極化探頭在埋地鋼質(zhì)管道陰極保護的應(yīng)用

摘 要

摘要：分析了管道陰極保護電位測量誤差的原因，論述了極化探頭的結(jié)構(gòu)和使用方法。結(jié)合工程實例，考察了采用Cu/飽和CuSO4參比電極的極化探頭在埋地天然氣鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量
摘要：分析了管道陰極保護電位測量誤差的原因，論述了極化探頭的結(jié)構(gòu)和使用方法。結(jié)合工程實例，考察了采用Cu/飽和CuSO4參比電極的極化探頭在埋地天然氣鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量中消除IR降方面的實際效果。與其他方法的測量結(jié)果相比，在管道陰極保護正常運行狀態(tài)下，用極化探頭法可以使電位測量誤差最小，可以測到最接近真實值的管道陰極保護電位。
關(guān)鍵詞：陰極保護；保護電位；極化探頭；極化電位；IR降；極化探頭法；試片斷電法；管道瞬間斷電法
Application of Polarized Probe to Cathodic Protection of Buried Steel Pipeline
YANG Yi-jun，LI Wen-yu，WANG Zhi-fang，DU Yan-xia
Abstract：The reasons for measurement error of pipeline cathodic protection potential are analyzed. The configuration and use of polarized probe are expounded. Combined with an engineering example of parameter measurement，the actual effect of the polarized probe with Cu/saturated CuS04 reference electrode in terms of eliminating IR drop during measurement of cathodic protection parameters of buried natural gas steel pipeline is investigated. Under the normal operation of pipeline cathodic protection，the polarized probe method has the smallest potential measurement error compared to other measurement methods. This method can measure the pipeline cathodic protection potential that is the closest to the true value.
Key words：cathodic protection；protection potential；polarized probe；polarization potential；IR drop；polarized probe method；test block power interruption method； instantaneous power interruption method
1 管道保護電位的測量誤差原因
    在運行的陰極保護系統(tǒng)中，將參比電極置于管道附近土壤中測量管道和參比電極之間的電位差，得到通電狀態(tài)下的保護電位，稱為通電電位Von。根據(jù)參比電極與管道的距離不同，其測量又分為地表參比、近參比等不同方法。一般情況下，Von不等于管道真實極化電位Vt。采用斷電法即切斷陰極保護電流Ic后測量，可消除部分誤差。但在某些情況下，斷電電位Voff仍和管道真實極化電位Vt有較大誤差。這些誤差就是IR降造成的，IR降是根據(jù)歐姆定律由于電流的流動在參比電極與金屬管道之間電解質(zhì)(土壤)上產(chǎn)生的電壓[1、2]。把各種誤差△V統(tǒng)稱為IR降，假如將各種誤差△V簡單劃分為可用斷電法消除的IcR和不能用斷電法消除的V0兩部分，那么存在以下關(guān)系：
    Von=Vt+△V=Vt+IcR+V0    (1)
    Voff=Vt+V0    (2)
   可消除的I尺降是由參比電極和管道電位測量點之間的陰極保護電流Ic(即整流器或犧牲陽極輸出電流)、土壤電阻和管道表面膜或絕緣層電阻造成的，屬于直流歐姆壓降，是純陰極保護電流造成的歐姆壓降，稱作純歐姆壓降，它在陰極保護電流中斷瞬間立即消失。
   不能用斷電法消除的誤差V0是各種雜散電流、二次電流造成的地電位梯度引起的，是非陰極保護電流造成的歐姆壓降，稱作非歐姆壓降。雜散電流是在非指定回路中流動的電流[1]。二次電流是因被保護金屬極化程度不同造成的在極化差異部位之間流動的電流[2]。這兩種電流都不會因保護電流中斷而立即消失。
    除了介質(zhì)電阻、涂層電阻外，某些非歐姆因素也可能造成電位測量誤差。
   工程上近年來推出管道瞬間斷電法、試片斷電法、極化探頭法等消除IR降的測量技術(shù)。
2 管道瞬間斷電法
   管道瞬間斷電法要求管道上所有相連的接地保護、犧牲陽極均須斷開，管道上多個陰極保護裝置也要同時斷開，在測試點處不應(yīng)有雜散電流的干擾，測量儀應(yīng)使用響應(yīng)速度極快的自動記錄儀。該測量方法的缺陷是某些時候不便于斷開陰極保護電流及其他電連接，而且該方法無法消除由雜散電流和二次電流導(dǎo)致的非歐姆壓降。
3 試片斷電法
   在測試點處埋設(shè)一個裸試片，其材質(zhì)、埋設(shè)狀態(tài)要求與管道相同，試片和管道用導(dǎo)線連接，這樣就模擬了一個覆蓋層的缺陷，由管道提供保護電流進行極化。測量時，只需斷開試片和管道的連接導(dǎo)線，就可以測得試片斷電電位，由試片電位代表管道電位，從而避免了切斷管道主保護電流Ic及其他電連接的麻煩。本方法對工程應(yīng)用較為實際，使用中應(yīng)對測試樁的功能加以補充，并設(shè)置埋設(shè)試片接線柱，平時與管道接線柱用銅導(dǎo)線連接并易于斷開，以供測試。應(yīng)注意試片極化時間要足夠長。
    由于用試片電位代表管道電位，因此僅分析參比電極與試片間電解質(zhì)(即土壤)上產(chǎn)生的IR降即可。當采用地表參比電極對試片進行斷電電位測量時，仍存在雜散電流干擾的問題，只有當參比電極與試片距離較近時，才可以在一定程度上減小雜散電流的影響。因此，試片斷電法也不能消除V0，這可以用圖1來解釋。
 
