站場埋地管陰極保護(hù)電位測量與評(píng)估的影響因素

黃紅科 魏松林 劉 朝 章 強(qiáng) 龔 怒 高路楊 趙博康

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

各類電廠及油汽儲(chǔ)運(yùn)站場地下一般都布置了復(fù)雜的鋼制工藝管道，通常通過陰極保護(hù)和防腐層相結(jié)合的方法控制管道的腐蝕降質(zhì)，測量并評(píng)估陰極保護(hù)電位（下稱CP電位）的有效性并以此為輸入對(duì)陰保系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是保障鋼制埋地管道安全可靠運(yùn)行的重要實(shí)踐活動(dòng)，國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐[1-3]對(duì)此作出了明確規(guī)定。CP電位測量方法的相關(guān)研究[4-10]、IR降對(duì)CP電位測量的相關(guān)研究[11-17]、埋地管防腐層檢測的相關(guān)研究[18-22]均表明，影響陰極保護(hù)測量與評(píng)估結(jié)果的因素很多，國內(nèi)的研究探索多聚焦于實(shí)驗(yàn)室模型或長輸管道工程實(shí)踐。相對(duì)而言，站場鋼制埋地管服役環(huán)境更為復(fù)雜，開展CP電位測量和評(píng)估的難度更大，而針對(duì)站場埋地管CP電位測量與評(píng)估的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。本文建立了室外站場模擬試驗(yàn)場，建立了站場CP電位測量的典型應(yīng)用場景，通過對(duì)比試驗(yàn)研究了多種因素對(duì)CP電位測量與評(píng)估的影響，為站場陰極保護(hù)系統(tǒng)工程維護(hù)實(shí)踐提供了參考。

1 試驗(yàn)場和試驗(yàn)條件

本文建立了模擬站場服役環(huán)境的埋地管試驗(yàn)場，如圖1所示。試驗(yàn)場中以3～5m的并排間距敷設(shè)了多根尺寸規(guī)格為Ф219×6長度為30～80m的埋地管，每根管道上均按照規(guī)范的涂敷工藝制備了防腐層，1#、2#、3#三根管道分別制備了環(huán)氧樹脂、3PE、四油三布三種典型防腐層材料，防腐層電阻率為3PE＞環(huán)氧樹脂＞四油三布，其中三根管道周圍土壤電阻率相近，分別為32.03Ω·m、29.52Ω·m、28.24Ω·m。為真實(shí)模擬站場埋地管可能出現(xiàn)的真實(shí)服役狀態(tài)，三根埋地管防腐層上均預(yù)制了直徑大小分別為50mm、80mm、113mm的防腐層缺陷，分別位于管道的8m、14m、22m位置處，缺陷布置如圖2所示，三根管道的埋深均為1m。4#埋地管埋深為1.5m，防腐層材料為四油三布，管道周圍土壤電阻率為41.45Ω·m。試驗(yàn)場中安裝了恒電位儀、電流調(diào)節(jié)器、深井陽極，以模擬陰極保護(hù)系統(tǒng)。同時(shí)試驗(yàn)場中埋設(shè)了金屬干擾物和犧牲陽極，通過開關(guān)控制與管道的接入和斷開狀態(tài)以及犧牲陽極材料的切換。試驗(yàn)中，恒電位儀向管道提供陰極保護(hù)電流，通過開關(guān)可控制每根管道的斷開或投入，通過電流調(diào)節(jié)器可控制陰極保護(hù)電流大小，以建立各種試驗(yàn)場景。

本文涉及密間隔管地電位法、極化探頭法、標(biāo)準(zhǔn)管地電位法三種CP電位測量方法，密間隔管地電位法測量時(shí)參比電極位于管道上方地表，極化探頭測量時(shí)采用內(nèi)置參比，測量位置位于管道上方0.5m埋深處，標(biāo)準(zhǔn)管地電位法測量時(shí)采用長效硫酸銅參比，參比電極位于管道上方0.5m埋深處。為便于表述，本文采用簡單的符號(hào)表示三種方法測試的相關(guān)數(shù)據(jù)，說明如表1所示。

表1 本文涉及的CP電位測量的相關(guān)符號(hào)意義

2 不同因素對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響

2.1 IR降對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響

我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21448《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[23]規(guī)定了CP電位（管/地極化電位）有效保護(hù)范圍區(qū)間，該區(qū)間僅適用于無IR降電位。由于檢測條件所限，部分老舊站場仍然僅檢測CP通電電位并以此為輸入評(píng)價(jià)CP有效性。CP通電電位包含了IR降，以此為輸入會(huì)直接影響CP有效性評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文通過對(duì)比試驗(yàn)的方法分析了IR降對(duì)CP電位測量與評(píng)估結(jié)果的影響。保持陰極保護(hù)參數(shù)不變，恒電位儀采用恒電壓模式，恒電位儀輸出電壓2.1V，管道輸出電流20mA。沿同一管道分別通過CIPSP/SPP三種方法測量通電電位和斷電電位，結(jié)果如圖3所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

