動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾中極化試片電流測量

劉 軍

(中國石化銷售有限公司 華南分公司,廣州 510623)

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動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾中極化試片電流測量

劉 軍

(中國石化銷售有限公司 華南分公司,廣州 510623)

介紹了一種新型的極化試片電流測試方法。該技術(shù)采用高精度數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)測受到動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的極化試片中流進(jìn)、流出的直流電流。該結(jié)果可以用于埋地鋼質(zhì)管道直流雜散電流干擾的評價(jià)，為查找直流雜散電流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提供依據(jù)。

直流雜散電流;掛片;陰極保護(hù)

腐蝕是埋地鋼質(zhì)管道安全運(yùn)行所面臨的最大風(fēng)險(xiǎn)之一。陰極保護(hù)與涂層的聯(lián)合應(yīng)用是國際上公認(rèn)有效的埋地鋼質(zhì)管道防腐蝕技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[1]，管地界面極化電位是判斷陰極保護(hù)有效性的準(zhǔn)則，在現(xiàn)場應(yīng)用中，經(jīng)常采用斷電電位作為評價(jià)陰極保護(hù)效果的指標(biāo)[2]。但是，隨著我國城市基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，城市周邊埋地管道受到強(qiáng)烈的直流雜散電流干擾，已成為影響管道安全運(yùn)行的重大風(fēng)險(xiǎn)。這些直流干擾源中較為突出的一個(gè)就是地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾。由于上述雜散電流的存在，密間隔電位測試(CIPS)已不具有實(shí)施的意義；即使采用試片斷電法來測試斷電電位，也無法徹底消除因參比電極與試片之間IR降而導(dǎo)致數(shù)據(jù)判讀的困難。故管道管理單位無法準(zhǔn)確地評價(jià)管道陰極保護(hù)的有效性。

此外，關(guān)于直流干擾的識別，在GB 50991-2014埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]中提出要采用地電位梯度或自然電位的偏移來判斷土壤中雜散電流的強(qiáng)弱。

管道工程處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，可采用管道擬經(jīng)路由兩側(cè)各20 m范圍內(nèi)的地電位梯度判斷土壤中雜散電流的強(qiáng)弱，當(dāng)?shù)仉娢惶荻?0.5 mV/m時(shí)，應(yīng)確認(rèn)存在直流雜散電流；當(dāng)?shù)仉娢惶荻取?.5 mV/m時(shí)，應(yīng)評估管道敷設(shè)后可能受到的直流干擾影響，并根據(jù)評估結(jié)果預(yù)設(shè)干擾防護(hù)措施。

沒有實(shí)施陰極保護(hù)的管道，宜采用管地電位相對于自然電位的偏移值進(jìn)行判斷。當(dāng)任意點(diǎn)上的管地電位相對于自然電位正向或負(fù)向偏移超過20 mV，應(yīng)確認(rèn)存在直流干擾；當(dāng)任意點(diǎn)上管地電位相對于自然電位正向偏移大于或等于100 mV時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施。

對于已經(jīng)運(yùn)行的埋地管道，因?yàn)闇?zhǔn)確的自然電位無法獲知，導(dǎo)致上述評價(jià)準(zhǔn)則無法采用、實(shí)施。這是目前業(yè)界對于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下管道受干擾程度的評價(jià)以及腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評估的一個(gè)難點(diǎn)。

在動(dòng)態(tài)雜散電流干擾的治理研究中，已有主要針對斷電電位的測試方法、極化試片設(shè)計(jì)等方面的研究，但鮮有關(guān)于埋地試片吸收或排放直流雜散電流的研究。本工作對流經(jīng)埋地極化試片的直流電流進(jìn)行了現(xiàn)場測試，以期為動(dòng)態(tài)雜散電流的測試和緩解提供新的思路。

1　極化測試探頭技術(shù)

埋地鋼質(zhì)管道采用陰極保護(hù)后，因電流在土壤介質(zhì)中的IR降及雜散電流的影響，很難精確測得真實(shí)的極化電位[4-6]。目前消除IR降的常規(guī)方法是瞬間斷電法。所謂瞬間斷電法是指瞬間斷開陰極保護(hù)電流(此時(shí)電流I為零)而測得的斷電電位。瞬間斷電法測得的斷電電位近似等于極化電位，在管道電位現(xiàn)場測試中，就采用此方法來評價(jià)陰極保護(hù)的有效性。

