電位B值

1 陰極保護電位設定

在陰極保護實際工程應用中，如果沒有條件測量斷電電位，可以設置通電在－1 100 mV左右為宜。根據工程經驗，一般情況下IR降在300 mV左右。所以，不應該設置通電電位僅在－850 mV，因為IR降一定會存在。從NACE標準TM0497-1997《埋地或浸泡金屬管道系統的陰極保護準則相關的測量技術》(以下簡稱TM0497)里可以看出，通電電位中包含電壓表、測試導線、參比電極、電解質、涂層、管道和管道金屬(電解質界面)電位的疊加。電壓表、測試導線、參比電極、電解質、涂層和管道電位是指測量回路中電阻性質的電位，即IR降。管道金屬(電解質界面)電位指的是金屬極化后的電位，即真實保護電位，是一個電容或電感性質電位。因為電壓表、測試導線、參比電極、電解質、涂層、管道電位是電阻性質的，而真實保護電位是電容或電感性質的，因此可以通過斷電的方式(即瞬間電流為零的方式)來獲得IR降的信息。通電測量電位為IR降與真實電位之和，當斷電瞬間，電流為零，IR降亦為零，此時測量的斷電瞬間的電位就是真實電位，也就是斷電電位。

需要說明的是IR降為零的情況基本不存在。因為測量回路中測量導線，管道電阻，涂層電阻必然會造成IR降，如果通電電位和斷電電位沒有差別，并不能說明系統工作情況良好，應該檢查系統是不是存在其它電源供電或電源是否有漏流情況。

2 工程中如何測量IR降

關于測量斷電電位，中國標準和美國標準有些偏差。在SY/T 0023-1997《埋地鋼質管道陰極保護參數測試方法》中規定了陰極保護系統各種參數的測試方法，其中規定斷電法測保護電位采用陰極保護站處于向管道供電12 s，停電3 s。停電3 s期間用地表參比法測得的電位，即為參比電極安放處的管道保護電位。即“12 s，3 s”測量方法。這種規定給實際操作帶來了很大的困難，因為在停電3 s期間的前0.5 s和后0.5 s測量的數據可能會大不相同。

由于對這個標準的機械理解，有些恒電位儀生產商設置了通電12 s后斷電3 s，在3 s內任取一讀數作為斷電電位的錯誤測試方法。

關于斷電3 s，NACE標準TM0497中9.3.2條規定:為避免管道明顯的去極化，斷電時間必須限定在僅夠作出準確的電位測量的時間。通常，斷電時間不能大于3 s。同時，9.6.2條又補充說明:關于這種測試方法的具體過程，在所有電源安裝必需的斷路器，在測試過程中同步“關”和“開”。“關”的過程應當保持在越短越好，但要能準確讀數。

根據對NACE標準 TM0497的理解，IR降的測量應該在最短的時間段內取得，只要能準確讀數，整個過程不能超過3 s。而不應該是在3 s內取得任一讀數都可以作為斷電電位。

按照標準規定，測量IR降是越快越好。快的程度在NACE標準TM0497中規定:“存在于管道-電解質電位測試過程中的電壓降(IR降)的影響可以通過中斷所有明顯的電源得到并進行檢測。這個測量結果被指為“瞬間斷電”電位(instnag-off)。這種測量必須在電流中斷后立即進行，不能有任何可觀察到的延遲現象以避免去極化過程未能記錄，測得的電位被作為測量點的極化電位。因為中斷電流可能造成一個電位脈沖，應避免將電脈沖的電位記錄為極化電位”。同時，標準指出，這個脈沖的時間寬度一般不超過0.5 s。

因此認為真實瞬時斷電電位應在1 s內取得。這樣，由于普通的萬用表記錄數據的時間間隔是每秒2～3次，所以用普通萬用表很難準備記錄斷電瞬間數據。一般采用專用的電位記錄儀來進行斷電測試。專用電位記錄儀的記錄過程見圖1。

從圖1可以看出，斷電電位在斷電后200 ms左右就出現了，如果不用專用的儀器，很難進行斷電測試。

在實際工程測量中，由于野外工作條件限制，也可以使用萬用表進行簡單的斷電測試，即將萬用表兩端接在測試樁或電源的陰極和陽極上，同時由其他人配合斷電操作，記錄斷電后萬用表顯示的第一個和第二個數據。此數據一般比準確的斷電電位稍低，根據經驗稍加修正后可以作為有效的斷電測量數據使用。

