埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位測試方法探討

徐若語，劉士超，朱浩，應(yīng)未，張菲，石萌，馬偉平

(1. 中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京 100028；2. 中交煤氣熱力研究設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110026；3. 北京中航油工程建設(shè)有限公司，北京 100621；4. 中國石油天然氣股份有限公司 管道工程第一項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065000；5. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

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埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位測試方法探討

徐若語1，劉士超2，朱浩3，應(yīng)未1，張菲4，石萌4，馬偉平5

(1. 中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京 100028；2. 中交煤氣熱力研究設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110026；3. 北京中航油工程建設(shè)有限公司，北京 100621；4. 中國石油天然氣股份有限公司 管道工程第一項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065000；5. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000)

摘要：陰極保護(hù)是保障油氣管道安全運(yùn)行的可靠技術(shù)，國際上普遍應(yīng)用斷電電位評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)狀態(tài)。介紹了國內(nèi)管道斷電電位測量技術(shù)現(xiàn)狀，針對(duì)斷電電位測量延遲時(shí)間存在差異，不能獲得準(zhǔn)確的管-地極化電位等問題，以新發(fā)布的美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0497—2012為例，闡述了國際上普遍公認(rèn)的陰極保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)測試方法，包括測試斷電電位的斷電時(shí)間、電壓沖擊峰持續(xù)時(shí)間、參比電極精度和參比電極放置方法等。最后，提出了借鑒NACE TM 0497—2012修訂GB/T 21246—2007的建議。

關(guān)鍵詞：陰極保護(hù)通電電位斷電電位測試方法電壓沖擊峰

1概述

陰極保護(hù)是防止埋地鋼質(zhì)管道腐蝕最可靠安全的技術(shù)。陰極保護(hù)電位是一項(xiàng)重要參數(shù)，斷電電位反映了管道是否受到充分的陰極保護(hù)，通電電位的分布反映了管道陰極保護(hù)狀態(tài)和管道防腐層的劣化程度。生產(chǎn)實(shí)踐證明： 管道陰極保護(hù)電位達(dá)到-850mV要求，管道仍會(huì)發(fā)生腐蝕[1]。目前國際上普遍采用陰極保護(hù)有效性技術(shù)進(jìn)行管道腐蝕防護(hù)，文中闡述了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于陰極保護(hù)電位的準(zhǔn)則，介紹了國內(nèi)陰極保護(hù)斷電電位測量技術(shù)現(xiàn)狀，存在的問題是斷電電位測試方法不統(tǒng)一，例如斷電電位測量延遲時(shí)間存在差異，不能獲得準(zhǔn)確的管-地極化電位。

鑒于此，以新發(fā)布的美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0497—2012為例，闡述了國際上普遍公認(rèn)的陰極保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)測試方法，對(duì)于管道陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義，以供國內(nèi)管道企業(yè)借鑒參考。

2國內(nèi)外陰極保護(hù)電位測試標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 21246—2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測試方法》規(guī)定了埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)的現(xiàn)場測量方法[2]，該標(biāo)準(zhǔn)替代行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0023—1997《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測試方法》，借鑒NACE TM 0497，NACE TM 0102，NACE RP 0502和ISO 15589—1等國外標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合國內(nèi)管道運(yùn)行管理工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)編制。但上述標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容近年來均有更新，應(yīng)跟蹤修訂相關(guān)內(nèi)容。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5919—2009《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定了埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)管理的要求[3]，附錄中規(guī)定了管道陰極保護(hù)測試方法和陰極保護(hù)多功能測量探頭的使用說明。

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 0191.1—2013《油氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》規(guī)定了油氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的要求[4]，包括現(xiàn)場測量方法、參比電極校準(zhǔn)與維護(hù)以及采用瞬時(shí)斷電法測量管地電位的步驟。

NACE TM 0497—2012《埋地或水下金屬管道系統(tǒng)陰極保護(hù)參數(shù)測試方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了埋地或水下金屬管道系統(tǒng)基于陰極保護(hù)準(zhǔn)則的電位測試程序，之前版本分別是1997版和2002版，已發(fā)展為世界上應(yīng)用最廣泛、最權(quán)威普遍公認(rèn)的陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

3陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則

3.1最小保護(hù)電位

GB/T 21447—2008《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》和GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定管道陰極保護(hù)效果應(yīng)滿足下列任意一項(xiàng)或兩項(xiàng)指標(biāo)：