瞬間斷電法的準(zhǔn)確測試需要具備以下三個(gè)基本條件：①多套陰保系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)同步斷開；②所有與管道相連的均壓線均應(yīng)斷開；③沒有雜散電流的干擾。在管線的實(shí)際現(xiàn)場測試和管理中，特別是在存在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的情況下，很難將測試得到電位里面的IR降消除掉，這給陰極保護(hù)效果的準(zhǔn)確評價(jià)造成一定的困難。

近年來極化試片測試技術(shù)得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。極化試片采用與待測管道同樣的鋼材制作，埋設(shè)在管道附近，以模仿管道防腐蝕層上的破損點(diǎn)。如果該試片的斷電電位滿足陰極保護(hù)的準(zhǔn)則要求，那么管道防腐蝕層上同等尺寸或者更小的破損點(diǎn)也會(huì)得到足夠的陰極保護(hù)[7]。

在現(xiàn)場使用中，應(yīng)令極化試片與參比電極盡可能接近。在測得的試片斷電電位中，陰極保護(hù)電流及其他電流(雜散電流、平衡電流及大地電流)的影響會(huì)被盡量消除。但是在動(dòng)態(tài)直流雜散電流的干擾情況下，該雜散電流引起的IR降很難被徹底消除。在這些情況下繼續(xù)使用試片斷電電位來判斷管道的陰極保護(hù)水平和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的不準(zhǔn)確性。

判斷金屬結(jié)構(gòu)物是否達(dá)到足夠陰極保護(hù)的另外一個(gè)參數(shù)是電流密度。在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，保護(hù)電流的需求就是根據(jù)保護(hù)電流密度來計(jì)算和確定的。如果能對流經(jīng)極化試片的直流電流進(jìn)行連續(xù)測定，那么就有可能在極化試片吸收、排泄直流電流量的基礎(chǔ)上，發(fā)展出一種新的雜散電流影響嚴(yán)重程度以及陰極保護(hù)有效性的評價(jià)方法和準(zhǔn)則。

2　極化試片電流測試法在成品油管道的應(yīng)用

華南分公司某成品油管道受到地鐵動(dòng)態(tài)直流雜散電流嚴(yán)重干擾。在地鐵運(yùn)行期間，管道的通電電位在-10～10 V(CSE)間波動(dòng)；在地鐵停運(yùn)時(shí)，管道的通電電位恢復(fù)正常。圖1為某測試樁處通電電位。

在本雜散電流測試與研究項(xiàng)目中，采用新型數(shù)據(jù)記錄儀與極化試片對管道的通電電位、直流雜散電流等參數(shù)進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測。所使用的數(shù)據(jù)記錄儀按照圖2進(jìn)行接線，記錄流經(jīng)試片的直流電流以及試片通電電位。通過專用軟件，導(dǎo)出電位、電流數(shù)據(jù)，繪制曲線。

測試中所用試片的形狀為平面圓盤狀，面積為5 cm2。當(dāng)極化試片直流電流為正值時(shí)，表明電流由土壤流入試片表面，試片和管道可得到陰極保護(hù)；測試的極化試片直流電流為負(fù)值時(shí)，表明電流由試片流入土壤，試片和管道將有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

由于管道受到動(dòng)態(tài)雜散電流影響，試片瞬間的直流電流方向會(huì)不斷變化，圖3為1號測試點(diǎn)的試片電流長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測記錄。

該數(shù)據(jù)記錄儀在配合參比電極使用時(shí)，也可以對極化試片的通電電位進(jìn)行監(jiān)測。由圖4可見，當(dāng)測試的極化試片直流電流為正值時(shí)，表明電流由土壤流入試片表面，管道的通電電位較負(fù)；測試的極化試片直流電流為負(fù)值時(shí)，表明電流是由試片流入土壤，管道的通電電位向正方向偏移。所測得的通電電位包含由直流雜散電流引起的IR降，所以出現(xiàn)上述試片電流與通電電位的對比關(guān)系。

2號測試點(diǎn)的試片電流與通電電位的情況見圖5和圖6。2號測試點(diǎn)的雜散電流干擾情況與1號測試點(diǎn)類似，流經(jīng)試片的直流電流的大小與方向都發(fā)生動(dòng)態(tài)劇烈變化，試片的通電電位與該直流電流存在明顯的因果關(guān)系。

