導讀

埋地鋼質管道的防腐層電阻率是評價防腐層絕緣性能的重要指標，也是管道陰極保護設計的重要參數(shù)。今天就讓我們通過劉國博士的一篇文章，走近防腐層電阻率（電導率）。感謝您的閱讀！

1.防腐層電阻率（電導率）的定義及測試方法

埋地鋼質管道的防腐層電阻率是評價防腐層絕緣性能的重要指標，也是管道陰極保護設計的重要參數(shù)。管道防腐層絕緣性能涉及到防腐層本身的電阻以及管道對遠地的電阻這兩個概念。防腐層本身的電阻，即防腐層內(nèi)外側之間的電阻，取決于防腐材料的體積電阻率（ ρc,Ω·m）、防腐層的厚度（t, mm）以及防腐層的表面積（A, m2），可用以下公式計算：Rc=ρc*t/A。而管道對遠地的電阻是指電流在管道與遠地之間流動時遇到的阻力。

在國內(nèi)外的諸多標準中，表征防腐層絕緣性能的參數(shù)是一致的，即防腐層電阻率（Ω·m2）或防腐層電導率（S/m2），這兩者互為倒數(shù)關系。但是在各標準中，上述參數(shù)的命名是有區(qū)別的，比如：

在GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》[1]中使用防腐層電導率（S/m2）或防腐層絕緣電阻（Ω·m2）表征防腐層的絕緣性能；

在SY/T 0036-2000[2]中的相關術語是覆蓋層電阻（Ω·m2）；

在GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數(shù)測量方法》[3]中使用的術語是“防腐層電阻率”，具體定義為：防腐層電阻和防腐層表面積的乘積；

在NACE TM0102-2002[4]中使用特定防腐層電導（Specific Coating Conductance，S/m2）評價防腐層對地絕緣性能，它等于埋地管段的對地電導除以該段管道的表面積；

在ISO 15589-1-2015[5]中使用的術語是防腐層平均電阻（average coating resistance，Ω·m2）

在下文中為方便討論，暫用防腐層電阻率（Ω·m2）或防腐層電導率（S/m2）來進行防腐層絕緣性能測試的討論。

多個標準中都推薦使用電流電位法測試外防腐層電阻率或電導率[6]，以對防腐層的絕緣性能進行評價（見圖1）。在測試中向管道施加直流信號，測量由所施加電流（ΔI）引起的平均電位變化（即IR降或電位遷移ΔV），然后計算管道對地平均電阻（ΔV/ΔI）或平均電導（ΔI/ΔV），管道對地平均電阻乘以管道表面積即為防腐層電阻率，管道對地平均電導除以管道表面積即為防腐層電導率。

電流電位法在國內(nèi)外管道業(yè)界廣泛用于新建管道防腐層質量的評價，也用于埋地管道防腐層性能的長期跟蹤監(jiān)測。

在國內(nèi)外標準中，防腐層電阻（率）的內(nèi)涵是不同的。在GB/T 21246-2007[3]中規(guī)定的防腐層電阻是指涂敷有防腐層的金屬構筑物和電解質（土壤）之間的電阻。該定義中沒有明確防腐層電阻是構筑物至防腐層外的遠地之間的電阻，還是構筑物與防腐層外表面電解質（近地）之間的電阻。如果將它理解為構筑物至防腐層外表面電解質之間的電阻，即防腐層內(nèi)外兩側之間的電阻（圖2中Rc），則不含防腐層外表面至遠地之間的電阻。ISO 15589-1-2015[5]提出防腐層電阻是構筑物與遠地之間的電阻（圖2中Rc+Re）。而NACE TM0102-2002[4]提出：（電流電位法測試中）參比電極與管道的距離至少應為1倍管徑。如果在土壤中流向其他結構物的直流電流不影響電位測量，則參比電極可以放置在被測管道的遠地位置。

圖2 管道至遠地電阻組成部分示意圖

本文分析了防腐層電阻率（電導率）的測試原理，對防腐層電阻率（電導率）的本質進行了探討，并對影響防腐層電阻率的參數(shù)進行了討論。

2. 防腐層電阻率（電導率）的實質

2.1 多孔滲透性防腐層

管道業(yè)界早期使用的有機防腐層（石油瀝青、煤焦油瓷漆以及環(huán)氧煤瀝青等）大多屬于吸水率高的多孔滲透性防腐層，在服役較長的年限后發(fā)生老化，出現(xiàn)微孔通路（針孔），在通路中填充了電解質。對于多孔滲透性防腐層，管道的對遠地電阻是經(jīng)過防腐層微孔通路至遠地的電阻與防腐層破損點處裸露金屬對遠地電阻的并聯(lián)值。