1) 管道陰極保護(hù)電位(即管-地界面極化電位)應(yīng)不大于-850mV(相對(duì)飽和Cu/CuSO4參比電極，以下同)。

2) 針對(duì)防腐層性能較差或者裸露的管道，保護(hù)電位難以達(dá)到-850mV要求，可采用管道保護(hù)電位比土壤自然電位至少低于100mV，即管道表面與土壤接觸、穩(wěn)定的參比電極之間的陰極極化電位差不小于100mV，但當(dāng)運(yùn)行溫度較高、土壤中含有硫酸鹽還原菌、管道受雜散電流或明顯的電偶腐蝕影響時(shí)，不能采用該準(zhǔn)則。

3.2最大保護(hù)電位

最大保護(hù)電位應(yīng)根據(jù)管道防腐層狀態(tài)和環(huán)境確定，以不損壞防腐層的粘結(jié)力、防止產(chǎn)生析氫反應(yīng)以及不造成臨近非保護(hù)體的干擾為原則。

1) GB/T 21448—2008規(guī)定管道極限保護(hù)電位不能低于-1200mV，高強(qiáng)度鋼(管材標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度大于550MPa，X70以上等級(jí))應(yīng)根據(jù)實(shí)際析氫電位確定極限保護(hù)電位。從抑制析氫反應(yīng)的角度，不同防腐層的析氫電位不同，瀝青防腐層最大保護(hù)電位為-1.2V。

2) GB/T 21447—2008規(guī)定管道/電解質(zhì)電位不應(yīng)過低，避免管道防腐層產(chǎn)生陰極剝離。文獻(xiàn)[6]給出了石油瀝青、煤焦油瓷漆和環(huán)氧粉末防腐層的最大保護(hù)電位分別是-1.5V，-3.0V和-2.0V。

NACE SP 0169—2013《埋地或水下金屬管線系統(tǒng)的外腐蝕控制》規(guī)定鋁制管道和銅質(zhì)管道最大保護(hù)電位是-1.2V，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于最大保護(hù)電位的規(guī)定是符合國內(nèi)管道實(shí)際情況的。

4管道通電/斷電電位測量與分析

4.1通電電位評(píng)價(jià)管道防腐層質(zhì)量

管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下測得的電位是通電電位，通電電位也是評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)程度的指標(biāo)，可根據(jù)管道沿線陰極保護(hù)通電電位的衰減間接評(píng)定防腐層的質(zhì)量狀況，高質(zhì)量的防腐層可以減緩?fù)婋娢坏乃p。文獻(xiàn)[7]研究了鐵秦線新民-黑山站通電電位變化規(guī)律，陰極保護(hù)站通電點(diǎn)處通電電位最高，距離通電點(diǎn)越遠(yuǎn)電位越低，2個(gè)陰極保護(hù)站中間通電電位最低；防腐層劣化嚴(yán)重的管段，通電電位下降較快，防腐層劣化較輕的管段通電電位下降平緩。

4.2UIR降對(duì)管道通電/斷電電位測量的影響

通電電位與真實(shí)的極化電位存在UIR降的差值，UIR降是流經(jīng)土壤的陰極保護(hù)電流克服土壤電阻產(chǎn)生的電壓，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)陰極保護(hù)準(zhǔn)則中測試電位應(yīng)消除UIR降的影響，包括應(yīng)用100mV極化準(zhǔn)則也應(yīng)去除UIR降的影響，以便對(duì)測試結(jié)果做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，防腐層惡化程度是影響UIR降的主要因素，防腐層老化越嚴(yán)重，UIR降越大。例如長吉輸油管道采用3PE防腐層，UIR降在100～200mV，秦京輸油管道采用石油瀝青和聚乙烯纏帶，且老化嚴(yán)重，UIR降從幾十到五六百豪伏不等，最大可達(dá)1V[8]。

4.3斷電電位測量技術(shù)現(xiàn)狀

去除UIR降的方法是在陰極保護(hù)電流中斷瞬間測量電位，在恒電位儀陽極輸出端安裝電流中斷器，采用GPS衛(wèi)星同步斷/送電技術(shù)，即電流中斷器捕獲GPS衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)時(shí)中斷恒電位儀電流，電位數(shù)據(jù)記錄儀捕獲GPS衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)時(shí)自動(dòng)測量并顯示通電/斷電電位。

