阴极保护效果评价技术

阮雨风

（肇庆佛燃天然气有限公司，广东 肇庆 526100）

0 引言

地下管网作为“城市血管”，是市政基础设施工程中的重要一环。随着时间推移早期的地下管网逐渐暴露出老旧、漏损等安全隐患，化解这种危机成为管道运营方必须面对的课题。

采用3PE防腐层和阴极保护等措施来防止外部环境对埋地钢质管道的腐蚀是管道工程上最常见的防腐蚀方法。阴极保护是在防腐层存在缺陷条件下（在埋地管线中几乎是无法避免的）管道的最后一道安全防线，所以其有效性评价成为管道安全运营的关键。实践表明，采用巡检测量管地电位的方法存在一定的不确定性，在原以为阴极保护状况良好的管线上发生了严重的外腐蚀甚至穿孔的案例[1]。这就要求采用更为精准的检测手段和更为深刻地理解用于评价的阴极保护准则。

1 阴极保护效果评价

对于埋地钢质管道，国际上都是将将阴极保护的目标定义为使“腐蚀速率降低到一个可以接受阈值或者以下”，虽然这个阈值各国家的取值并不相同，在美洲NACE规定为0.025mm/年（0.001英寸/年），而欧洲标准EN规定为0.01mm/年，在澳洲则规定为0.005mm/年。所谓阴极保护效果评价，就是检验这一目标是否得以实现。在不同的环境下实现阴极保护目标的条件可能是不同的，一个单一的阴极保护准则可能无法满足所有条件、所有地点结构的阴极保护评价。因此，评价者有责任，根据其经验和特定的管道系统条件，采用包括单一的或者组合的准则方式来确认是否实现足够的腐蚀控制[2]。

早期直接的腐蚀速率的测量是以埋地试片在一段时间内的失重来计算的，需要较长的试验时间而且其精度有限，所以人们采用间接的其他参数测量来表征腐蚀控制效果。国家标准GB/T 33378-2016《阴极保护技术条件》4.1条款明确规定“阴极保护效果以保护电位为评价标准”，具体说就是管道的保护电位要达到阴极保护准则的要求。国内外标准在阴极保护准则的描述上基本都是采标NACE SP0169，该标准最新版本关于阴极保护准则的阐述如下：

（1）已经证实在特定的管道系统有效腐蚀控制的准则，可以用在这些管道系统或其他具有相同特征管道系统；

（2）最低100mV阴极极化偏移。该准则的检测应该在极化或去极化过程中进行；

（3）钢结构/电解质电位相对于饱和铜/硫酸铜参比电极（CSE）达到-850mV或更负。该检测可以直接测量极化电位，也可以在有电流作用的状况下，充分考虑的电流在大地和金属路径中的IR降条件下获得。

2 保护电位的检测

早期保护电位测量多为人工巡检时使用高阻抗万用表直接测量管道与参比电极之间的电压既管地电位Von来完成，由于其中包含了未知的IR降，其评价结果多令人怀疑。而后人们开发了同步中断器，将管道连接的外加电源或牺牲阳极同步断开，在断开的瞬时测量管地电位Voff，由于电流I等于零，IR降的影响消除，但是这种方法对于复杂系统来说并不现实（需要安装过多的的中断器且有些连接可能并不为人所知）。因此工程实际中多采用极化探头测量保护电位。

极化探头就是为方便施工将参比电极和试片近距离地结合为一体，通过管道与试片连接的方式，用试片的阴极极化模拟管道缺陷的阴极极化，试片选用和埋放应尽可能符合下列原则：

（1）与管道金属一致的材质和表面状态；

（2）应足够小以避免过多的保护电流流失；

（3）埋深及回填状态与管道相同；

（4）表面经过处理清除所有轧制氧化皮和异物；

（5）放置在已涂敷防腐层的失效处；

（6）放置在阳极电位梯度最小的位置。

通常采用数字记录仪来记录试片的极化过程，图1是试片的极化曲线（a）和去极化曲线（b），从中可以很精确地评价阴极保护效果。

图1 管道的极化和去极化曲线

如果Voff极化电位达到-850mV或更负，则符合阴极保护准则第三款。如果阴极极化偏移大于100mV则符合阴极保护准则的第二款。在上述验证符合的情况下，除非发生了重大的环境、管道、防腐层完整性或阴极保护系统参数的变化，管道的通电电位VON可以用于监测阴极保护的效果，如果VON稳定则符合阴极保护准则第一条款。