圖3 防腐層上的微孔示意圖

如圖3所示，假定某多孔滲透性防腐層的厚度為t，電解質電阻率為ρs，防腐層上的微孔為圓柱形，直徑φ。管道經(jīng)過該微孔至遠地的電阻R由兩部分組成，一部分是微孔內(nèi)電解質路徑電阻（下式中第一部分），另一部分是微孔外表面對遠地的電阻（下式中第二部分）。計算方法如下：

假定防腐層厚度4mm，微孔直徑為0.01mm，則上式中第一部分與第二部分的數(shù)值比為1019:1，即微孔內(nèi)的電解質路徑電阻遠大于微孔外表面對遠地電阻。

又假定一定長度的上述管道防腐層上尺寸如上的微孔數(shù)量為N，且管道上有一個直徑為28.77mm的圓形防腐層破損點（面積為6.5cm2）。則所有微孔路徑的并聯(lián)電阻與破損點對遠地電阻的比值關系如下圖所示。當防腐層中微孔通路數(shù)量遠大于防腐層破損點數(shù)量時，微孔路徑的并聯(lián)總電阻遠小于破損點對遠地電阻。

圖4 微孔路徑的并聯(lián)總電阻與破損點對遠地電阻的比值關系

由以上討論可知，當多孔滲透性防腐層中微孔通路數(shù)量遠大于防腐層破損點數(shù)量時（這種情況對于老化的有機防腐層是常見的），管道對遠地電阻近似等于微孔路徑的并聯(lián)總電阻；且經(jīng)過微孔通路至遠地的電阻的絕大部分位于防腐層兩側之間。

電流電位法利用歐姆定律計算防腐層電阻（ΔV/ΔI）或電導（ΔI/ΔV）。ΔV是由測試電流ΔI所引起的管道至遠地間的電壓降。對于多孔滲透性防腐層管道，當參比電極附近沒有較大的防腐層破損點時，管道至遠地的電壓降主要由防腐層兩側的電壓降構成。防腐層電阻測量結果反映的主要是防腐層兩側之間的電阻。防腐層的絕緣性能取決于土壤電阻率以及微孔的數(shù)量和尺寸。

以上針對多孔滲透性防腐層的防腐層電阻率概念，在管道陰極保護的數(shù)值模擬計算、陰極保護電位和電流的衰減計算以及陰極保護電流需求的計算等方面，都有廣泛的應用。比如在北美管道界陰極保護發(fā)展的早期，曾在實踐中總結出300mV電位遷移（Voltage Shift）準則[7]，即在通電的瞬間管地電位變化量達到300mV就認為管道會得到有效保護。這里的300mV是指位于遠地的參比電極與管道之間的IR降，不涉及管道的極化。基于該準則可對管道的陰極保護電流密度（icp）進行設計計算：

在上述公式中，r'c即為防腐層電阻率。

2.2 非多孔滲透性防腐層

對于絕緣性能優(yōu)異、滲透性很低的防腐層管道，不能采用上述方式闡釋防腐層電阻率。

當較短的非多孔滲透性防腐層管道的表面有多個破損點時，管道對遠地的總電阻等于管道經(jīng)防腐層至遠地電阻與所有破損點對遠地電阻的并聯(lián)值。由于防腐層材料本身的電阻率很高，所以在計算管道對遠地總電阻時通常可以忽略防腐層路徑的電阻。單個破損點的對地電阻可以用下式計算：

從上式可以看到，“防腐層電阻率”取決于土壤電阻率和單位面積上的破損點直徑和。此時“防腐層電阻率”所表征的是防腐層破損點的數(shù)量和尺寸情況，與防腐層本體的電阻沒有關系，防腐層的破損點數(shù)量越多、尺寸越大，“防腐層電阻率”越低。從以上討論來看，“防腐層破損點對地電阻率”是比“防腐層電阻率”更恰當?shù)男g語。

對于非多孔滲透性防腐層管道，防腐層破損點的對地電阻遠低于防腐層本體電阻；而對于多孔滲透性防腐層管道，情況是相反的。以下舉例說明：假定管道長度L=1000m，管徑D=660mm，防腐層厚度t=4mm，土壤電阻率ρs=100Ω·m，管道上有一個直徑d=28.77mm的圓形破損點（面積為6.5cm2），防腐層材料的體積電阻率ρc。則經(jīng)防腐層至遠地的電阻與破損點對遠地電阻的比值近似為：

