阴极保护电位测量误差分析及对策

尤生勇，赵云峰，马 飙，丁佐暖

（中国石油西气东输长宁输气公司，宁夏银川 750001）

埋地钢质管道由于处于土壤环境中，必然与土壤周围介质发生电化学作用，而导致埋地钢质管道逐渐被腐蚀。发生这种电化学腐蚀必须满足（1）存在不同电极电位的两个电极（阴极、阳极）；（2）两级间有电气连接；（3）两级间存在电位差；（4）两电极处于同一电解质体系中。为此，防止腐蚀的方法，也就是从破坏这4个影响要素入手。目前成熟和通用的方法是管道外防腐涂层加阴极保护。管道的防腐涂层可以使管道表面形成相对完整的、连续的电绝缘层，从而把存在着许多不同电极电位的微观腐蚀的管道与土壤介质隔离开，使腐蚀电流趋于零而减轻或避免腐蚀。而阴极保护则是使埋地钢质管道的电极电位阴极极化，电位降至钝化区内，从而达到控制腐蚀的目的。应当说阴极保护是对外防腐涂层控制腐蚀的有效补充。阴极保护技术有牺牲阳极阴极保护和强制电流阴极保护两种。无论哪种方法，均是通过测量保护电位加以分析判断，那么阴极保护电位测量过程中的误差就显得十分重要。

1 保护电位测量过程中的误差分析

埋地钢质管道在无任何外加电流的情况下，所测的管/地电位为自然电位，即腐蚀电位。该自然电位通常随管道外防腐层、土壤及周围环境而有所不同，一般在-0.6 V左右。当管道施加阴极保护电流后，使管道阴极极化，管道保护电位向负方向偏移，日常管理中便是以电位负偏移多少来衡量管道是否受到保护。目前在实际工作中，电位测量方法大多采用地表参比法，测量的电位也是通电电位，这样，实测的保护电位值实际上包含了管/地保护电位和土壤上产生的电压降即土壤IR降，以及测量万用表（或电压表）内阻引起的压降，导致实际测定的保护电位值并不是管道的真实保护电位，往往给日常管理带来误判断（见图1、图2）。

从图2测量回路中分析，常规保护电位测量将产生两个方面的IR降误差，I2分流在测量线路上产生的电压降和土壤电压降I1R1；而I2分流产生的压降主要决定于电压表内阻R5，若R5足够大，I2则很小。故只要选择内阻足够大（≥100 KΩ）的电压表，即可使该压降忽略不计。而I1R1将会使测得的管/地电位数值变得更负，造成地面测量的保护电位已达到要求（即通电电位达到-850 mV或更负），但管道真正保护电位在剔除土壤IR降后，不一定受到保护。同时，长输埋地管道基本上每公里设电位测试桩1个，由于防腐层破损点的不确定性，测量某桩号的参比电极可能距防腐层破损点（漏点）的距离更远，从而引入的土壤IR降更大。故仅凭通电电位和保护电位准则，往往带来较大的误判断。

2 土壤IR降的消除

如前所述，只有消除土壤IR降后所测电位才能真正反映出埋地钢质管道的阴极保护状态，管道的阴极保护极化形成和去极化过程（见图3、图4）。

图3 阴极保护极化曲线图

图4 阴极保护去极化曲线图

从图3、图4可以看出，无论阴极极化的形成，还是去极化过程，都需要一段时间，一般在24小时以上。利用这一特性不难测得土壤IR降。

2.1 土壤IR测定

如采用电流中断法测定开电位（Von）和关电位（Voff），该关电位（Voff）即是管道的真实保护电位，而Von-Voff值可认为是土壤IR降（见图3）。其基本原理是，当外加电流中断时，土壤压降立刻消失，但阴极极化效应的消失有一个过程，此时迅即测得的电位即是“无”土壤IR降的电位值，即管道真实保护电位。其测量方法这里不再赘述，同时测量土壤压降的方法还有密间隔电位测量技术（CIPS）等。

2.2 运行管理措施

目前国内绝大多数埋地钢制管道，设计了阴极保护系统，但电位测试大多采用地表参比法，测得的电位均为通电电位，阴极保护运行管理就十分重要。

2.2.1 对目前所测电位为通电电位的管线，应利用土壤IR测定方法，测量出土壤IR降 在进行保护电位分析时，应计算土壤IR降后的管道保护电位是否达到-850 mV或更负作为判定管线是否受到良好保护。如图5是某管线电位分析曲线图，该曲线图包含自然电位曲线、保护电位曲线、消除IR降的保护电位曲线，从曲线图分析，每月所测得的通电电位应等于或更负于消除土壤IR降的电位。

图5 某段管线电位分析曲线图

但值得注意两个问题：一是无论利用何种测量技术测得的土壤IR降，总是在某年某月某天所测得的，难以代表全年的土壤环境变化，该土壤IR降也仅仅是一个参考值。理想的测量，应当在某一年内，对应每月保护电位测试时间，测试每月的土壤IR降，供今后几年进行电位分析，相对而言更可靠。二是在进行土壤IR降测量中，可能受到杂散电流干扰的影响，测试中应予以充分考虑。

2.2.2 测量断电电位 瞬间中断外加阴极保护电流，在实际工作中难以做到，故测量断电电位需要引入阴极保护检查片，阴极保护检查片由一个或一组和管道或相近的材料组成，检查片埋设在管道附近的土壤中，用导线通过电位测试桩与原电位测试线作电气上的连接，在电位测量时，瞬间断开连接，测得检查片的电位为断电电位，该电位可认为是消除土壤IR降的管道真实保护电位。该测试方法简便易行，在现有测试通电电位的管道上安装方便，至少在土壤腐蚀严重管段或防腐层质量较差管段安装检查片，以测得真实的管道保护电位。

2.2.3 利用极化探头法测量保护电位 “极化探头测量法”是近些年逐渐兴起的管道保护电位测量过程中的新技术。极化探头一般由一个裸露的可通电的钢盘，并在钢盘内内置一个参比电极，钢盘与管道材质相同，当钢盘与管道通过地面测试桩内测试线连接后，阴极保护电流同时将钢盘极化，从而达到钢盘与埋地管道具有相同的极化电位。测量时，断开钢盘与管道的电气连接，瞬间测得的断电电位即为有效消除土壤IR降后的管道真实保护电位。该方法另一最大优点是由于参比电极置于钢盘内，受钢盘屏蔽作用，所测电位也就避免了周围环境杂散电流的干扰影响。最大缺点是如果管道线路上安装过多，则会造成阴极保护电流大量流失。

3 结语

随着电化学理论和电子工业的快速发展，阴极保护技术日趋完善，阴极保护的检测手段也更加科学化。但由于埋地钢质管道腐蚀环境的复杂性，以及受检测手段，设备应用的局限性，当前，阴极保护效果判断，一般还停留在对通电电位的分析上。实际上，在运行管理中，若保护电位过负，易产生阴极剥离，过正管道又得不到保护。因而，如何针对运行管线电位测试手段进行更新，对阴极保护效果做出准确评价，就十分重要。今后新建管道，阴极保护系统设计，也应当考虑电位测量中的误差，采用断电电位测试法或极化探头法测量管道保护电位，显然具有重要意义。

●文中所指电位值均为相对于饱和Cu/CuSO4参比电极。

[1]胡士信主编.阴极保护手册[M].北京：化学工业出版社1999.

[2]尤生勇，丁佐暖，刘海峰.陕甘宁气田-银川输气管线阴极保护有效性评价[J].宁夏石油化工，2003，22（1）：34-36.