基于同步通断的管道断电电位测量方法

吴有更 李亚菲 张巍威 高 建 张 勇

（国家石油天然气管网集团有限公司榆济管道有限责任公司，山东 济南 250000）

0 引言

阴极保护系统作为油气管道腐蚀防护系统的重要组成部分，可在管道防腐层局部失效的条件下，保护管道免受环境的电化学腐蚀。目前国外多是采用整流器为管道提供阴极保护电流，近年来中国天然气管道建设已迎来快速发展阶段［1-2］，考虑到中国国内复杂的自然环境多是采用恒电位仪和牺牲阳极相结合的方法为管道提供阴极保护［3-5］，针对站外埋地长输管道主要采用恒电位仪提供阴极保护。按照《埋地钢质管道阴极保护技术规范：GB／T 21448—2017》标准要求［6-9］，应采用管道对地的极化电位或断电电位评价管道阴极保护的有效性，然而极化电位不易测量，因此在管道日常运行管理中，需要定期测量管道的断电电位，用以评价管道阴极保护的效果。

管道断电电位的测量主要有两种方法，一种是极化试片法，在管道附近埋设管道同材质的试片，通过测试桩引线对试片提供阴极保护，通过测量断电瞬间极化程度与管道相同试片的断电电位来获取近似管道的阴极保护电位［10］。该方法测量时，试片需要充分极化，埋设永久试片是比较可行的办法，但目前的长输管道大部分均未埋设永久试片，便携式试片极化时间较长，测试周期也较长，因此该方法在长输管道中仍未广泛使用。另一种方法是同步通断法，在全线阴保站恒电位仪上安装卫星时钟同步通断器，并设置在合理的通/断循环状态下同步运行，采用设备对管道断电电位进行现场测量。目前普遍采用的测量设备为万用电表，考虑到万用电表采样周期较长，典型的通/断周期可设置为：通电4 s，断电1 s或通电12 s，断电3 s。对于存在杂散电流干扰的管段，此方法很难得到理想的测量结果，可采用极化试片法来测量真实的管道电位［11-12］。

近年来，阴极保护数值模拟技术逐步发展，能够更加直观、全面地模拟阴极保护运行过程，还可以进一步优化阴极保护运行方案，分析阴极保护异常情况［13-14］，为确保数值模拟的准确性，更加需要精确地掌握管道电位情况。随着企业对管道断电电位的逐步重视，国内管道企业逐步使用同步通断法对管道断电电位进行测量，但在断电电位测量准确性上还存在一些不确定性因素，比如通断周期的设置、断电电位的读取时间、万用表读数的准确性、恒电位仪运行的稳定性等等。因此针对以上问题，开展基于同步通断的管道断电电位测量试验，研究精确测量管道断电电位的测量方法，可为管道保护提供参考依据。

1 现场试验

1.1 现场条件

选取某天然气长输管道进行试验研究，管道全长约为218.31 km，材质为L415螺旋埋弧焊管，采用3PE防腐，站外管道采用强制电流阴极保护系统进行保护，沿线每公里设置一处测试桩，共有数控高频开关恒电位仪3台，均装有卫星时钟同步通断器，具备同步通断功能，同步通断误差小于0.01 s，沿线无明显交直流杂散电流干扰。本试验选取德州站恒电位仪上游2 km管线（含2处测试桩）进行研究，该区域为平原地貌，土壤电阻率约为22.6Ω·m。

1.2 试验方法

将沿线三台恒电位仪调整为恒电位模式输出，预置电位设为-1.4V，投运后确保管道充分极化。由于管道断电电位的测试会受到接地保护装置、牺牲阳极系统及杂散电流的影响［15］，因此需断开沿线牺牲阳极等设施；恒电位输出端加装YH-STSI型卫星时钟同步通断器，选择卫星同步通断模式，通断间隔选择1档位（通12断3档位），当检测到卫星时钟信号，恒电位仪按照设定模式输出后，开始现场测试工作。测试完成后，将通断间隔选择2档位（通4断1档位），其他条件保持不变，再次开始现场测试。

采用YH-DL1型数据记录仪对2处测试桩（C001，C002）管道电位进行密集采样，其中数据记录仪参比线（红线）接便携式硫酸铜参比电极，零位线（黑线）接管道测试桩。按设定采样间隔及持续时间进行数据采集，采样周期为0.02 s，持续时间为1 min。采样完成后，将2处测试桩采样数据上传至电脑，对采样数据进行数据分析。

1.3 断电电位读取方法

如图1所示，管道在充分极化后，断电瞬间会有脉冲电压，脉冲电压消除后即为管道断电电位（极化电位），随后管道处于去极化过程。脉冲峰值是由恒电位仪的电容效应造成的，断电电位测量时应避免处于脉冲峰值区间内［16］。《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法：GB／T 21246—2007》要求断电电位读数应在通/断电0.5 s之后进行，Marecetal等［17-18］采用断电2s读取断电电位来研究管道电位测量误差。李自力等［10，18］认为测量埋地管道的断电电位时，应采用高速数据记录仪或数据采集卡，断电电位应在50～100 ms之间读取，国内其他研究人员也将断电后50 ms或100 ms作为断电电位的读取时刻［18-21］，试验采用YH-DL1型数据记录仪对管道电位数据进行采集，利用数据处理软件制图，绘制管道电位波动曲线，研究断电电位准确读取时间。