由圖1可知，CIPSP/SPP三種測量方法測得的通電電位和斷電電位均存在明顯的IR降差值，每種測量方法的IR降也存在差異。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，三種檢測方法的通電電位檢測均值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了合理保護(hù)區(qū)間范圍，以通電電位為輸入，陰極保護(hù)評(píng)估結(jié)果為過保護(hù)。與此不同的是，三種方法測得的斷電電位相較合理保護(hù)區(qū)間的偏離很小，陰極保護(hù)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果為基本正常有效。以本試驗(yàn)為例，簡單地以通電電位為輸入可能導(dǎo)致CP電位評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，進(jìn)一步可能導(dǎo)致CP系統(tǒng)的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)而影響管道的保護(hù)狀態(tài)。對(duì)比測量試驗(yàn)說明了IR降對(duì)CP電位測量與評(píng)估結(jié)果影響的重要性。土壤特性不同會(huì)導(dǎo)致IR降不同，對(duì)評(píng)估結(jié)果影響程度也不同。因此，為準(zhǔn)確測量并評(píng)估CP電位的有效性，必須建立條件測量斷電電位值，消除IR降影響。

表2 通電電位和斷電電位檢測結(jié)果對(duì)比

2.2 金屬干擾物對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響

在站場環(huán)境中，由于建設(shè)期施工等原因?qū)е峦寥乐袣埓媪松倭拷饘俨牧希渑c埋地管搭接構(gòu)成了埋地管陰極保護(hù)的干擾物，對(duì)CP電位測量結(jié)果形成影響，通常工程實(shí)踐中對(duì)此考慮較少。本文通過對(duì)比試驗(yàn)的方法分析了干擾物對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響。試驗(yàn)場中預(yù)埋了站場環(huán)境中較為常見的銅絞線干擾物，材料為紫銅，長度為2m，截面積為300mm2，經(jīng)測試，其自然腐蝕電位為-189mV，銅絞線僅端部與土壤直接接觸，其余部份通過PVC套管與土壤隔離。通過開關(guān)控制干擾接入和斷開，試驗(yàn)示意如圖1所示。保持陰極保護(hù)參數(shù)與2.1相同，在干擾物接入和干擾物不接兩種情形下，分別采用CIPSP/SPP三種方法實(shí)施測量，結(jié)果如圖4所示，數(shù)據(jù)如表3所示。由圖4可知，銅絞線干擾物接入后，無論采用哪種方法測量，其CP電位值相比干擾接入前均有一定程度地升高，說明銅絞線干擾的接入導(dǎo)致了CP電流的損失，降低了陰極保護(hù)效果。由表3可知，干擾接入后，CIPSP/SPP三種方法的測量結(jié)果值分別升高了126mV、121.8mV、89.5mV。此外，干擾物接入后，IR降均有一定的變化，這是因?yàn)榧幢阍陉帢O保護(hù)斷開的條件下，由于干擾物的存在，土壤中依然存在一定的電流，由此形成的IR降未能消除。因此，在站場環(huán)境中，如果存在干擾物與埋地管搭接，不僅降低了陰極保護(hù)的效果，也影響了CP電位測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。受干擾物材質(zhì)的不同及站場環(huán)境不同的影響，其對(duì)陰極保護(hù)效果及CP測量準(zhǔn)確度的影響也會(huì)與本試驗(yàn)有所不同。實(shí)際工程檢測中，須利用技術(shù)手段識(shí)別并斷開干擾物，無法斷開干擾時(shí)，須評(píng)估干擾物對(duì)管地電位測量結(jié)果的影響范圍，以使得CP有效性的評(píng)估更趨準(zhǔn)確。

