1   概述

    對陰極保護有效性的評價，主要有斷電電位（極化電位）負于-850 mV、-100 mV極化兩個判據。滿足兩個判據中的任何一個，管道的陰極保護即為達標［1］。無論使用哪個判據，都需要對管道的電位進行正確測量，否則會造成誤判。土壤的電位梯度、雜散電流等，會對電位測量結果產生很大影響。試片法能夠有效降低外界環境對電位測量的影響，是目前最直接有效的方式。近幾年來，新建的燃氣管道一般都會在測試樁的下方埋設試片，在測量試片電位的同時，還能夠監測管道的腐蝕狀況。

    2   電位測量技術原理

    電位測量時，萬用表的負極與參比電極（一般為銅/飽和硫酸銅參比電極，CSE）相連，正極與管道相連，參比電極與土壤充分接觸，此時萬用表的讀數為管道的電位。該電位表示的是參比電極附近埋地管道防腐層破損點的綜合電位，并不代表管道的整體電位，在管道不同的位置，測得的結果不同。

    管道施加陰極保護后，陰極保護電位測量見圖1。電位測量回路中，除防腐層破損點的電位V外，還包含陰極保護電流在土壤中產生的電壓降Vdrop，計算式為：

圖1   陰極保護電位測量

    參比電極與管道的距離、陰極保護電流大小、土壤電阻率、防腐層破損點面積等直接影響IR。

    為了得到管道的真實電位，由式（2）可知，需要降低IR。最常用的方法為斷電測量法。通過斷開陰極保護的輸出電流，使IR（I=0）變為零，斷開瞬間的電位Voff（一般稱為斷電電位）與管道的真實電位V是相等的。

    在很多情況下，管道不具備斷開陰極保護電流的條件，不能使用斷電測量法。為此，可以在管道上連接一個試片，用試片來模擬管道上防腐層的破損點，用試片的斷電電位代表管道的斷電電位。試片法測量時，通過斷開試片與管道的連接，斷電的瞬間讀取試片的電位，該電位為試片的斷電電位，該電位即為管道的斷電電位。

    3   試片法的應用

    ①犧牲陽極保護方式的電位測量

    a.試片法提出背景

    在城鎮燃氣中，管道分支、管道規格較多，不能形成良好的電連續性，所以多采用犧牲陽極陰極保護方式，為了使管道表面的陰極保護電流分布均勻，會安裝多組犧牲陽極。測量斷電電位時，所有犧牲陽極無法進行同步通斷，斷開一組陽極的連接，其他未斷開的犧牲陽極仍會在土壤中形成IR降，無法獲得管道的斷電電位。雖然可以使用GPS同步通斷器對多組犧牲陽極進行同時通斷，但通斷器一般采用晶體閘，斷開時的電阻不是無窮大，如果管道防腐層的質量較好，管道的接地電阻與晶體閘的電阻接近，同步斷開時，仍會有陰極保護電流通過，不能實現斷電測量。目前，城鎮燃氣管道的陰極保護電位測量，很多業主、檢測單位都直接采用通電電位，存在很大的不合理性。

    b.試片法測斷電電位方法

    試片法可以解決以上不能有效通斷的問題。試片法測斷電電位方法見圖2。在管道上方埋入試片，試片的埋深盡量接近管道的埋深。在測試樁里引出管道連接線，通過開關與試片連接，試片連接線與萬用表正極相連，萬用表負極與參比電極相連。接通開關，陰極保護電流使試片發生陰極極化，試片的電位開始負向偏移，極化15~30 min后，關閉開關的瞬間，萬用表的讀數為試片的斷電電位。

圖2   試片法測斷電電位方法

    c.天津某管道的電位測量

    管道采用犧牲陽極保護，管道規格DN 200 mm，管道防腐層的類型為3PE，管道材質Q235，犧牲陽極直接焊接在管道上，管道每1 km安裝測試樁，測試樁中只有管道連接線。天津某管道的電位測量結果見表1（表中參比電極為CSE）。

表1   管道電位測量結果

    從表1可以看出，A3測點、B3測點，雖然管道的通電電位比-850 mV更負，但斷電電位不達標，兩個測點所在的管段處于欠保護的狀態，管道面臨腐蝕風險。

    d.采用試片法測量的必要性

    由陰極保護電流產生的IR降，通電電位一般都會偏負；如果管道受到直流雜散電流干擾，雜散電流的方向由管道進入土壤，此時雜散電流產生的IR降會使通電電位偏正。實際上，通電電位的結果中包含了復雜的IR降，目前對IR降的測算、研究還處于起步階段，所以在不能提前已知IR降的情況下，采用通電電位是不合理的。

    犧牲陽極的電壓場也會對測量結果產生一定的影響。在測試樁下方，會有犧牲陽極與管道相連，在測量電位時，如果不關注犧牲陽極的具體位置，很容易把參比電極放在犧牲陽極的電壓場范圍內，造成通電電位異常偏負，而試片法基本不受犧牲陽極電壓場的影響。

