站场埋地管阴极保护电位测量与评估的影响因素

黄红科 魏松林 刘 朝 章 强 龚 怒 高路杨 赵博康

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 430223）

0 引言

各类电厂及油汽储运站场地下一般都布置了复杂的钢制工艺管道，通常通过阴极保护和防腐层相结合的方法控制管道的腐蚀降质，测量并评估阴极保护电位（下称CP电位）的有效性并以此为输入对阴保系统参数进行调节，是保障钢制埋地管道安全可靠运行的重要实践活动，国际相关标准实践[1-3]对此作出了明确规定。CP电位测量方法的相关研究[4-10]、IR降对CP电位测量的相关研究[11-17]、埋地管防腐层检测的相关研究[18-22]均表明，影响阴极保护测量与评估结果的因素很多，国内的研究探索多聚焦于实验室模型或长输管道工程实践。相对而言，站场钢制埋地管服役环境更为复杂，开展CP电位测量和评估的难度更大，而针对站场埋地管CP电位测量与评估的试验研究相对较少。本文建立了室外站场模拟试验场，建立了站场CP电位测量的典型应用场景，通过对比试验研究了多种因素对CP电位测量与评估的影响，为站场阴极保护系统工程维护实践提供了参考。

1 试验场和试验条件

本文建立了模拟站场服役环境的埋地管试验场，如图1所示。试验场中以3～5m的并排间距敷设了多根尺寸规格为Ф219×6长度为30～80m的埋地管，每根管道上均按照规范的涂敷工艺制备了防腐层，1#、2#、3#三根管道分别制备了环氧树脂、3PE、四油三布三种典型防腐层材料，防腐层电阻率为3PE＞环氧树脂＞四油三布，其中三根管道周围土壤电阻率相近，分别为32.03Ω·m、29.52Ω·m、28.24Ω·m。为真实模拟站场埋地管可能出现的真实服役状态，三根埋地管防腐层上均预制了直径大小分别为50mm、80mm、113mm的防腐层缺陷，分别位于管道的8m、14m、22m位置处，缺陷布置如图2所示，三根管道的埋深均为1m。4#埋地管埋深为1.5m，防腐层材料为四油三布，管道周围土壤电阻率为41.45Ω·m。试验场中安装了恒电位仪、电流调节器、深井阳极，以模拟阴极保护系统。同时试验场中埋设了金属干扰物和牺牲阳极，通过开关控制与管道的接入和断开状态以及牺牲阳极材料的切换。试验中，恒电位仪向管道提供阴极保护电流，通过开关可控制每根管道的断开或投入，通过电流调节器可控制阴极保护电流大小，以建立各种试验场景。

本文涉及密间隔管地电位法、极化探头法、标准管地电位法三种CP电位测量方法，密间隔管地电位法测量时参比电极位于管道上方地表，极化探头测量时采用内置参比，测量位置位于管道上方0.5m埋深处，标准管地电位法测量时采用长效硫酸铜参比，参比电极位于管道上方0.5m埋深处。为便于表述，本文采用简单的符号表示三种方法测试的相关数据，说明如表1所示。

表1 本文涉及的CP电位测量的相关符号意义

2 不同因素对CP电位测量结果的影响

2.1 IR降对CP电位测量结果的影响

我国现行国家标准GB/T21448《埋地钢制管道阴极保护技术规范》[23]规定了CP电位（管/地极化电位）有效保护范围区间，该区间仅适用于无IR降电位。由于检测条件所限，部分老旧站场仍然仅检测CP通电电位并以此为输入评价CP有效性。CP通电电位包含了IR降，以此为输入会直接影响CP有效性评估结果的准确性。本文通过对比试验的方法分析了IR降对CP电位测量与评估结果的影响。保持阴极保护参数不变，恒电位仪采用恒电压模式，恒电位仪输出电压2.1V，管道输出电流20mA。沿同一管道分别通过CIPSP/SPP三种方法测量通电电位和断电电位，结果如图3所示，相关数据如表2所示。

由图1可知，CIPSP/SPP三种测量方法测得的通电电位和断电电位均存在明显的IR降差值，每种测量方法的IR降也存在差异。根据表2的数据，三种检测方法的通电电位检测均值都远远偏离了合理保护区间范围，以通电电位为输入，阴极保护评估结果为过保护。与此不同的是，三种方法测得的断电电位相较合理保护区间的偏离很小，阴极保护系统评估结果为基本正常有效。以本试验为例，简单地以通电电位为输入可能导致CP电位评估结果产生较大的偏差，进一步可能导致CP系统的错误调节而影响管道的保护状态。对比测量试验说明了IR降对CP电位测量与评估结果影响的重要性。土壤特性不同会导致IR降不同，对评估结果影响程度也不同。因此，为准确测量并评估CP电位的有效性，必须建立条件测量断电电位值，消除IR降影响。

