陰極保護電位測量誤差分析及對策

尤生勇，趙云峰，馬 飆，丁佐暖

（中國石油西氣東輸長寧輸氣公司，寧夏銀川 750001）

埋地鋼質管道由于處于土壤環境中，必然與土壤周圍介質發生電化學作用，而導致埋地鋼質管道逐漸被腐蝕。發生這種電化學腐蝕必須滿足（1）存在不同電極電位的兩個電極（陰極、陽極）；（2）兩級間有電氣連接；（3）兩級間存在電位差；（4）兩電極處于同一電解質體系中。為此，防止腐蝕的方法，也就是從破壞這4個影響要素入手。目前成熟和通用的方法是管道外防腐涂層加陰極保護。管道的防腐涂層可以使管道表面形成相對完整的、連續的電絕緣層，從而把存在著許多不同電極電位的微觀腐蝕的管道與土壤介質隔離開，使腐蝕電流趨于零而減輕或避免腐蝕。而陰極保護則是使埋地鋼質管道的電極電位陰極極化，電位降至鈍化區內，從而達到控制腐蝕的目的。應當說陰極保護是對外防腐涂層控制腐蝕的有效補充。陰極保護技術有犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護兩種。無論哪種方法，均是通過測量保護電位加以分析判斷，那么陰極保護電位測量過程中的誤差就顯得十分重要。

1 保護電位測量過程中的誤差分析

埋地鋼質管道在無任何外加電流的情況下，所測的管/地電位為自然電位，即腐蝕電位。該自然電位通常隨管道外防腐層、土壤及周圍環境而有所不同，一般在-0.6 V左右。當管道施加陰極保護電流后，使管道陰極極化，管道保護電位向負方向偏移，日常管理中便是以電位負偏移多少來衡量管道是否受到保護。目前在實際工作中，電位測量方法大多采用地表參比法，測量的電位也是通電電位，這樣，實測的保護電位值實際上包含了管/地保護電位和土壤上產生的電壓降即土壤IR降，以及測量萬用表（或電壓表）內阻引起的壓降，導致實際測定的保護電位值并不是管道的真實保護電位，往往給日常管理帶來誤判斷（見圖1、圖2）。

從圖2測量回路中分析，常規保護電位測量將產生兩個方面的IR降誤差，I2分流在測量線路上產生的電壓降和土壤電壓降I1R1；而I2分流產生的壓降主要決定于電壓表內阻R5，若R5足夠大，I2則很小。故只要選擇內阻足夠大（≥100 KΩ）的電壓表，即可使該壓降忽略不計。而I1R1將會使測得的管/地電位數值變得更負，造成地面測量的保護電位已達到要求（即通電電位達到-850 mV或更負），但管道真正保護電位在剔除土壤IR降后，不一定受到保護。同時，長輸埋地管道基本上每公里設電位測試樁1個，由于防腐層破損點的不確定性，測量某樁號的參比電極可能距防腐層破損點（漏點）的距離更遠，從而引入的土壤IR降更大。故僅憑通電電位和保護電位準則，往往帶來較大的誤判斷。

2 土壤IR降的消除

如前所述，只有消除土壤IR降后所測電位才能真正反映出埋地鋼質管道的陰極保護狀態，管道的陰極保護極化形成和去極化過程（見圖3、圖4）。

圖3 陰極保護極化曲線圖

圖4 陰極保護去極化曲線圖

從圖3、圖4可以看出，無論陰極極化的形成，還是去極化過程，都需要一段時間，一般在24小時以上。利用這一特性不難測得土壤IR降。

2.1 土壤IR測定

如采用電流中斷法測定開電位（Von）和關電位（Voff），該關電位（Voff）即是管道的真實保護電位，而Von-Voff值可認為是土壤IR降（見圖3）。其基本原理是，當外加電流中斷時，土壤壓降立刻消失，但陰極極化效應的消失有一個過程，此時迅即測得的電位即是“無”土壤IR降的電位值，即管道真實保護電位。其測量方法這里不再贅述，同時測量土壤壓降的方法還有密間隔電位測量技術（CIPS）等。