表3 金屬干擾物對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響

2.3 犧牲陽極對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響

區(qū)域強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和局部犧牲陽極陰極保護(hù)相結(jié)合是站場環(huán)境中較為常見的工程實(shí)踐，但多數(shù)站場中的犧牲陽極難以與管道斷開，影響了CP電位測量的準(zhǔn)確性。本文通過對(duì)比試驗(yàn)的方法研究了犧牲陽極對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響。試驗(yàn)場中埋設(shè)了站場中最為常用的鎂犧牲陽極和鋅犧牲陽極，試驗(yàn)示意如圖1所示，犧牲陽極埋設(shè)位置距離4#號(hào)管道端部延長線以外10m，埋深1.5m，通過開關(guān)控制接入和斷開。經(jīng)測試，鎂犧牲陽極的開路電位為-1.692V（vsCSE），鋅犧牲陽極的開路電位為-1.233V（vsCSE）。保持陰極保護(hù)參數(shù)與2.1相同，分別在不接入犧牲陽極、接入鎂犧牲陽極、接入鋅犧牲陽極三種條件下沿同一管道通過CIPS法實(shí)施CP電位測量，結(jié)果如圖5所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。由圖5可知，犧牲陽極的接入均導(dǎo)致了CP電位變化，鋅陽極和鎂陽極的接入后，斷電電位均有所降低，說明犧牲陽極的投入增強(qiáng)了陰極保護(hù)效果。鋅陽極和鎂陽極對(duì)CP電位的影響有明顯差異，說明了犧牲陽極材料不同CP電位的影響也不同。因此，為準(zhǔn)確測量評(píng)估CP電位有效性，應(yīng)在犧牲陽極和管道的連接中設(shè)計(jì)通斷控制，為準(zhǔn)確測量CP電位提供條件，在犧牲陽極無法斷開的條件下，根據(jù)犧牲陽極材質(zhì)評(píng)估其對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響范圍，提高陰極保護(hù)有效性評(píng)估的準(zhǔn)確性。

表4 犧牲陽極對(duì)CP電位測量的影響分析

3 不同測量方法對(duì)CP電位測量結(jié)果的影響

每種CP電位的測量方法各種優(yōu)缺點(diǎn)。在站場環(huán)境中，最為常用也易于實(shí)施的測量方法是通過配備的測試樁采用P/S法開展測量，但其測量范圍及測量準(zhǔn)確性都有一定的局限性。相比而言，極化探頭法受外界干擾較小[24]，測得的CP電位結(jié)果準(zhǔn)確度較高，但大范圍實(shí)施難度大。本文在2.1～2.3的試驗(yàn)中分別采用CIPS法、PP法、P/S法完成了CP電位對(duì)比測量，測量的均值如表5所示，每種測量方法在每個(gè)點(diǎn)的測量結(jié)果與其均值的偏差率分析如表6所示。結(jié)合兩個(gè)表以及本文前述章節(jié)的電位圖分析可知，各種方法測得的通電電位和斷電電位均存在一定的差值，但差值都相對(duì)較為穩(wěn)定。由表6及本文上述章節(jié)測量的CP電位圖可知，每種測量方法在各點(diǎn)的測量結(jié)果波動(dòng)不大，其相較于均值的平均偏差率都在2%以內(nèi)，因此，不同方法之間的差值波動(dòng)也不大。利用這一特點(diǎn)，在CP電位測量工程實(shí)踐中，在土壤特性相對(duì)較為均勻的站場條件下，可采用極化探頭法在少數(shù)位置點(diǎn)實(shí)施測量，通過極化探頭法校正其它測量方法，在條件受限無法大范圍開展斷電電位測量的條件下，可以測量少數(shù)點(diǎn)的斷電電位，利用通電電位與斷電電位差值波動(dòng)不大的規(guī)律，計(jì)算其它位置的斷電電位值，提高測量效率和測量結(jié)果準(zhǔn)確性。