    ②雜散電流干擾時的電位測量

    交直流輸送線路、城市軌道交通、高速鐵路是油氣管道的主要雜散電流干擾源。管道受到雜散電流干擾后，易造成管道電位異常、恒電位儀輸出異常等問題，使陰極保護系統不能有效地為管道提供保護。

    a.管道電位異常

    管道電位測量時，管道與參比電極之間相當于一個電容和一個電阻組成的串聯電路，通過測量串聯電路兩端的電壓，就可獲得管道的電位。當管道受到雜散電流干擾后，雜散電流會在電容上形成充放電過程，同時會在電阻上形成電壓降，導致電位出現上下波動，波動的大小與雜散電流的強度相關。

    試片的面積一般較小，雜散電流對試片電位的影響要小于對管道的影響。由雜散電流引起的IR降絕大多數集中在土壤的水平方向上，在測量過程中，參比電極與試片的相對位置容易調整，當參比電極放在試片的正上方時，土壤中水平方向的雜散電流對試片電位測量的影響很小，在垂直方向上不會有IR降的存在。所以在管道受到干擾時，試片法能夠極大地降低雜散電流的影響。試片的通電電位由于與管道直接相連，電位也會出現明顯波動，但試片與管道斷開后，試片不再受管道中流動的雜散電流影響。

    b.恒電位儀輸出異常

    采用強制電流陰極保護時，恒電位儀的電位采集直接影響著管道的陰極保護效果。電位的采集，是恒電位儀控制輸出的基本前提，如果電位的采集出現問題，管道的陰極保護效果會受到影響。恒電位儀在安裝時，一般會管道上方埋設參比電極，參比電極用來采集管道的電位，通過電位信號的反饋控制陰極保護電流的輸出。就目前國內的恒電位安裝情況來看，電位的采集主要是采集管道的通電電位。

    管道受到雜散電流干擾后，管道的電位會發生明顯波動，恒電位儀采集的電位會偏離管道的真實電位，導致恒電位儀的輸出異常。如果參比電極的位置是雜散電流的流入點，采集的電位會明顯偏負，甚至能達到-1 200 mV以下。對于恒電位儀來說，采集的電位滿足判據時，恒電位儀將處于關機或無輸出的狀態，而此時管道上并沒有陰極保護，管道處于腐蝕風險之中，如果雜散電流較強，管道很容易發生腐蝕穿孔。

    在管道電位出現明顯波動時，恒電位儀可以采集試片的電位。試片的抗干擾能力較強，恒電位儀通過采集試片的電位，能夠有效降低雜散電流對采集信號的影響，保證恒電位儀的正確輸出。

    4   試片法的影響因素分析

    ①土壤含氧量的影響

    對于新建工程，試片會與犧牲陽極一起埋設，試片所處的土壤環境與管道保持一致，在陰極保護投產后，試片的極化狀況與管道基本相同。但對老舊燃氣管道，試片沒有與犧牲陽極同時安裝，測試樁內沒有試片引線。此時需要將試片埋入土壤中進行測量。

    試片的極化曲線測量結果見圖3（所用參比電極為CSE）。由極化曲線可知，試片在土壤的陰極反應過程為氧的擴散控制，氧的含量和擴散情況，直接影響試片的斷電電位。試片表面電化學反應過程中，氧的還原過程需要環境（土壤）中的氧通過擴散進入到反應表面，在所有反應步驟中，氧的擴散速度最慢，就整個反應過程而言，氧的擴散速度決定了腐蝕速率。當陰極保護電流到達試片表面后，氧的還原過程需要的時間較長，不能迅速消耗陰極保護電流，導致電位快速變負。從極化曲線來看，只需要很小的陰極保護電流，試片的電位就能出現顯著的負向偏移。試片周圍的氧濃度越低，越容易發生陰極極化。

圖3   試片的極化曲線測量結果

    試片與管道斷開后，試片表面的雙電層所帶的電荷不會迅速消失，而是通過反應逐漸消耗，在斷電瞬間，雙電層附近的電荷使試片電位不會過快地正向偏移。

    對一段犧牲陽極保護的管道進行電位測量，極化時間20 min，測量過程中改變試片的土壤環境，不同土壤環境對試片電位的影響見表2（表中參比電極為CSE，環境條件從上往下含氧量逐漸增大）。

表2   不同土壤環境對試片電位的影響

    由表2可以看出，試片所處的環境對試片斷電電位影響較大，而對試片通電電位影響相對較小。這是因為試片的面積要遠遠小于管道的表面積，犧牲陽極提供的陰極保護電流足以使試片發生陰極極化，試片周圍的含氧量對通電電位影響不大。

    淺埋后澆入H2O2溶液（稀）條件下，試片斷電電位隨時間的變化曲線見圖4（所用參比電極為CSE，從斷電瞬間開始計時）。在澆入H2O2溶液的條件下，氧的擴散速度明顯增加，擴散控制步驟減弱，試片表面的Fe迅速轉變成離子態Fe2+，電位正向偏移。隨著時間的延長，H2O2的氧化能力逐漸減弱，試片的電位逐漸負向偏移。

