地铁杂散电流干扰下管道阴极保护电位的测量与评价

李平

（中国石化管道储运有限公司，徐州221008）

阴极保护技术在埋地长输钢质管道的腐蚀防护方面得到大量应用，阴极保护与防腐蚀涂层联合应用是公认的埋地管道优选防腐蚀方法。根据GB／T 21448－2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》标准要求［1-3］，应采用管道对地的极化电位或消除IR降的断电电位评价管道阴极保护的有效性。埋地管道的阴极极化量达到100 mV或者极化电位负于－850 mV（相对于铜／硫酸铜参比电极，CSE），认为阴极保护是有效的。在现场测试中通常采用断电测试消除IR降得到断电电位，以评价阴极保护的有效性。

杂散电流也称为迷流，是在规定路径之外流动的电流，它对埋地管道腐蚀防护的影响是多方位的。管道断电电位测试的难度因杂散电流的存在而增大；直流杂散电流可能会影响恒电位仪输出，对管道全线阴极保护造成影响。在埋地管道吸收直流杂散电流的区域，管道电位会偏负，可能会造成涂层剥离以及氢脆等问题；而在埋地管道释放直流杂散电流的区域，管道金属会快速腐蚀，进而可能导致管道穿孔。我国目前大力推进城镇基础建设，在大型城市，地铁等直流供电设施对周边埋地钢质管道的影响已经非常普遍。

地铁系统对周边埋地金属构筑物造成的杂散电流干扰是一种动态的直流干扰。存在强烈的动态直流杂散电流干扰时，如何准确测试试片的断电电位对于正确评价管道的阴极保护水平具有重大意义。本工作以受南京地铁直流杂散电流影响的某埋地输油管道为例，采用新式自动式试片电位采集仪，对其阴极保护电位进行了检测和评价，以期为动态干扰情况下准确测量埋地管道断电电位提供新思路。

1 常规断电电位测试方法

管道的保护电位是阴极保护的关键参数，也是评价阴极保护是否有效的基础，基于该参数可对管道阴极保护设备输出进行调整、优化。因此，准确测量管道的保护电位对腐蚀防护工作具有重要意义。瞬间断电法被广泛应用于管道断电电位的测试中［4］。在现场操作中，瞬间中断对所测量位置有影响的阴极保护电流，此时测量得到的就是断电电位。其确认不存在直流杂散电流干扰源，瞬间断电法测得的断电电位值即为极化电位［1］。工程中常用的瞬间断电电位测试方法有如下两种：

（1）密间隔电位测试法（CIPS）

密间隔电位测试是管道外腐蚀直接评估工作的重要内容。在执行该方法时，须在有影响的阴极保护电源处安装同步断路器，然后检测人员手持探杖（端部放置CSE）以密间隔方式（3～5 m）沿管道前行、测量管道的通／断电位，文中所有电位若无特指，均相对于CSE。该方法可以获取管道沿线的保护电位。通过对管道全线保护电位进行分析，可判断阴极保护的有效性，对阴极保护系统的运行进行优化并采取相应的整改措施。但是，当管道受到直流杂散电流干扰时，该方法不适用。

（2）极化试片法

根据GB／T 21246－2006《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》标准，当管道受到直流杂散电流干扰无法采用瞬间断电法（CIPS）测量电位时，可采用极化试片法。极化试片（极化探头）由在测试位置处埋设的金属试片和参比电极构成，裸露的金属试片用于模拟管道防腐蚀层的破损点。试片材质应与管道的相同，并应根据管道防腐蚀层的情况选取适当的形状和面积，阴极保护极化试片的面积为6.5～10 cm2。通过断开试片与管道的电导通，可以将测量路径上的电压降减至很小，此时，测量得到的断电电位可以近似为极化电位。若使用极化试片测量得到的断电电位有效，则防腐蚀层上同等尺寸以及更小尺寸的破损点也处于有效的阴极保护。

极化试片法在业界已有较多应用［2-6］，在大量实践应用中表明在无杂散电流干扰的情况下，试片断电电位的读取有成熟准确的方法；当管道受到严重的动态直流杂散电流干扰时，测试人员肉眼无法使用普通电压表准确读取试片的断电电位，会造成测量结果产生误差。

2 阴极保护电位测量记录新方法

选取某原油输送管道与地铁平行、交叉的管段，研究其所受到的动态直流杂散电流干扰。调查发现该管道在石埠桥站附近遭受杂散电流干扰的长度约22 km，管 道 尺 寸 为 φ762 mm ×8.7／10.3／12.5 mm，管道采用L415／X60钢，防腐蚀层材料为熔结环氧粉末，该管道于2004年投入运营。管道石埠桥站与南京地铁2号线和4号线临近，与地铁站距离最近的点位于474号测试桩处，距离地铁站约3.1 km。

现有测试结果表明，该管道受到地铁杂散电流的影响。在日间地铁运行期间管道电位波动剧烈，而在夜间地铁停运期间，管道电位较为平稳，见图1。由图1可见：在地铁运行期间采用断电电位来评价阴极保护的有效性是十分困难的。

图1 459号测试桩处管道通断电电位的长时间监测结果Fig.1 Long-time monitoring results of on／off potential at test station 459＃