在電流中斷瞬間，管-地電位會(huì)出現(xiàn)1個(gè)沖擊峰，沖擊峰是由恒電位儀的電容效應(yīng)引起的，斷電電位測量時(shí)應(yīng)避開沖擊峰。文獻(xiàn)[9]描述沖擊峰持續(xù)時(shí)間在100ms以內(nèi)，斷電電位測量應(yīng)在斷電后延時(shí)至少100ms。針對(duì)斷電電位測量延遲時(shí)間，國內(nèi)管道企業(yè)做法存在差異，例如文獻(xiàn)[10]采用12s通/3s斷消除UIR降的斷電電位，即陰極保護(hù)站向管道供電12s、停電3s，停電3s期間測得斷電電位，但發(fā)現(xiàn)停電3s期間的前0.5s和后0.5s測量的數(shù)據(jù)可能大不相同；文獻(xiàn)[11]給出了測試斷電電位應(yīng)適當(dāng)增加電流中斷器通/斷時(shí)間比，將通/斷時(shí)間比由4∶1增加到9∶1；文獻(xiàn)[12]認(rèn)為斷電時(shí)間在保證峰值過后的讀數(shù)前提下越短越好，現(xiàn)場應(yīng)用中采用了700ms通、300ms斷的設(shè)定值。因此，斷電電位測試方法有待統(tǒng)一規(guī)范。

5NACE TM 0497—2012陰極保護(hù)電位測試方法

5.1斷電電位測試方法

文獻(xiàn)[5]將斷電電位稱為“瞬間off”電位，規(guī)定應(yīng)在電流中斷后立即進(jìn)行測量，斷電時(shí)間不能大于3s，以避免發(fā)生去極化。電流中斷可引起電壓沖擊峰，避免將電壓沖擊峰記成“瞬間off”電位。電壓沖擊峰的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可能會(huì)有些差別，但是持續(xù)時(shí)間通常在0.5s以內(nèi)。結(jié)合國內(nèi)管道工程實(shí)踐做法，建議在陰極保護(hù)系統(tǒng)中斷電流0.5～1.0s內(nèi)測試管-地?cái)嚯婋娢弧?/p>

5.2參比電極精度

文獻(xiàn)[2]規(guī)定硫酸銅電極相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位為+316mV(25℃)，電極電位誤差應(yīng)不大于5mV。存在的問題是未說明5mV的具體含義，例如5mV是指多次測試誤差，或者與標(biāo)準(zhǔn)參比電極的誤差。文獻(xiàn)[4]規(guī)定了參比電極校準(zhǔn)與維護(hù)要求，指出溫度、電解質(zhì)濃度、清潔度和感光性影響參比電極電位，參比電極電位誤差不超過10mV。

基于土壤理化指標(biāo)相差很大、參比電極與電解質(zhì)接觸不良等問題，文獻(xiàn)[5]針對(duì)硫酸銅參比電極的精確度作出規(guī)定，現(xiàn)場測量前應(yīng)對(duì)硫酸銅電極進(jìn)行精度核實(shí)，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用雙參比電極或多次測量法，或與校準(zhǔn)硫酸銅電極置于裝有淡水的容器中，其電極電位誤差應(yīng)不大于5mV。針對(duì)參比電極精度，文獻(xiàn)[5]更為嚴(yán)格，給出了參比電極精度的說明，即硫酸銅電極的電極電位誤差指測量用硫酸銅電極與校準(zhǔn)過的硫酸銅電極之間的偏差；此外建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)將參比電極誤差的規(guī)定統(tǒng)一為5mV。

5.3參比電極放置

文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[2]規(guī)定的管道陰極極化和去極化測量步驟大致相同。文獻(xiàn)[5]規(guī)定應(yīng)標(biāo)記瞬時(shí)斷電電位測試中參比電極的位置，以便于去極化電位測試在同一地點(diǎn)進(jìn)行。文獻(xiàn)[2]則未明確規(guī)定標(biāo)記瞬時(shí)斷電電位測試中參比電極的位置，使極化和去極化電位測試在同一地點(diǎn)進(jìn)行，建議借鑒文獻(xiàn)[5]的做法。

