西部典型环境中阴极保护测试探头的适用性

(中国石油西部管道公司，乌鲁木齐 830013)

阴极保护极化电位作为阴极保护的关键参数，是监、检测和控制阴极保护效果的重要指标。在实际工作中,常采用瞬间中断电源的方法来获得埋地钢质管道的瞬间断电电位,并以此来代表管道极化电位，判断管道的阴极保护是否满足标准要求。但是在某些情况，管道的断电电位不易测量，NACE TM 0497中指出：如果存在杂散电流,牺牲阳极与管道直接相连,或存在外部强制电流设备并且不能被中断的情况，很难得到理想的测量结果，这就需要采用试片或探头来测量真实的管道电位[1]。阴极保护测试探头是测试试片和参比电极的组合体,测试试片和管道材质相同[2]，模拟了管道上的涂层漏点,通过试片和参比电极的结构设计，减小了阴极保护电位测量过程中的IR降误差。随着实际生产中杂散电流干扰情况的日益增多，采用阴极保护测试探头对阴极保护有效性进行测试与评估已成为一个重要的发展趋势[3]。实践表明,合理的结构设计是决定阴极保护测试探头技术成功应用的关键，而这些问题均与土壤环境密切相关。

近年来，西部管道公司已经将测试探头技术应用于阴极保护的有效性检测和评估工作中，但在应用过程中发现了很多失效现象:如有些探头埋设一两年甚至不到一年就已经失效,还有些探头测试数据和管道断电电位数据存在较大差异。这些问题严重影响了对阴极保护效果的有效评判。而目前围绕阴极保护测试探头在西部地区土壤中的应用情况尚未开展过系统研究。已有的探头应用研究多分布于中国东南部区域，而西部区域土壤环境及物性参数和东南部区域存在较大差异,有必要研究阴极保护测试探头在我国西部土壤环境中是否满足要求。本工作针对西部区域的土壤环境特征，开展了阴极保护测试探头结构适用性研究，以期为阴极保护测试探头在西部管道公司的有效应用提供技术支撑。

1 试验

1.1 探头的结构

阴极保护测试探头(以下简称探头)主要由测试试片、参比电极以及将二者结合在一起的探头结构体与测试电缆组成。根据目前市场上主要的探头类型以及西部地区土壤特点，筛选并设计了整体式电解液型测试探头(1型探头)、整体式固态锌测试探头(2型探头)以及参比电极可更换式测试探头(3型探头)。3种探头用于现场试验，每种探头都配备了自然腐蚀测试试片与阴极保护极化试片，试片面积为6.5 cm2，材料为X80钢。其中自然腐蚀测试试片不和管道电连接，用于评估试片在埋设环境中的自腐蚀电位(Ecorr)，而阴极保护极化试片和管道通过测试桩进行电连接，可以实现试片通、断电电位测量，用于模拟评估试片埋设位置管道涂层缺陷处的阴极保护水平。

1型探头为传统的长效硫酸铜参比电极与测试试片的组合设计结构;2型探头为高纯锌参比电极与测试试片的组合体结构，锌参比电极外侧配备填包料，成分与锌合金牺牲阳极填包料的相同;3型探头由测试试片、参比电极安装更换通道及可更换式铜/饱和硫酸铜参比电极三部分组成，参比电极可根据需要定期从安装通道中取出检查或更换，3种探头的结构示意图见图1。

(a) 1型探头(b) 2型探头

(c) 3型探头图1 3种探头的结构示意图Fig. 1 Schematic diagrams of 3 kinds of probes: (a) type 1 probe; (b) type 2 probe; (c) type 3 probe

1.2 探头的现场安装

加工制做了24套探头(每种探头做8套),为了保证探头的工作性能，在运往现场前，在实验室内采用校准过的便携式硫酸铜参比电极对所有探头进行测试，确保试片连接性均良好，参比电极皆正常。

根据西部地区土壤特点，选取了沙漠、戈壁、农田以及湿地4种典型的土壤环境，进行探头适用性现场试验。将3种探头分别安装于4种典型的西部土壤环境中，在每种典型土壤环境中均埋设3种探头样品，每种探头埋设2组，一组用于本项目1 a期试验研究，另一组用于长期性能试验。

1.3 试验方法

测试了3种探头中试片的自腐蚀电位、通电电位及断电电位。1 a期试验过程中，对4种环境中3种探头进行了4次测试，分别为探头埋设后立即开展的测试,探头埋设3个月后、探头埋设6个月后、探头埋设1 a后开展的测试。文中所述电位均相对于铜/硫酸铜参比电极(CSE)。