在受到地铁动态直流杂散电流干扰情况下，不能继续采用数字电压表和手动断开试片与管道间连接的方法测量管道断电电位。这是因为在动态直流干扰情况下，普通数字式电压表显示的数据波动剧烈，无法对其进行准确判读，试片的断电电位也无从确定。

为了准确测试试片的断电电位，本工作采用自动式试片电位采集仪对试片的断电电位进行测试，用于管道断电电位的测试和阴极保护效果的评价。首先选取圆柱形、面积为6.5 mm2的极化试片，埋设于该管道沿线多处测试桩处，然后在管道和试片之间增加自动式试片电位采集仪（记录仪），自动式试片电位采集仪用于测试与管道连接的试片的通电电位和瞬间断电电位。该采集仪内置自动通断和数据读取功能，可以在断开试片与管道的连接后自动读取、存储电位数据。该设备可以对极化试片的断电电位进行长时间监测。

在测量试片断电电位前，应确保试片与土壤充分接触，并在试片埋设24 h后进行测试以使试片最大程度得到极化。在测试中使用自动式试片电位采集仪采集电位数据，该设备安装在管道与试片之间，具体的连接方式见图2。采集仪的参数设置如下：

（1）采集仪的通断周期设置为周期15 s，断电3 s，或者周期5 s，断电1 s。

（2）采集仪的采集频率设置为1 s采集一组数据。

（3）测试时间为2 h或者24 h（根据干扰情况确定）。

图2 自动式电位采集仪的接线图Fig.2 Wiring diagram of automated potential collector

本工作采用自动式试片电位采集仪在原油管道沿线进行断电电位测试，并评价其阴极保护的有效性。图3展示了某测试桩处的通、断电电位。图4为局部放大图，可以更清晰地查看管道的断电电位。由图3，4可见，该管道的通电电位在地铁运行期间波动非常剧烈（－8～6 V），但其断电电位波幅较小。管道断电电位的波动可能是由于极化水平的波动，也可能是因为参比电极与试片之间尚存在IR降造成的。

图3 原油管道某测试桩处的管道电位Fig.3 Pipe potential at a test pile of a crude oil pipeline

3 阴极效果评价

利用新型自动式试片电位采集仪配合极化试片的方法，对原油管道断电电位进行了测试，并对测试结果进行分析，见表1。

图4 图3的局部放大图Fig.4 Partially enlarged view of Fig.3

表1 管道风险评级结果Tab.1 Rick rating results of the pipeline

根据GB／T 21448－2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中4.4节“阴极保护准则”所述，在一般土壤和水环境中，管道无IR降时的阴极保护电位应处于－0.85～－1.20 V。而当管道受直流干扰时，该标准未明确阴极保护准则（4.4.6节）。因此，根据GB／T 21448－2017标准，所测试管段19处测试桩中有17处的断电电位不满足标准要求。

对于已投运阴极保管道的直流干扰评价，GB 50991－2014《埋地钢质管道直流防护技术标准》提出“当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时，应及时采取干扰防护措施”。本工作所检测的管道，由于受动态直流杂散电流干扰导致其断电电位亦有波动，477号和475号桩在测试时间段内有较少的时间段（小于所测试时间段的0.15%）断电电位正于－850 m V。在该种工况下，GB50991－2014标准未明确金属腐蚀速率是否小于0.01 mm／a。

因此，对于本次测试数据，笔者采用GB 50991－2014附录中列出的AS2832.1－2004《Cathodic protection of metals-pipes and cables》标准检测和评价，也供从业者参考。澳大利亚AS2832.1－2014标准中提出，对于受到动态直流杂散电流干扰的金属构筑物，使用数据记录仪采集足够长时间内管道的电位，对短时间极化、防腐涂层性能良好的构筑物采用以下百分比方法判断阴极保护有效性：

（1）电位正于保护准则的时间不超过数据记录仪采集时间的5%；

（2）电位正于保护准则＋50 m V（对钢铁构筑物电位为－800 mV）的时间不超过数据记录仪采集时间的2%；

（3）电位正于保护准则＋100 mV（对钢铁构筑物电位为－750 m V）的时间不超过数据记录仪采集时间的1%；

（4）电位正于保护准则＋850 m V（对钢铁构筑物电位为0 mV）的时间不超过数据记录仪采集时间的0.2%。

基于AS2832.1－2014标准提出的极化电位偏移幅度及时间比例，对本次检测的19个测试桩处试片的断电电位最正值、最负值、平均值及相对于保护准则正向偏移的比例进行计算，在此基础上对受干扰管道的腐蚀风险进行了评价。结果表明，在所考查的19个测试点中，有13个测试点在测试时间内的断电电位正于－850 mV的时间大于5%，占测试桩总数量的68%，具体结果如表1所示。

4 结论

（1）当管道受到地铁动态杂散电流干扰时，利用自动式试片电位采集仪配合极化试片的方法测试管道断电电位是准确可靠的，与常规的手动断电读取法相比，能够避免因断电电位剧烈波动而引起的读取误差；

（2）在地铁动态直流杂散电流干扰区段如何消除试片断电电位中所包含的IR降是值得进一步研究的一个难题；

（3）采用AS2832.1－2014标准提出的极化电位偏移幅度及时间比例，可对本次检测数据进行计算和腐蚀风险评价；

（4）建议国内管道相关从业者推动修订在管道遭受直流干扰时，国标中的阴极保护电位评价准则。