表5 不同測量方法的測量結(jié)果均值

表6 不同測量方法測量結(jié)果偏差分析

4 防腐層材料及破損對(duì)CP電位分布及其評(píng)估的影響

GB/T 21448《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中明確了陰極保護(hù)必須和防腐層聯(lián)合實(shí)施，規(guī)定了陰極保護(hù)電位區(qū)間，同時(shí)要求關(guān)注到周圍介質(zhì)電阻率變化的影響。防腐層的質(zhì)量與CP電位密切相關(guān)，站場環(huán)境中，同時(shí)存在多種防腐層材料的埋地管道，且隨著服役時(shí)間的增加，防腐層逐漸會(huì)出現(xiàn)降質(zhì)甚至破損。本文通過對(duì)比試驗(yàn)的方法研究了防腐層材料及其破損對(duì)CP電位分布的影響。試驗(yàn)示意圖如圖1所示，選擇1#（環(huán)氧樹脂防腐層）、2#（3PE防腐層）、3#（四油三布防腐層）埋地管開展對(duì)比測量，三根管道并聯(lián)接入陰極保護(hù)系統(tǒng)，恒電位儀采用恒電壓模式，輸出電壓為2.1V，每根管道的輸出電流均為20mA。分別沿三根管道測量管道上方與遠(yuǎn)大地的地表電位差，遠(yuǎn)大地接電壓表正極，管道上方接電壓表負(fù)極，數(shù)據(jù)分析如表7所示，沿管線電位差分布如圖6所示。由表7及圖6可知，在陰極保護(hù)參數(shù)條件完全相同的情況下，管道防腐層不同，其上方地表電位分布不同，防腐層缺陷上方呈現(xiàn)出地表電位差波峰也不同。缺陷大小相同，防腐層材料不同，地表電位差波峰大小也不同。三種防腐層管道中，遠(yuǎn)大地地表電位與3PE防腐層管道地表電位的差值均值最小，環(huán)氧樹脂次之，四油三布最大，這說明了3PE防腐層管道的陰極保護(hù)電流損失最低，環(huán)氧樹脂次之，四油三布最大。這同時(shí)表明，3PE防腐層管道CP電位最負(fù)，環(huán)氧樹脂次之，四油三布最高。同時(shí)，對(duì)比三根管道上方因防腐層缺陷而產(chǎn)生的地表電位差波峰，3PE防腐層缺陷周圍產(chǎn)生的電位差波峰最大，環(huán)氧樹脂次之，四油三布最小。這是因?yàn)椋N防腐層材料的絕緣電阻率不同，絕緣電阻率越高，微弱電流泄漏就越少，缺陷上方地表電位與其它位置地表電位差就越大，形成的地表電位差波峰也越大。綜合上述分析，其它條件均相同的情況下，防腐層絕緣電阻率差異和防腐層破損都會(huì)導(dǎo)致CP電位差異，當(dāng)差異增大時(shí)，可能導(dǎo)致不同管道的CP電位無法同時(shí)達(dá)到有效保護(hù)區(qū)間，使用過高的CP電位又可能導(dǎo)致防腐層剝離，影響了陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)維。基于此，應(yīng)認(rèn)識(shí)到防腐層材料及其破損對(duì)CP電位分布的影響，準(zhǔn)確分析判斷導(dǎo)致局部電位波動(dòng)的原因，將CP電位和防腐層狀態(tài)結(jié)合起來分析，準(zhǔn)確評(píng)估整體CP電位的整體有效性。

表7 防腐層材料對(duì)管地電位影響分析

5 結(jié)語

鑒于站場埋地管服役環(huán)境的復(fù)雜性，影響CP電位測量和評(píng)估的因素很多，如土壤電阻率非均勻分布，雜散電流干擾、構(gòu)筑物屏蔽等，以及各種因素的疊加干擾，均有待于進(jìn)一步研究探索?；诒疚牡南盗性囼?yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）站場應(yīng)建立技術(shù)手段測取CP斷電電位，排除金屬干擾物、犧牲陽極等對(duì)CP電位測量與評(píng)估結(jié)果的影響，充分利用不同測量方法的特點(diǎn)，實(shí)施相互校正，綜合施策提高站場鋼制埋地管CP電位測量與評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性；

（2）站場地下殘留的金屬干擾物與埋地管搭接會(huì)影響CP電位值及CP電位測量準(zhǔn)確性。常見的銅絞線干擾降低了陰極保護(hù)效果，同時(shí)，即便在陰保系統(tǒng)斷開的條件下，由于干擾物無法斷開而導(dǎo)致的IR降依然存在；

（3）區(qū)域強(qiáng)制電流陰極保護(hù)站場中，鎂犧牲陽極和鋅犧牲陽增強(qiáng)了陰極保護(hù)效果，但犧牲陽極如無法與管道斷開，則影響了CP電位測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；

（4）在站場土壤特性相對(duì)均勻的條件下，同種測量方法在不同測量點(diǎn)之間的差值、通電電位與斷電電位的差值，不同測量方法兩兩之間的差值波動(dòng)都不大。為提高站場CP電位測量的準(zhǔn)確性，可通過少數(shù)點(diǎn)實(shí)施極化探頭測量，對(duì)其它測量方法予以校正。對(duì)于難以實(shí)施斷電電位測量的站場，可通過少數(shù)點(diǎn)測斷電電位對(duì)其它位置通電電位測量結(jié)果予以校正；

（5）陰極保護(hù)參數(shù)相同的條件下，防腐層材料及破損都會(huì)導(dǎo)致CP電位分布的差異，防腐層缺陷周圍會(huì)出現(xiàn)較大的地表電位波動(dòng)，防腐層絕緣電阻率越大，地表電位波動(dòng)也越大。工程測量中應(yīng)根據(jù)這些規(guī)律分析局部電位波動(dòng)原因，將CP電位和防腐層狀體結(jié)合起來分析，準(zhǔn)確評(píng)估 CP電位的整體有效性。