3 －100 mV標準的使用和意義

在SY，NACE和API相關標準中都提到了陰極保護的另外一個準則，即最少有100 mV的陰極極化。

在實際工程應用中，經常有技術人員把這條標準理解為－850 mV標準的補充，即在不能達到－850 mV標準的情況下，才使用這條準則。最近，有研究人員提出不同的看法，即此標準決不是對－850 mV的補充，而應視為一條正常的驗收標準。經仔細查核國內外相關標準，也未發現有將此條標準作為－850 mV標準補充的依據。

國內有陰極保護專家給出了關于此標準的理論推算:

假設某一體系未施加陰極保護時，其腐蝕電位Ecorr為－550 mV，腐蝕電流密度為Jcorr 1;施加陰極保護之后，其保護電位Ecp為－650 mV，于是，其陰極極化值 △E為 －650與 －550之差(－100 mV)。設在－100 mV極化值條件下，被保護對象的腐蝕電流密度為Ja1，由腐蝕電化學原理可知:

式中:βa1為被保護對象陽極溶解反應的塔菲爾斜率。

通常在活性區金屬陽極溶解反應的塔菲爾斜率約為幾十毫伏。前蘇聯著名的腐蝕科學家托馬曉夫的研究結果表明:鐵在不同濕度和不同結構的土壤中，其常用對數的塔菲爾斜率ba為0.06 V，由于 ba=2.303βa，故 βa1=26 mV，于是:

上式表明:對被保護對象施加了陰極保護、并且陰極極化值達到－100 mV時，被保護對象在這一陰極極化值下，其腐蝕速度降低了98%，只有未施加陰極保護時的腐蝕速度的2%。

從腐蝕速率變化的百分比看，－100 mV極化值所達到的保護效果是顯著的。

以上的推論可知，βa1是一個關鍵因素。曹楚南指出B 值(即 βa1)一般在 13～30 mV［1］。而有的文獻指出 b值(即 ba值)一般取 0.06～120mV［2］。根據換算，B 值在26～52 mV。綜合上述兩個文獻，假設B值取13～52 mV，則計算的Ja1/Jcorr1值(即腐蝕反應抑制程度)見表1。

表1 陰極極化后腐蝕抑制程度 %

從表1可以看出，在正常情況下，－100 mV極化可以將電化學腐蝕速率降低到原來的2%;極端情況下，也可以降低到原來的1/7。如果極化達到－150 mV，即使在極端情況下，腐蝕也降低到原來的1/20。

因此應該重視－100 mV的極化標準，并將此準則同樣視為陰極保護工程驗收的一條重要標準。

需要說明的是，使用這條準則也必須重視IR降的影響，從上面的計算公式也可以看出，用來計算△E的保護電位應去除IR降，指的是結構的真實極化電位，并不是指通電電位。

4 結語

(1)工程應用中，應測量斷電電位，正確設置陰極保護電位;如無條件測量，則陰極保護系統的通電電位可以設置在－1 100 mV左右。

(2)陰極保護系統中一定會存在IR降。IR降的正確測量可以通過專業儀器得到。在工程現場，可采用萬用表進行簡單測量后進行修正。

(3)根據理論計算，－100 mV標準應作為一條重要準則在陰極保護工程中應用。

［1］曹楚南.腐蝕電化學［M］.北京:化學工業出版社，1994:59.

［2］H.H.尤里克.腐蝕與腐蝕控制［M］.北京:石油工業出版社，1985:62.

Study on Cathodic Protection Standard and Engineering Measurement

Su Junhua1，Sun Haijiao2，Gao Liquan3，Li Canlei1，Yang Xiangfeng1
1.Ningbo Zhongke Corrosion Control Engineering Technology Co.，Ltd.(Ningbo，Zhejiang 315040)2.SINOPEC Northwest Oil Field Company(Urumqi，Xinjiang 830011)3.Institute of Metal Research of Chinese Academy of Sciences(Shenyang，Liaoning 110015)

The research has shown that，in project application of cathodic protection，the accurate electric potential data can not be got by conventional measures，i.e.measurement after power on for 12 s and power off for 3 s.The correct measurement of IR drop can be obtained by special instrument or by universal meter after correction.In normal conditions，－100 mV polarization can reduce the electro－chemical corrosion rate to 2%of the original and 1/7 of the original in extreme case.Great attention shall be paid to －100 mV polarization standard，which shall be regarded as an important standard in the inspection and acceptance of cathodic protection project.

cathodic protection，IR drop，power－ off testing，protection electric potential，B value

TG174.41

A

1007－015X(2011)03－0025－03

2010－09－ 29;

2011－03－24。

蘇俊華(1972－)，男，高級防腐蝕工程師，碩士學位，現在寧波中科腐蝕控制工程技術有限公司從事腐蝕與防護技術開發工作，主要研究領域為陰極保護和涂層防護。E－ mail:18917134111@189.cn