图1 断电电位读取原理图

2 试验结果

2.1 通断器对断电电位测量的影响

以测试桩C001为例，管道电位波动比较杂乱（图2、3），由于恒电位仪加装卫星时钟通断器，测量过程会造成恒电位仪周期性输出电压、电流冲击，这种冲击不仅可能造成恒电位仪损坏，还会造成测量误差［22-23］。当通断器处于断路状态时，恒电位输出电压会持续升高，输出电流为零（此时恒电位仪会出现故障报警，通断器接通后恢复正常），在通断器接通瞬间，会有一较大的输出电压、电流，管道电位表现为在通电瞬间有较大脉冲波动，随后管道电位逐步恢复稳定。在通断器断开瞬间，管道电位有一较小的脉冲电压，随后管道处于去极化状态。

通断器接通瞬间有一较大脉冲电压，对管道断电电位测量有一定的影响，当通断器设置为通4断1档位时，管道电位较平常工作时负向偏移（图2）；当通断器设置为通12断3档位时，管道电位负向偏移不明显，但脉冲电压仍存在（图3）。

图2 C001通4断1电位波动曲线图

图3 C001通12断3电位波动曲线图

2.2 通断周期的设置对断电电位测量的影响

为便于数据分析，绘制C001、C002单个通断周期电位波动图（图4～7）。由图可以看出，管道电位在断电瞬间会有脉冲电压，脉冲电压持续时间较短，脉冲电压消失后，管道处于缓慢去极化过程，去极化过程管道电位波动平稳。为便于数据分析，计算脉冲电压持续时间、管道断电电位、断电1 s后管道电位（取5个通断周期内平均值），并做成图表形式，如表1所示。

图4 C001通12断3断电电位曲线图

由表1可以看出：不同通断周期的设置，管道断电电位数值相差不大，通4断1模式下，管道断电电位相对偏负，可能与通断器接通瞬间的脉冲电压造成的管道电位负向偏移相关；断电瞬间会有脉冲电压，脉冲电压持续时间从0.4～0.58 s之间不等，但断电0.5 s后，脉冲电压影响已可忽略不计；脉冲电压消失后，管道处于去极化过程，管道电位波动很小，断电1 s后管道电位与管道断电电位差值为0.003～0.005 V。因此断电电位的读取时间在一定范围内对管道断电电位影响很小。

图6 C002通12断3断电电位曲线图

图7 C002通4断1断电电位曲线图

表1 不同通断周期下管道断电电位测量数据表

2.3 断电电位测量方法优化

通过以上实验可以看出，埋地管道断电电位准确性受多方面因素影响。恒电位仪通断周期的设置、恒电位仪运行状态都将影响断电电位测量准确性，因此在断电电位测试前需开展现场调研，设置合理的通断周期。同时为消除通电瞬间的脉冲电压，可采用恒电流输出模式，将恒电位仪运行的影响因素降到最低，输出电流应设置为恒电位仪正常运行时的电流，数据分析（图8、9）。采用恒电流模式可以消减通电瞬间的脉冲电压，有一定效果，但效果不明显，如何对脉冲电压进行消减，需要做进一步研究。

在数据读取阶段可通过数据记录仪对管道电位进行实时监测，通过电位曲线、数据分析准确计算出管道的断电电位。但在实际应用中，此方法测量管道断电电位效率较低，可通过CIPS设备、万用电表等设备对断电电位进行快速测量。CIPS设备成本相对较高，多在管道全面检验时对全线的管道电位进行测量、评估。万用电表采样周期相对较长，且断电电位的读取时间不一致，但从实验可以看出管道去极化较为缓慢，万用表读取管道断电电位有一定误差，误差约3～5 mV，在可接受范围内。同时为确保管道断电电位测量的准确性和测量效率，可研制管道断电电位测试仪，实时绘制管道电位波动曲线，计算断电电位数值，从而准确读取管道的断电电位。

图9 恒电流模式运行脉冲电压曲线图

3 结论和建议

1）恒电位仪加装卫星时钟通断器后，通断器由断开到接通瞬间，管道电位有一较大脉冲波动，影响管道断电电位测试；恒电流运行模式脉冲电压有所减缓，但效果欠佳。

2）断电电位测试过程中，断电瞬间有一脉冲电压，可通过数据记录仪对管道电位进行实时监测，计算出管道的断电电位。为提高断电电位测量的准确性和测量效率，可研制断电电位测试仪进行现场测试。

3）管道去极化过程较为平缓，断电1 s后管道电位一般略高于管道断电电位，但数值变化很小。日常电位测试中，恒电位仪中断器通断间隔可选取通12断3档位，可通过万用表进行管道断电电位现场测试，测量误差在可接受的范围内。