2 结果与讨论

2.1 探头稳定性测试

由图2可见:在戈壁和沙漠环境中，1号探头及3号探头测得的试片的通、断电电位相近，而2号探头测得的试片通、断电电位均存在较大波动;在农田环境中，1号探头测得试样在埋设0和3个月的通、断电电位较正常，埋设6个月后，1号探头测得数据明显偏正，说明探头失效。2号探头埋设1 a后测得试样的通、断电电位偏正，且波动幅度远大于3号探头的。由图2还可见：在湿地环境中，3种探头测得结果均相对正常，在试片面积相同的情况下，试片在湿地环境中的断电电位明显负于在其他环境中的，说明试样在湿地条件下易极化。

在沙漠环境中，采用地表参比电极测得的管地电位与采用埋设于管道附近的3种探头测得的管地电位存在较大偏差，同时测量地表参比电极和埋于管道同深的探头参比电极之间的电位差时无法正常读数。分析原因，主要是沙漠地区地表土壤干燥，地表参比电极接触电阻非常大，造成地表参比电极测得的电位存在较大误差，因此在沙漠地区，要测得比较准确的管地电位，不建议采用地表参比电极，需要采用深埋式参比电极。

2.2 试片在西部地区不同环境中的自腐蚀电位

在4种环境中，采用不同探头测得试片的Ecorr相近，故取不同探头测得试样的自然腐蚀电位平均值来考察不同环境中管线钢自腐蚀电位的差异以及自腐蚀电位随时间的变化规律。图3所示数据均采用与管道材质相同的试片与近参比电极测得，可表示管线钢的Ecorr。试片与管道之间不存在电连接，测量结果稳定，没有明显的杂散电流干扰迹象。在戈壁、农田及湿地3种典型环境中测得的地表2 m埋深土壤平均电阻率分别为89.2 Ω·m，139.5 Ω·m及19.8 Ω·m，沙漠环境由于土壤电阻率过大，采用Wenner四极法未能测出。

(a) 戈壁(b) 沙漠

(c) 农田(d) 湿地 图2 4种环境中不同探头测得的试片的通、断电电位随时间的变化曲线图Fig. 2 The variation curves of on and off potentials of samples vs. time measured by different probes in 4 different environments: (a) gobi；(b) desert；(c) farmland；(d) wetland

由图3可见:在戈壁、沙漠、农田及湿地等4种典型的西部土壤环境中，测得X80管线钢在埋设3～12个月后的Ecorr分别为-0.45～-0.55 V，-0.55～-0.65 V，-0.50～-0.55 V及-0.76～-0.90 V。由图3还可见：试样在湿地环境中的Ecorr明显负于在其他环境中的，即湿地环境的腐蚀性最强。

由图4可见:试样在戈壁、沙漠、农田及湿地等4种环境中的Ecorr随埋设时间的延长均存在一定幅度的变化，变化范围分别为100 mV，50 mV，50 mV及140 mV。试样在戈壁、沙漠及农田等3种环境中埋设1 a,其Ecorr的变化幅度小于100 mV，而在湿地环境中,试样的Ecorr变化幅度达到140 mV。试样在湿地环境中的自腐蚀电位较负与该环境较高的含水量及较低的氧含量有较大关系，如此负的自腐蚀电位可能会影响到阴极保护电位判据的选取。

图3 试片在西部4种典型环境中埋设不同时间后的自腐蚀电位Fig. 3 Ecorr of samples in 4 typical environments for different times

3 结论

(1) 在戈壁、沙漠、农田、湿地等4种典型的西部土壤环境中对3种阴极保护测试探头进行了为期1 a的适用性评价。结果表明，固态锌测试探头在戈壁、沙漠、农田等3种土壤环境中均呈现较大的波动，最大极化电位偏移幅度超过300 mV；整体式电解液型测试探头在农田环境中埋设6个月后出现失效；参比电极可更换式测试探头在各种环境中的测试数据均无异常。参比电极可更换式测试探头在1 a试验期内测得数据可靠性最高。

图4 在西部4种典型环境中测得的自腐蚀电位随时间的变化曲线Fig. 4 The curves of self corrosion potential with time measured in 4 typical western environments

(2) 在沙漠环境中，整体式电解液型测试探头没有出现失效，但由于沙漠土壤含水少，应用更长时间存在电解液渗漏速率快的风险，因此其使用寿命有待更长时间试验验证。参比电极可更换式测试探头由于采用插入式参比电极而方便检查更换，且靠近管道，这为解决沙漠地区的阴极保护电位测量提供了一个有效工具。

(3) 试样在戈壁、沙漠及农田环境中埋设1 a后，其Ecorr为-0.55～-0.65 V，且1 a内的变化幅度小于100 mV；在湿地环境中，试样在试验期间的Ecorr为-0.76～-0.90 V，变化幅度达到140 mV，自腐蚀电位最负达到-900 mV。