    圖1中，試片與管道連接斷開，使試片的陰極保護電流Ic=0，則IcR=0。因為雜散電流、二次電流仍然存在，所以V0仍然存在。由于存在的IR降份額較大，因此電位測量誤差大。雜散電流、二次電流的方向以圖示為例，也可能有其他方向。當雜散電流、二次電流的方向與陰極保護電流方向相同時，則試片電位負向偏移；相反時，試片電位正向偏移。
4 極化探頭結(jié)構(gòu)
    為克服上述兩種斷電法電位測量誤差大的缺陷，需要采用極化探頭法。極化探頭是把參比電極和填充介質(zhì)封閉在絕緣外殼內(nèi)，被測試片與絕緣外殼適當連接，試片外表面不被絕緣外殼包封而接觸探頭外部環(huán)境，內(nèi)表面與探頭內(nèi)部絕緣。參比電極只通過探頭底部多孔塞子滲透膜上的小孔與外界構(gòu)成測量通路，參比電極與試片盡量接近，試片用和管道相同的材質(zhì)制作。參比電極可分為液態(tài)參比電極(如Cu/飽和CuSO4、飽和甘汞)、固態(tài)參比電極(如Zn、MnO2等)，根據(jù)測量對象采用不同參比電極。
    下面以Cu/飽和CuSO4參比電極探頭結(jié)構(gòu)為例進行說明，探頭結(jié)構(gòu)見圖2。該極化探頭分為上、下兩個腔室，上腔室為參比電極安裝室，下腔室安裝有極化試片、自腐蝕試片、保濕劑，上腔室與下腔室、下腔室與極化試片通過導(dǎo)電鹽橋連接[3]。極化探頭有3根導(dǎo)線分別與參比電極、極化試片、自腐蝕試片相連接。極化試片的連接導(dǎo)線既用作試片的極化線又兼作電位的測量線。
 
5 極化探頭法
極化探頭法類似試片斷電法。采用極化探頭進行電位測量，極化試片平時用導(dǎo)線與管道相連，使試片受到與管道同樣程度的極化。測量時斷開試片與管道的連接，切斷試片的陰極保護電流Ic，立即進行電位測量，得到極化試片斷電電位Voff。此即為極化探頭法[2]，見圖3。
 
    圖3中，極化試片與管道連接斷開，使極化試片的陰極保護電流Ic=0，則IcR=0。探頭的塑料外殼與周圍環(huán)境隔離，可以避免外界電流的進入，消除了部分非歐姆壓降。雖然雜散電流、二次電流仍然存在，但是探頭下部的導(dǎo)電鹽橋與極化試片非常靠近，從而使非歐姆壓降最小。把極化探頭法未消除的非歐姆壓降記作V0,min，與試片斷電法沒有消除的V0比較，V0,min的絕對值小于V0的絕對值。因此，極化探頭法測量的電位誤差最小，而且有：
Voff=Vt+V0,min  (3)
    若沒有雜散電流、二次電流的干擾存在，則極化探頭法與試片斷電法測量的斷電電位應(yīng)是相同的，電位測量誤差也應(yīng)是相同的。但實際上雜散電流、二次電流總是或大或小以各種方向存在的。
    雖然V0,min本身的絕對數(shù)量存在，但極化探頭法未消除的V0,min的絕對值比試片斷電法未消除的V0的絕對值小，即極化探頭法比試片斷電法測量的電位誤差小。因此，與其他測量方法相比，極化探頭法可以測到最接近真實值的管道陰極保護極化電位。
    極化探頭法最適用于雜散電流區(qū)域的電位測量，它可以測到管道由陰極保護電流應(yīng)該達到的最接近真實值的陰極保護極化電位。雜散電流是導(dǎo)致埋地管道腐蝕的有害電流，應(yīng)該排除。當確認存在雜散電流干擾時，采取干擾防護措施后，用其他測量方法得到的Voff與極化探頭測得的Voff相比較，當兩者很接近時，則說明排除干擾后雜散電流對管道的影響小了。極化試片通電時其電位關(guān)系如下：
    Von=Vt+IcR+V0,min    (4)
6 極化探頭法的使用
    極化探頭法的安裝、接線、測量見圖4。
 