2.2 運行管理措施

目前國內絕大多數埋地鋼制管道，設計了陰極保護系統，但電位測試大多采用地表參比法，測得的電位均為通電電位，陰極保護運行管理就十分重要。

2.2.1 對目前所測電位為通電電位的管線，應利用土壤IR測定方法，測量出土壤IR降 在進行保護電位分析時，應計算土壤IR降后的管道保護電位是否達到-850 mV或更負作為判定管線是否受到良好保護。如圖5是某管線電位分析曲線圖，該曲線圖包含自然電位曲線、保護電位曲線、消除IR降的保護電位曲線，從曲線圖分析，每月所測得的通電電位應等于或更負于消除土壤IR降的電位。

圖5 某段管線電位分析曲線圖

但值得注意兩個問題：一是無論利用何種測量技術測得的土壤IR降，總是在某年某月某天所測得的，難以代表全年的土壤環境變化，該土壤IR降也僅僅是一個參考值。理想的測量，應當在某一年內，對應每月保護電位測試時間，測試每月的土壤IR降，供今后幾年進行電位分析，相對而言更可靠。二是在進行土壤IR降測量中，可能受到雜散電流干擾的影響，測試中應予以充分考慮。

2.2.2 測量斷電電位 瞬間中斷外加陰極保護電流，在實際工作中難以做到，故測量斷電電位需要引入陰極保護檢查片，陰極保護檢查片由一個或一組和管道或相近的材料組成，檢查片埋設在管道附近的土壤中，用導線通過電位測試樁與原電位測試線作電氣上的連接，在電位測量時，瞬間斷開連接，測得檢查片的電位為斷電電位，該電位可認為是消除土壤IR降的管道真實保護電位。該測試方法簡便易行，在現有測試通電電位的管道上安裝方便，至少在土壤腐蝕嚴重管段或防腐層質量較差管段安裝檢查片，以測得真實的管道保護電位。

2.2.3 利用極化探頭法測量保護電位 “極化探頭測量法”是近些年逐漸興起的管道保護電位測量過程中的新技術。極化探頭一般由一個裸露的可通電的鋼盤，并在鋼盤內內置一個參比電極，鋼盤與管道材質相同，當鋼盤與管道通過地面測試樁內測試線連接后，陰極保護電流同時將鋼盤極化，從而達到鋼盤與埋地管道具有相同的極化電位。測量時，斷開鋼盤與管道的電氣連接，瞬間測得的斷電電位即為有效消除土壤IR降后的管道真實保護電位。該方法另一最大優點是由于參比電極置于鋼盤內，受鋼盤屏蔽作用，所測電位也就避免了周圍環境雜散電流的干擾影響。最大缺點是如果管道線路上安裝過多，則會造成陰極保護電流大量流失。

3 結語

隨著電化學理論和電子工業的快速發展，陰極保護技術日趨完善，陰極保護的檢測手段也更加科學化。但由于埋地鋼質管道腐蝕環境的復雜性，以及受檢測手段，設備應用的局限性，當前，陰極保護效果判斷，一般還停留在對通電電位的分析上。實際上，在運行管理中，若保護電位過負，易產生陰極剝離，過正管道又得不到保護。因而，如何針對運行管線電位測試手段進行更新，對陰極保護效果做出準確評價，就十分重要。今后新建管道，陰極保護系統設計，也應當考慮電位測量中的誤差，采用斷電電位測試法或極化探頭法測量管道保護電位，顯然具有重要意義。

●文中所指電位值均為相對于飽和Cu/CuSO4參比電極。

[1]胡士信主編.陰極保護手冊[M].北京：化學工業出版社1999.

[2]尤生勇，丁佐暖，劉海峰.陜甘寧氣田-銀川輸氣管線陰極保護有效性評價[J].寧夏石油化工，2003，22（1）：34-36.