用試片法測量管道的極化電位

馬彥昌,李國興,楊會(huì)香,馮紅臣

(1.河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院,065000；2.管道局第四工程分公司,221008；3.黃驊市瑞晨防腐材料有限公司,061100)

0 引言

隨著人們對(duì)陰極保護(hù)理論認(rèn)識(shí)的提高，現(xiàn)在，從業(yè)者大多都知道，判斷管道陰極保護(hù)是否充分或是否有過保護(hù)，依據(jù)的是管道的極化電位，即斷電電位。然而，在某些情況下，作用在管道上的所有電流源是沒有辦法同步中斷的，如犧牲陽極保護(hù)管道。即便是陰極保護(hù)系統(tǒng)可以同步中斷，如GPS同步的外加電流電源的同步中斷，但由于管道不同位置的極化程度不同，所以，電源中斷后，管道各部位之間的長線電流也無法消除，這也會(huì)給斷電電位測量帶來誤差，研究發(fā)現(xiàn)，該誤差在10-30mV之間。用地的緊缺造成多條管道、高壓輸電線路、電力機(jī)車系統(tǒng)經(jīng)常公用一個(gè)走廊，各種電氣化設(shè)施以及各條管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)電源都會(huì)成為干擾源，而同步中斷這些干擾源更是不可能的。這就給管道極化電位的測量帶來了困難。為克服這些環(huán)境因素帶來的困難，古老的試片法又重新得到人們的關(guān)注，而用試片法進(jìn)行管道斷電電位的測量也得到了進(jìn)一步的研究。

1 測量原理

眾所周知，管道的腐蝕會(huì)發(fā)生在防腐層缺陷點(diǎn)處，如果防腐層是完整的，管道不會(huì)腐蝕。我們真正關(guān)注的是管道防腐層缺陷點(diǎn)處的保護(hù)水平。為了測量到防腐層缺陷點(diǎn)處的保護(hù)電位，我們用試片來模擬管道防腐層缺陷點(diǎn)。該試片平時(shí)通過測試樁與管道連接，得到同樣的陰極保護(hù)。測量時(shí)，瞬時(shí)從管道上斷開，這樣，就可以測量到試片的斷電電位而不需要對(duì)管道上的所有電源進(jìn)行中斷。試片的電位就是同一位置，同樣大小的管道防腐層缺陷點(diǎn)處的保護(hù)電位。該方法同時(shí)消除了雜散電流、長線電流等各種干擾因素的影響，可也得到較為準(zhǔn)確的保護(hù)電位。

2 測量方法

2.1 試片法斷電電位測量有兩種形式，一種是將參比電極與試片組裝在一起，稱為極化探頭；另一種是將試片固定在參比管上，利用便攜式參比電極進(jìn)行測量，稱為參比管試片法。當(dāng)使用試片時(shí)，參比電極中的電解液會(huì)逐漸滲漏直至參比電極失效，同時(shí)，滲漏出來的電解液會(huì)改變試片所處環(huán)境，當(dāng)硫酸銅電解液與試片接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生置換反應(yīng)，試片表面被銅覆蓋，改變了其極化特性，參比電極電位漂移時(shí)也不易察覺。采用參比管，由于參比管的屏蔽作用，利用便攜式參比電極在地表就可以進(jìn)行測量，避免漏液帶來的問題。

2.2 試片面積的選擇，試片的面積根據(jù)防腐層類型、施工質(zhì)量、管道所處環(huán)境及建設(shè)年限確定，試片的面積一般在6.5～50cm2之間。如果試片面積太小，它與土壤的接觸電阻和管道涂層缺陷處差異過大，腐蝕特性也會(huì)不同。如果試片電位測量說明該點(diǎn)保護(hù)滿足規(guī)范要求，只代表管道上涂層缺陷點(diǎn)面積小于試片面積的漏點(diǎn)滿足保護(hù)要求，不說明涂層缺陷點(diǎn)面積大于試片面積的涂層缺陷點(diǎn)保護(hù)是否充分。