圖4   淺埋后澆入H2O2溶液（稀）條件下試片斷電電位隨時間的變化曲線

    試片周圍的含氧量對試片的斷電電位影響極大，從表2可以看出，隨著試片周圍含氧量的升高，試片斷電電位逐漸向正向移動。管道在敷設過程中，一般都會經過夯實處理，管道周圍的土壤中氧的含量較低，更容易發生陰極極化。所以在使用試片過程中，應控制試片周圍的土壤環境，降低含氧量的影響。

    ②土壤pH值的影響

    根據電位與pH值的關系可知，腐蝕介質中的pH值越小，金屬的電位越容易向正向偏移。因為介質中的H+越多，金屬表面會有更多的H+參加反應，H+是很強的去極化劑，同時H+很容易到達反應表面，不會有明顯的控制步驟。

    大量H+的存在會使陰極極化曲線變得平滑，極化阻力降低，當陰極保護電流不能夠抵消H+的還原過程時，陰極保護是無效的。實驗表明，當管道周圍土壤的pH值<4時，陰極保護一般很難達到預期效果。

    試片周圍土壤的pH值較低時，試片的斷電電位會偏正。遇到該種情況時，應增加試片的極化時間，使試片周圍土壤H+不斷消耗。目前國內絕大多數的土壤pH值為6.4~9.5，不會對試片的電位測量產生較大影響。但如果在化工廠、煉廠等區域進行陰極保護評價時，應先對土壤的pH值進行測量。

    ③交流雜散電流的影響

    管道受到交流雜散電流干擾后，管道腐蝕加快，防腐層破損點周圍的離子濃度增加，導致破損點位置附近的土壤電阻率降低。由歐姆定律可知，破損點位置的電阻降低，會有更多的陰極保護電流流向破損點位置，陰極極化程度增強。陰極極化過程中，由于還原反應，破損點附近土壤中的OH-離子增多。OH-的增多會降低土壤電阻率，陰極保護電流進一步增大。所以交流雜散電流的干擾，往往會在防腐層破損點位置形成強堿性環境。

    由于試片模擬管道的防腐層破損點，陰極保護電流的增大，會使試片的電位出現明顯的負向偏移。如果極化時間比較短，試片周圍不能形成穩定堿性環境，在斷電的瞬間，由于電流的不平衡性，電位會出現一個正向的脈沖峰，該值為-600~-100 mV，如果使用該值對管道的陰極保護狀況進行判斷，明顯是錯誤的。所以在遇到較強的交流雜散電流后，應使試片極化足夠時間，在斷電瞬間約200 ms后，再進行讀數。

    另外，在受到雜散電流干擾后，可以采用環形試片，最大限度地降低雜散電流在土壤中流動形成的電位梯度。

    ④試片面積的選擇

    根據試片法的電位測量原理，試片的面積應該與防腐層破損點的面積接近，但埋入地下的管道是無法得知破損點面積的。試片面積還與管道防腐層的類型有著直接關系。管道防腐層的質量越好，出現破損的概率越低，破損點面積的期望值也越低。根據多年的檢測經驗，試片面積應該在6.5~50 cm2，對于3PE防腐層，試片面積在4.0~6.0 cm2，試片的材質應與被測管道的材質接近。

    ⑤陰極保護判據的選擇

    利用試片的斷電電位對管道的陰極保護效果進行評價，選擇-850 mV判據是沒有任何問題的。-100 mV極化的判據，目前存在很大爭議。筆者認為，-100 mV極化的判據是無法使用的，一方面，試片與管道的自然電位差別很大，試片周圍土壤比較干燥、埋深較淺時，-100 mV極化的判據無法保證管道的斷電電位能達標；另一方面，如果試片的表面狀態傾向于使電位正向偏移時，例如表面氧化、雜散電流干擾等，-100 mV極化的判據也不能使用。

    5   結論

    ①試片模擬管道防腐層的破損點，通過測量試片斷電電位，對管道的陰極保護進行評價。試片法解決了復雜情況時，不能進行管道斷電電位測量的難題，就陰極保護判據而言，利用管道通電電位對陰極保護進行評價是不合理的。試片法可有效降低雜散電流的干擾，恒電位儀可以采集試片的電位，有效保證恒電位儀的輸出。

    ②使用試片法時，應注意試片周圍土壤的狀況。在化工區、煉廠區等特殊區域，土壤會呈現酸性，使用試片時，應對土壤的pH值進行測量，試片應充分極化，降低H+對斷電電位的影響。

    ③在遇到交流雜散電流干擾時，斷電的瞬間后，應該延遲200 ms再進行讀數，降低交流雜散電流去極化作用對測量的影響。

    ④試片的面積應該在6.5~50.0 cm2，對于3PE防腐層，試片的面積取4.0~6.0 cm2，試片的材質應與被測管道的材質接近。在使用試片法時，可使用-850 mV判據，盡量不要使用-100 mV極化的判據。

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責任編輯：王元

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