表2 通电电位和断电电位检测结果对比

2.2 金属干扰物对CP电位测量结果的影响

在站场环境中，由于建设期施工等原因导致土壤中残存了少量金属材料，其与埋地管搭接构成了埋地管阴极保护的干扰物，对CP电位测量结果形成影响，通常工程实践中对此考虑较少。本文通过对比试验的方法分析了干扰物对CP电位测量结果的影响。试验场中预埋了站场环境中较为常见的铜绞线干扰物，材料为紫铜，长度为2m，截面积为300mm2，经测试，其自然腐蚀电位为-189mV，铜绞线仅端部与土壤直接接触，其余部份通过PVC套管与土壤隔离。通过开关控制干扰接入和断开，试验示意如图1所示。保持阴极保护参数与2.1相同，在干扰物接入和干扰物不接两种情形下，分别采用CIPSP/SPP三种方法实施测量，结果如图4所示，数据如表3所示。由图4可知，铜绞线干扰物接入后，无论采用哪种方法测量，其CP电位值相比干扰接入前均有一定程度地升高，说明铜绞线干扰的接入导致了CP电流的损失，降低了阴极保护效果。由表3可知，干扰接入后，CIPSP/SPP三种方法的测量结果值分别升高了126mV、121.8mV、89.5mV。此外，干扰物接入后，IR降均有一定的变化，这是因为即便在阴极保护断开的条件下，由于干扰物的存在，土壤中依然存在一定的电流，由此形成的IR降未能消除。因此，在站场环境中，如果存在干扰物与埋地管搭接，不仅降低了阴极保护的效果，也影响了CP电位测量结果的准确性。受干扰物材质的不同及站场环境不同的影响，其对阴极保护效果及CP测量准确度的影响也会与本试验有所不同。实际工程检测中，须利用技术手段识别并断开干扰物，无法断开干扰时，须评估干扰物对管地电位测量结果的影响范围，以使得CP有效性的评估更趋准确。

表3 金属干扰物对CP电位测量结果的影响

2.3 牺牲阳极对CP电位测量结果的影响

区域强制电流阴极保护和局部牺牲阳极阴极保护相结合是站场环境中较为常见的工程实践，但多数站场中的牺牲阳极难以与管道断开，影响了CP电位测量的准确性。本文通过对比试验的方法研究了牺牲阳极对CP电位测量结果的影响。试验场中埋设了站场中最为常用的镁牺牲阳极和锌牺牲阳极，试验示意如图1所示，牺牲阳极埋设位置距离4#号管道端部延长线以外10m，埋深1.5m，通过开关控制接入和断开。经测试，镁牺牲阳极的开路电位为-1.692V（vsCSE），锌牺牲阳极的开路电位为-1.233V（vsCSE）。保持阴极保护参数与2.1相同，分别在不接入牺牲阳极、接入镁牺牲阳极、接入锌牺牲阳极三种条件下沿同一管道通过CIPS法实施CP电位测量，结果如图5所示，相关数据如表4所示。由图5可知，牺牲阳极的接入均导致了CP电位变化，锌阳极和镁阳极的接入后，断电电位均有所降低，说明牺牲阳极的投入增强了阴极保护效果。锌阳极和镁阳极对CP电位的影响有明显差异，说明了牺牲阳极材料不同CP电位的影响也不同。因此，为准确测量评估CP电位有效性，应在牺牲阳极和管道的连接中设计通断控制，为准确测量CP电位提供条件，在牺牲阳极无法断开的条件下，根据牺牲阳极材质评估其对CP电位测量结果的影响范围，提高阴极保护有效性评估的准确性。

表4 牺牲阳极对CP电位测量的影响分析

3 不同测量方法对CP电位测量结果的影响

每种CP电位的测量方法各种优缺点。在站场环境中，最为常用也易于实施的测量方法是通过配备的测试桩采用P/S法开展测量，但其测量范围及测量准确性都有一定的局限性。相比而言，极化探头法受外界干扰较小[24]，测得的CP电位结果准确度较高，但大范围实施难度大。本文在2.1～2.3的试验中分别采用CIPS法、PP法、P/S法完成了CP电位对比测量，测量的均值如表5所示，每种测量方法在每个点的测量结果与其均值的偏差率分析如表6所示。结合两个表以及本文前述章节的电位图分析可知，各种方法测得的通电电位和断电电位均存在一定的差值，但差值都相对较为稳定。由表6及本文上述章节测量的CP电位图可知，每种测量方法在各点的测量结果波动不大，其相较于均值的平均偏差率都在2%以内，因此，不同方法之间的差值波动也不大。利用这一特点，在CP电位测量工程实践中，在土壤特性相对较为均匀的站场条件下，可采用极化探头法在少数位置点实施测量，通过极化探头法校正其它测量方法，在条件受限无法大范围开展断电电位测量的条件下，可以测量少数点的断电电位，利用通电电位与断电电位差值波动不大的规律，计算其它位置的断电电位值，提高测量效率和测量结果准确性。