   ① 安裝：Cu/飽和CuSO4參比電極極化探頭多用于埋地管道的測量，與管壁水平凈距為100mm，埋深與管道中心相同。
    ② 接線：極化試片及自腐蝕試片導(dǎo)線分別引入測試樁各自接線柱上，被保護管道導(dǎo)線引入測試樁接線柱上，參比電極導(dǎo)線引入測試樁接線柱上，平時極化試片接線柱與被保護管道接線柱之間用導(dǎo)電銅片相連，意味著極化試片受到與管道相同的極化。
    ③ 測量：測量采用的儀表為數(shù)字萬用表，直流電壓檔為2V，黑表筆接參比電極，紅表筆接極化試片接線柱。測量時斷開導(dǎo)電銅片使極化試片斷開陰極保護電流，立即進行極化試片的電位測量，得到負值電位。關(guān)于斷電電位測量時間，當極化試片中斷陰極保護電流后被保護試片對地電位隨時間的變化曲線稱為斷電衰減曲線，斷電瞬間電位下降很快，之后開始極化衰減。在陰極保護電流中斷后不同瞬間測到的斷電電位值不同，用響應(yīng)時間更快的示波器很容易測到。斷電時間太長可導(dǎo)致過度極化衰減，斷電時間太短可能落入電壓沖擊范圍。按文獻數(shù)據(jù)，斷電測量時間以0.5～3.0s為宜。
   自腐蝕試片用于自腐蝕電位測量。
7 工程應(yīng)用實例
   2009年9月，我們對某天然氣二期工程高壓管道鎂犧牲陽極保護效果用極化探頭進行現(xiàn)場測試。該管道規(guī)格為Ø508×9.5，長度為14km，材質(zhì)為L290，采用3層PE加強級防腐，沿線土壤電阻率為20～30Ω·m，鎂陽極每組2支，單支陽極質(zhì)量為22kg，陽極間距為330m左右。用市售極化探頭(外形尺寸規(guī)格為Ø75×300)和便攜式數(shù)字萬用表進行測量。平時極化試片與被保護管道在測試樁用導(dǎo)電銅片相連，測量斷電電位時，第1次測量時斷開連接銅片在第2s時讀數(shù)。重復(fù)測試時將極化試片通電12s、斷電3s、在斷電2s時讀取斷電電位值?，F(xiàn)場用極化探頭試片與便攜式參比電極測量的電位列于表1。從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：
   ① 極化探頭試片的通電電位與斷電電位之差較小，原因是極化探頭內(nèi)裝導(dǎo)電性良好的飽和硫酸鈉并且探頭下部的鹽橋與極化試片非?？拷筋^又緊靠管道，因此IR降小。測量的10個點中，有6個點的試片通電電位與斷電電位差的絕對值超過100mV，與斷電電位比較，通電電位包含的IR降份額較大。因此推薦采用試片斷電電位作為管道陰極保護電位。
   ② 用便攜式參比電極測得的管道通電電位與極化探頭測得的斷電電位存在較大電位差，這是土壤IR降造成的，本管道沿線土壤電阻率為20～30Ω·m，屬強腐蝕等級，說明土壤含鹽量、含水量高，導(dǎo)電性好，導(dǎo)致兩種方法測量的電位誤差較大。與極化探頭法測量的斷電電位比較，便攜式參比電極測量的通電電位包含的IR降份額更大。
   ③ 用極化探頭測量的斷電電位，與其他電位比較，包含的IR降份額最小。
表1 現(xiàn)場用極化探頭試片與便攜式參比電極測量的電位比較
里程/km
極化探頭試片
便攜式參比電通電電位/V
便攜式參比電極通電電位與極化探頭試片斷電電位之差/V
斷電電位/V
通電電位/V
通電電位與斷電電位差值/V
0.760
-1.250
-1.298
-0.048
-1.368
-0.118
1.625
-1.154
-1.184
-0.030
-1.327
-0.173
4.100
-1.305
-1.320
-0.015
-1.477
-0.172
6.575
-0.970
-1.094
-0.124
-1.440
-0.470
8.225
-1.186
-1.374
-0.188
-1.477
-0.291
8.860
-1.267
-1.444
-0.177
-1.501
-0.234
11.580
-1.246
-1.419
-0.173
-1.492
-0.246
12.529
-1.326
-1.349
-0.023
-1.497
-0.171
13.020
-1.285
-1.394
-0.109
-5
-0.220
13.340
-1.305
-1.441
-0.136
-1.521
-0.216
8 結(jié)論
    極化探頭法為測量管道陰極保護真實極化電位提供了較理想的手段，與其他測量方法相比，它能最大程度地消除IR降。在高電阻率土壤介質(zhì)中也能得到更準確的極化電位。在有雜散電流干擾的情況下，使用近參比電極斷電法測量會有較大的電位誤差，而極化探頭法使誤差最小，可以測到最接近真實值的管道陰極保護極化電位。
參考文獻：
[1] GB/T 21448—2008，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S].
[2] GB/T 21246—2007，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法[S].
[3] 胡士信，熊信勇，石薇，等.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護真實電位的測量技術(shù)[J].腐蝕與防護，2005，26(7)：297-301.
 
(本文作者：楊義軍1 李文玉2 王芷芳3 杜艷霞4 1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院 天津 300074；2.港華投資有限公司 廣東深圳 518026；3.天津大學(xué)材料學(xué)院 天津 300072；4.北京科技大學(xué) 北京 100083)