2.3試片的埋深及回填狀態(tài)與管道相同。在測量之前，應(yīng)確認(rèn)陰極保護(hù)運(yùn)行正常，試片與管道已連通，管道和試片充分極化。測量中，將直流數(shù)字電壓表的正極接試片，負(fù)極接硫酸銅參比電極。測量并記錄試片的通電電位。

2.4 將試片與管道斷開，立即測量并記錄試片的斷電電位。所測得的斷電電位，代表埋設(shè)點(diǎn)附近與試片同等面積防腐層缺陷點(diǎn)處的極化電位。所測量的試片斷電電位和把參比電極放置到管道正上方測量到的斷電電位會(huì)有所不同，因?yàn)楫?dāng)參比電極位于管道正上方時(shí)，所測量到的斷電電位是附近所有防腐層缺陷點(diǎn)斷電電位的綜合值，而試片斷電電位代表的是某一位置，同樣大小的一個(gè)防腐層缺陷點(diǎn)的電位。

2.5 試片的通電電位與參比電極位于防腐層漏點(diǎn)正上方時(shí)測得的通電電位類似。由于試片與管道在電位讀數(shù)中所占的比例難以分析，因此，該值不宜作為評(píng)判管地電位的依據(jù)。

2.6 試片要選用與管道類似的鋼材，鋼材的含碳量或強(qiáng)度對(duì)其腐蝕特性影響不大。因此，試片材質(zhì)不必和管材完全一樣。

參比管斷電電位測量

參比管斷電電位曲線

3 如何確定自然電位

3.1 如果試片的斷電電位滿足保護(hù)指標(biāo)，說明管道保護(hù)充分，如果試片斷電電位比-0.85V正，要判斷管道是不是滿足100mV陰極極化。此時(shí)，可以用試片的斷電電位減去管道的自然電位。如果不知道管道的自然電位，可以利用試片的自然電位，試片的自然電位受試片表面光亮程度影響，應(yīng)將其埋設(shè)并自然銹蝕一段時(shí)間（1到12個(gè)月）后，再測量其自然電位。

3.2 如果管道的陰極保護(hù)為欠保護(hù)，管道仍處于腐蝕狀態(tài)，金屬離子濃度增大，其自然電位只會(huì)比施加陰極保護(hù)時(shí)更正，而不會(huì)更負(fù)，如果管道陰極保護(hù)良好，管道的自然電位也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的PH值增大而正向變化。一般來講，管道保護(hù)充分時(shí)，自然電位不會(huì)有太大變化（自然電位變負(fù)是因?yàn)楣艿罌]有完全去極化或受雜散電流干擾），所以，可以采用管道施加陰極保護(hù)時(shí)的自然電位（除非土壤特性發(fā)生巨大變化，如，土壤受到污染）。

3.3 通電試片的去極化電位和自腐蝕試片的自然電位會(huì)有差別，可能會(huì)正于自腐蝕試片的自然電位，因?yàn)殛帢O保護(hù)改變了通電試片的環(huán)境。對(duì)于同樣的試片，在腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中電位較負(fù)（可以達(dá)到-0.80V CSE），在土壤腐蝕性弱的環(huán)境中，試片的自然電位較正（干沙中可以達(dá)到-0.30V CSE）?？梢砸源藖砼袛嗤寥赖母g性。