6結(jié)論和建議

1) 根據(jù)管道沿線陰極保護(hù)通電電位的衰減間接評(píng)定防腐層的質(zhì)量狀況，高質(zhì)量的防腐層可以減緩?fù)婋娢坏乃p。

2) 防腐層惡化程度是影響UIR降的主要因素，防腐層老化越嚴(yán)重，UIR降越大。

3) 文獻(xiàn)[5]重要技術(shù)內(nèi)容更新如下：

a) 測試斷電電位時(shí)斷電時(shí)間不能大于3s，以避免發(fā)生去極化。

b) 電壓沖擊峰持續(xù)時(shí)間通常在0.5s以內(nèi)，建議在陰極保護(hù)系統(tǒng)中斷電流0.5～1.0s內(nèi)測試管-地?cái)嚯婋娢弧?/p>

c) 給出了參比電極精度的說明，即硫酸銅電極的電極電位誤差指測量用硫酸銅電極與校準(zhǔn)過的硫酸銅電極之間的偏差，參比電極誤差為5mV。

d) 斷電電位測試應(yīng)標(biāo)注參比電極位置。

文獻(xiàn)[2]參考文獻(xiàn)[5]等多項(xiàng)國外陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制定，國外標(biāo)準(zhǔn)均已更新，建議應(yīng)跟蹤修訂相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn):

[1]劉國勝.陰極保護(hù)在埋地天然氣管道中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2008，27(01)： 71-73.

[2]張平，秦興述，黃春蓉.GB/T 21246—2007埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測試方法[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3]劉廣興，何悟忠，吳運(yùn)強(qiáng).SY/T 5919—2009埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)管理規(guī)程[S].北京： 石油工業(yè)出版社，2009.

[4]陳振華，姜有文，王長罡.Q/SY GD 0191.1—2013油氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范[S].北京： 石油工業(yè)出版社，2013.

[5]美國腐蝕工程師協(xié)會(huì).NACE TM 0497—2012埋地或水下金屬管道系統(tǒng)陰極保護(hù)參數(shù)測試方法標(biāo)準(zhǔn)[S].休斯頓： 美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)，2012.

[6]張合平.埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護(hù)準(zhǔn)則[J].煤氣與熱力，2015，35(07)： 31-34.

[7]薛致遠(yuǎn)，張豐，畢武喜.東北管網(wǎng)陰極保護(hù)通電/斷電電位測量與分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(10)： 772-773,787.

[8]劉玲莉，張永盛，王富才.管道防腐層大修案例分析及大修選段原則[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26(03)： 23-25.

[9]遲善武.陰極保護(hù)恒電位儀的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(08)： 53-56.

[10]張其敏，陳寧.埋地管道陰極保護(hù)效果監(jiān)測技術(shù)分析[J].油氣田地面工程，2008，27(09)： 9-10.

[11]翁永基，閻茂成，李相怡.斷電法消除管道陰極保護(hù)電位UIR降的研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(05)： 30-34.

[12]孫蕾，寧軍，申龍涉.鐵秦線陰極保護(hù)電位分析及改進(jìn)措施[J].當(dāng)代化工，2014，43(06)： 1100-1102.

Discussion on Testing Method of Cathodic Protection Potential for Buried Steel Pipeline

Xu Ruoyu1, Liu Shichao2, Zhu Hao3, Ying Wei1, Zhang Fei4, Shi Meng4, Ma Weiping5

(1. CNPC South-East Asia Pipeline Company Limited, Beijing,100028, China；2. CCCC Gas & Heat Research and Design Institute Co. Ltd., Shenyang， 110026, China；3. Beijing Aviation Oil Construction Limited Company，Beijing, 100621, China；4. First Project Manage Department，PetroChina Co. Ltd., Langfang，065000, China；5. PetroChina Pipeline R&D Center，Langfang， 065000, China)

Abstracts： The cathodic protection is a reliable technique for guaranteeing oil & gas pipeline safe operation. Off-potential is commonly used to evaluate effectiveness of pipeline cathodic protection globally. The situation of domestic pipeline off-potential testing technology is introduced. Aiming at problems of differences in delay time of off-potential testing and no accurate pipeline-soil polarization potential obtained, internationally recognized standard testing method for cathodic protection potential is expounded with example of new edition NACE TM0497-2012, including power shutdown time, voltage strike duration time, relative electrode precision and relative electrode settlement. Suggestions of referring advancement of NACE TM0497-2012 to revise GB/T 21246-2007 are proposed.

Key words:cathodic protection; on-potential; off-potential; testing method; voltage spike

作者簡介：徐若語(1988—)，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，主要從事海外油氣管道運(yùn)營及管道管理工作，任助理工程師。

中圖分類號(hào)：TM207

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)03-0018-03

稿件收到日期： 2016-02-19，修改稿收到日期： 2016-04-10。