3 阴极保护准则之间的联系

长期以来，-850mV通电电位由于最早被提出和最便于执行一直为业界广为使用，但是这个“便于”是在没有充分考虑IR降影响的场合下取得的。随着地下构筑物的增多以及杂散电流的增强，它的准确性每况愈下。虽然在一定前提下，允许使用，但有必要审视经验而防止其被滥用。将通电电位理解为腐蚀环境是否改变的指标可能更为合理。

2010年W. Brian Holtsbaum[3]统计了直接测量得到的 Von通电电位和IR降的关系如图2所示；图中区域①为欠保护区，④区域为过保护区。采用100mV极化电位偏移准则时（这里我们假定自然电位是-550mV），区域②和区域③均满足准则要求，但是如果采用-850mV极化电位准则时，则区域②为欠保护区。图2清楚地给出各个准则的执行差异。在大多数情况下，极化电位偏移大于100mV准则比极化电位达到-850mV或更负准则有更大的包容性。因为前者的目标是将管道控制在一个可以接受的腐蚀速率（自然腐蚀速率的2%以下），而后者是达到理论上的免腐蚀区域。减小阴极保护站的输出电流，可以使表3中过保护区间的数量为零，但随之而来的是欠保护点的数量可能增多。对于调整后少量的欠保护点，采用牺牲阳极补救，最终可以使全线的管道达到理想的阴极保护状态。通常采用极化电位偏移大于100mV准则具有更好的经济适用性。

图2 通电电位-IR降关系图

4 ER（Electrical Resistance）腐蚀速率评价技术

既然阴极保护的目的是使腐蚀速率下降至阈值以下，采用直接测量腐蚀速率显然是一种更为有效的方法。进入本世纪以来，一种采用ER探针的腐蚀速率测量技术逐渐被人们认识和推广使用。该技术的特点是基于地面进行的电阻测量，在不需要开挖的情况下，可以现场或者远程测定试片的腐蚀损失。ER探头的构造原理如图3所示，当测量试片在腐蚀过程中长度和宽度不变（封闭）而厚度（G）受到腐蚀单方向减少，其电阻根据欧姆定律增加。

图3 腐蚀速率测量的原理图

这里ρ为材料的电阻率，L；W；G 分别为试片的长；宽；高。

ER测量技术的原理并不复杂，但在实际腐蚀环境条件下要实现微米级的灵敏度和快速响应时间，需要将电阻测量精度提高到微欧姆数量级。图中的参考试片用于消除电阻变化的热敏性，通过在不同的时间节点，测量两个试片上的电阻差来计算腐蚀速率。国际上具有记录功能的土壤ER腐蚀速率测量仪器已进入商用模式，其使用也列入NACE International标准[4]。

ER腐蚀速率测量的最大优点在于，当存在杂散电流腐蚀干扰的情况，它不需要排除干扰仍然可以提供准确包含杂散电流影响的评价信息，而保护电位评价技术则无法取得可靠稳定的数据。图4是笔者采用 Metricorr ER仪器测量某场站埋地管线阴极保护前后的腐蚀速率结果，结果显示实施阴极保护后的良好效果。数据表明在腐蚀速率为0.30mm/年的条件下，仪器的响应时间约为数小时，这也证明了该技术的工程实用性。

图4 某场站阴极保护前后的腐蚀速率

在测量管道的腐蚀速率后，我们可以用管道保护度的概念评价阴极保护效果。国家标准GB/T 21447-2018给出根据腐蚀速率计算保护度的方法：

G1—未施加阴极保护试片的失重，单位为克（g）；

S1—未施加阴极保护试片的裸露面积，单位为平方厘米（cm2）；

G2—施加阴极保护试片的失重，单位为克（g）；

S2—施加阴极保护试片的裸露面积，单位为平方厘米（cm2）。

这里G1/S1；G1/S1分别是阴极保护前后的腐蚀速率。标准要求保护度ηc宜大于85%，在图4案例中，保护度大于96%。

5 结语

（1）阴极保护效果评价是阴极保护工程的收官之作，其重要性不言而喻。实践中最常使用的手段是保护电位评价法，而该方法的关键是要准确消除IR降的影响；

（2）极化探头模拟管道极化或者去极化过程，从而测量出准确的极化电位或者阴极极化偏移量，可以帮助准确的应用阴极保护准则评价阴极保护效果；

（3）阴极极化偏移100mV准则是一个更宽泛、更实用的准则，它测量的准确性高，而且既经济又能达到满意的阴极保护效果；

（4）近年发展的ER腐蚀速率测量技术是评价阴极保护效果一个最直接和有效方法，它可以在存在杂散电流干扰的条件下，准确反应真实腐蚀环境的综合腐蚀影响，提供了阴极保护效果评价的又一路径。