3.4 某燃?xì)夤緦?duì)輸氣管道進(jìn)行了陰極保護(hù)有效性檢測，該管道是1997年建設(shè)的，在2006年追加了陰極保護(hù)，當(dāng)時(shí)測量到的管道自然電位是-0.55V CSE。2011年進(jìn)行外檢測。由于犧牲陽極直接與管道相連，所以，無法獲知管道目前的自然電位。管道的通電電位為-0.91V CSE。通過埋設(shè)試片，測量到試片的自然電位為-0.69V CSE，試片極化電位為-0.72V CSE，由于試片的斷電電位沒有達(dá)到-0.85V CSE，所以，決定用100mV指標(biāo)來判斷管道的保護(hù)狀況。如果用試片的斷電電位減去其自身的自然電位，其值為30mV，顯然，不滿足100mV指標(biāo)。如果減去管道追加陰極保護(hù)時(shí)的自然電位，則極化值為170mV，滿足100mV陰極極化要求。實(shí)際開挖發(fā)現(xiàn)，管道涂層缺陷點(diǎn)處并無腐蝕。因此認(rèn)為，可以用試片的斷電電位減去管道追加陰極保護(hù)時(shí)的自然電位進(jìn)行陰極保護(hù)有效性判斷。

4 測量中注意的問題

4.1 如果試片很光亮，其自然電位會(huì)很低，甚至低于-0.80V CSE。如果管道的自然電位比較正，比如-0.50V CSE，由于探頭的斷電電位不可能正于-0.80V CSE，以此判斷，其結(jié)果是管道的陰極極化一定滿足100mV指標(biāo)，這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)的，因?yàn)楣艿赖臄嚯婋娢豢赡鼙?0.80V CSE更正而試片斷電后，電位不會(huì)正于自然電位。所以，在利用試片測量斷電電位時(shí)，其斷電電位值一定比其自然電位值更負(fù)才有效。如果管道為欠保護(hù)，其通電電位比試片的自然電位還正，此時(shí)，試片和管道連通后，將成為陽極而發(fā)生腐蝕。只有將試片自然銹蝕一段時(shí)間后，才可以實(shí)施測量。管道的斷電電位主要取決于管道所處環(huán)境和施加的電流密度，與自然電位關(guān)系不大，所以，試片的斷電電位可以代表該位置管道涂層缺陷點(diǎn)的斷電電位。

4.2 當(dāng)需要測量兩個(gè)測試樁之間的管道極化電位時(shí)，需要將試片移到兩測試樁中間位置，受導(dǎo)線電阻影響，進(jìn)入試片的電流密度會(huì)降低，試片的極化電位也會(huì)減小。同時(shí)，如果萬用表的內(nèi)阻不足夠大，通電電位讀數(shù)也減小。所以，盡量避免將試片移開測試樁位置。當(dāng)管道有開挖補(bǔ)漏時(shí)，可以直接在涂層漏點(diǎn)處做連接。

4.3 一般情況下，可以用測試樁之間某點(diǎn)的通電電位減去測試樁位置的通、斷電電位之差（IR降），來計(jì)算該點(diǎn)的管道極化電位。

4.4 采用參比管進(jìn)行測量時(shí)，參比管內(nèi)要填充密實(shí)的電解質(zhì)（土壤），將參比電極位于參比管上部，并與參比管內(nèi)的土壤緊密接觸，讀取試片的通、斷電電位。如果數(shù)值相差不大，說明參比電極與試片之間IR降不大，如果數(shù)值相差較大，應(yīng)取試片斷電電位作為管道的保護(hù)電位。在存在動(dòng)態(tài)雜散電流干擾的管道附近，如果試片的自然電位是穩(wěn)定的，說明雜散電流不會(huì)形成電位梯度，對(duì)試片的斷電電位測量沒有影響。受動(dòng)態(tài)雜散電流的影響，試片的通電電位有時(shí)會(huì)比斷電電位更正。

4.5 國內(nèi)多數(shù)試片制造商并不了解試片測量原理，試片距離參比電極有一定的間距。用這種探頭測量時(shí)，必須讀取斷電電位，有雜散電流干擾時(shí)，由于參比電極和試片之間的土壤電位梯度，即便斷電也不能全部消除其干擾。因此，最好采用環(huán)形試片，參比電極位于其中心位置。

4.6 試片的斷電電位滿足要求時(shí)，不代表剝離的防腐層下面的管道得到充分保護(hù)，因?yàn)殛帢O屏蔽會(huì)阻礙陰極保護(hù)電流流向管道。