表5 不同测量方法的测量结果均值

表6 不同测量方法测量结果偏差分析

4 防腐层材料及破损对CP电位分布及其评估的影响

GB/T 21448《埋地钢制管道阴极保护技术规范》中明确了阴极保护必须和防腐层联合实施，规定了阴极保护电位区间，同时要求关注到周围介质电阻率变化的影响。防腐层的质量与CP电位密切相关，站场环境中，同时存在多种防腐层材料的埋地管道，且随着服役时间的增加，防腐层逐渐会出现降质甚至破损。本文通过对比试验的方法研究了防腐层材料及其破损对CP电位分布的影响。试验示意图如图1所示，选择1#（环氧树脂防腐层）、2#（3PE防腐层）、3#（四油三布防腐层）埋地管开展对比测量，三根管道并联接入阴极保护系统，恒电位仪采用恒电压模式，输出电压为2.1V，每根管道的输出电流均为20mA。分别沿三根管道测量管道上方与远大地的地表电位差，远大地接电压表正极，管道上方接电压表负极，数据分析如表7所示，沿管线电位差分布如图6所示。由表7及图6可知，在阴极保护参数条件完全相同的情况下，管道防腐层不同，其上方地表电位分布不同，防腐层缺陷上方呈现出地表电位差波峰也不同。缺陷大小相同，防腐层材料不同，地表电位差波峰大小也不同。三种防腐层管道中，远大地地表电位与3PE防腐层管道地表电位的差值均值最小，环氧树脂次之，四油三布最大，这说明了3PE防腐层管道的阴极保护电流损失最低，环氧树脂次之，四油三布最大。这同时表明，3PE防腐层管道CP电位最负，环氧树脂次之，四油三布最高。同时，对比三根管道上方因防腐层缺陷而产生的地表电位差波峰，3PE防腐层缺陷周围产生的电位差波峰最大，环氧树脂次之，四油三布最小。这是因为，三种防腐层材料的绝缘电阻率不同，绝缘电阻率越高，微弱电流泄漏就越少，缺陷上方地表电位与其它位置地表电位差就越大，形成的地表电位差波峰也越大。综合上述分析，其它条件均相同的情况下，防腐层绝缘电阻率差异和防腐层破损都会导致CP电位差异，当差异增大时，可能导致不同管道的CP电位无法同时达到有效保护区间，使用过高的CP电位又可能导致防腐层剥离，影响了阴极保护系统的正常运维。基于此，应认识到防腐层材料及其破损对CP电位分布的影响，准确分析判断导致局部电位波动的原因，将CP电位和防腐层状态结合起来分析，准确评估整体CP电位的整体有效性。

表7 防腐层材料对管地电位影响分析

5 结语

鉴于站场埋地管服役环境的复杂性，影响CP电位测量和评估的因素很多，如土壤电阻率非均匀分布，杂散电流干扰、构筑物屏蔽等，以及各种因素的叠加干扰，均有待于进一步研究探索。基于本文的系列试验，得出如下结论：

（1）站场应建立技术手段测取CP断电电位，排除金属干扰物、牺牲阳极等对CP电位测量与评估结果的影响，充分利用不同测量方法的特点，实施相互校正，综合施策提高站场钢制埋地管CP电位测量与评估结果的准确性；

（2）站场地下残留的金属干扰物与埋地管搭接会影响CP电位值及CP电位测量准确性。常见的铜绞线干扰降低了阴极保护效果，同时，即便在阴保系统断开的条件下，由于干扰物无法断开而导致的IR降依然存在；

（3）区域强制电流阴极保护站场中，镁牺牲阳极和锌牺牲阳增强了阴极保护效果，但牺牲阳极如无法与管道断开，则影响了CP电位测量结果的准确性；

（4）在站场土壤特性相对均匀的条件下，同种测量方法在不同测量点之间的差值、通电电位与断电电位的差值，不同测量方法两两之间的差值波动都不大。为提高站场CP电位测量的准确性，可通过少数点实施极化探头测量，对其它测量方法予以校正。对于难以实施断电电位测量的站场，可通过少数点测断电电位对其它位置通电电位测量结果予以校正；

（5）阴极保护参数相同的条件下，防腐层材料及破损都会导致CP电位分布的差异，防腐层缺陷周围会出现较大的地表电位波动，防腐层绝缘电阻率越大，地表电位波动也越大。工程测量中应根据这些规律分析局部电位波动原因，将CP电位和防腐层状体结合起来分析，准确评估 CP电位的整体有效性。