在之前描述中提到，當(dāng)測試的極化試片直流電流為正值時(shí)，表明電流由土壤流入試片表面，試片和管道可得到陰極保護(hù)；測試的極化試片的直流電流為負(fù)值時(shí)，表明電流是由試片流入土壤，試片和管道將有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。本次現(xiàn)場測試工作對受地鐵干擾的25處測試樁進(jìn)行了極化試片雜散電流的監(jiān)測，針對每處測試點(diǎn)都進(jìn)行了試片直流電流的長時(shí)間(1 h)監(jiān)測。

在后期數(shù)據(jù)處理中，將測試點(diǎn)的試片直流電流取平均值后發(fā)現(xiàn)，有11處測試點(diǎn)的極化試片直流電流平均值為負(fù)，表明極化試片處于排泄電流的狀態(tài)。具體平均電流數(shù)值見表1。

表1　極化試片平均直流電流為負(fù)值的測試點(diǎn)數(shù)據(jù)

當(dāng)管道防腐蝕層破損點(diǎn)處有大量的氫氧根離子時(shí)，電流自管道流出時(shí)可能發(fā)生的氧化反應(yīng)如下：

(1)

該反應(yīng)不消耗金屬，不會(huì)導(dǎo)致腐蝕。但是前提條件是管地界面存在足夠的氫氧根離子。

關(guān)于受地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾的管道表面排泄電流造成的腐蝕與動(dòng)態(tài)直流電流的關(guān)系，目前還沒有成熟的理論。所以如果有電流從管道經(jīng)過管地界面進(jìn)入土壤，只能初步判斷管道在此處可能有腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。目前急需將動(dòng)態(tài)直流雜散電流的流出對埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕影響進(jìn)行定量化研究，以確定上述干擾情況下管道是否會(huì)發(fā)生腐蝕以及腐蝕量的大小。

3　結(jié)論

采用數(shù)據(jù)記錄儀結(jié)合極化試片，對動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾情況下流經(jīng)試片的直流電流的大小與方向以及試片的通電電位進(jìn)行同步監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明流經(jīng)極化試片的直流電流的方向與大小都發(fā)

生了劇烈的變化，管道的通電電位也隨之波動(dòng)。

通過進(jìn)一步計(jì)算各點(diǎn)的極化試片直流電流的平均值，可以找到雜散電流排泄區(qū)，即管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域。但是由于目前尚沒有成熟的理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)將動(dòng)態(tài)變化的直流電流用于量化評估腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和評價(jià)陰極保護(hù)有效性，所以上述數(shù)據(jù)的進(jìn)一步解讀有待繼續(xù)深入研究。

此外，在動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾的情況下，極化試片的電流方向無明顯規(guī)律變動(dòng)，尚需對其波動(dòng)性進(jìn)行長期跟蹤測試總結(jié)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，其對金屬表面的電化學(xué)反應(yīng)的影響也有待進(jìn)一步研究。

[1]GB/T 21448-2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 21246-2007埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法[S].

[3]GB 50991-2014埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]李自立，謝躍輝，郝宏娜,等. 埋地管道陰極保護(hù)電位測量方法研究進(jìn)展[J]. 腐蝕與防護(hù)，2012,33(1)：55-59.

[5]胡士信，熊信勇，石薇,等. 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)真實(shí)電位的測量技術(shù)[J]. 腐蝕與防護(hù)，2005，26(7)：297-301.

[6]薛致遠(yuǎn)，張豐，畢武喜,等. 東北管網(wǎng)陰極保護(hù)通電/斷電電位測量與分析[J]. 油氣儲運(yùn)，2010,29(10)：772-774.

[7]NACE RP0104-2004The use of coupons for cathodic protection monitoring applications[S].

Measurement of Coupon DC Current in Dynamic DC Stray Current Interference

LIU Jun

(Sinopec Product Oil Pipeline Southern Company, Guangzhou 510623, China)

A new method for measuring DC current through coupon is introduced. A high accuracy data logger was used to monitor the DC current that was picked up or discharged by coupon. This method could be implemented in the evaluation of dynamic stray current interference and may provide valuable information for identification of corrosion risk points on buried pipeline.

DC stray current; coupon; cathodic protection

10.11973/fsyfh-201601016

2015-05-04

劉 軍(1976-),工程師,碩士,從事金屬腐蝕與防護(hù)相關(guān)研究,15920579881,ljyyh2004@163.com

TG172

B

1005-748X(2016)01-0068-03