非多孔滲透性防腐層（如聚乙烯）的ρc都非常高，比如選值為2.6*1010Ω·m，則以上公式計算的比值為27.76，即防腐層路徑電阻大于破損點對地電阻。多孔滲透性防腐層的ρc取值較小，比如取2.5*108Ω·m，以上比值計算結果為0.2776。基于以上前提，對于非多孔滲透性防腐層，大部分陰極保護電流通過防腐層破損點導通；而對于多孔滲透性防腐層，陰極保護系統(tǒng)的電流會有很大部分通過防腐層導通。

3. 防腐層電阻率測試的一些影響因素

3.1 衰減效應

對于很長的管道，防腐層上的破損點總數(shù)量逐步累積增加時，根據(jù)公式（5）防腐層電阻率會逐步降低直至接近于零。這個結論顯然是不正確的。公式（5）僅針對較短或衰減效應較小的管道，在它的推導過程中忽略了管道的衰減效應。

利用電流電位法測量較長管道的防腐層絕緣性能時須考慮沿管道的衰減效應。電流電位法利用通電電位與斷電電位之差所確定的管道表面至遠地之間的IR降，即由外部直流電流引起的電位遷移ΔV（Potential Shift），來計算管道對遠地的電阻。理論上來說，管道上所有的破損點都對該電位遷移ΔV值有影響，但破損點距離參比電極越遠，它對電位遷移ΔV的影響就越小。圖5展示了電位遷移ΔV測試的原理。在圖5中，參比電極放置在遠地測量管道的通電電位和斷電電位。在饋入測試電流恒定的情況下，管道的長度越長（破損點越多），通過參比電極測算出來的電位遷移ΔV越小，但是當管道長度達到臨界值后，繼續(xù)增加管道長度對電位遷移ΔV不再有影響。

圖5 電位遷移的示意圖

以上所描述的衰減效應可以借助傳輸線衰減公式進行計算研究。假定鋼質管道外徑660mm，壁厚7.1mm，鋼材電阻率18μΩ·cm，土壤電阻率50 Ω·m。將參比電極固定在管道左側起始端測算電位遷移ΔV（見圖5）。根據(jù)以下設定的不同工況，計算防腐層破損面積大小對所測算電位遷移ΔV的影響：

管道沿線均布防腐層破損點，每1km有一個面積為100cm2的防腐層破損點

管道沿線均布防腐層破損點，每1km有一個面積為5000cm2的防腐層破損點

圖6展示的是通過計算確定的防腐層破損面積對電位遷移ΔV的影響。圖中橫坐標是管道的長度，考察的起始長度為10km；縱坐標是不同破損情況下參比電極測算電位遷移ΔV與管道長度只有10km時的電位遷移ΔV的比值。由圖中曲線可以看到，當管道的長度達到某臨界長度后，再增加管道的長度，電位遷移ΔV幾乎不再發(fā)生變化；且防腐層的絕緣性能越差，該臨界長度越短。這意味著參比電極測算電位遷移ΔV的采樣范圍是有限度的。對于涂敷良好的管道，該采樣范圍可能達到上百公里。

圖6防腐層破損點尺寸對測量IR降的影響

管道防腐層絕緣性能越差，破損點越多，則電流、電位的衰減越嚴重，衰減系數(shù)越大。這也是圖6中防腐層破損嚴重情況下參比電極測算電位遷移的采樣范圍較短的原因。同樣的，土壤電阻率對上述采樣范圍也有重要影響，土壤電阻率越低，管道的衰減系數(shù)越大，采樣范圍越短。

考慮了衰減效應的電流電位法可以對較長的管段的防腐層絕緣情況進行定性評估。如圖7所示，在陽極地床的位置，管道的電位遷移ΔV是最大的。自陽極地床位置往管道的遠端方向，電位遷移逐漸變小。在陽極地床對應的管道位置測量電位遷移（單點測量法），計算得到的防腐層電阻率是很長范圍內(nèi)管道防腐層絕緣性能的整體反映。

圖7 管道沿線電位遷移的衰減

對較長的、衰減明顯的管道的某一管段的防腐層進行評價時，應使用兩點或多點測算電位遷移，此時應使用多點的數(shù)據(jù)繪制電位遷移曲線，然后用積分的方法計算防腐層電阻率；也可以假定兩點之間的電位遷移衰減曲線為線性，用兩點的平均電位遷移來計算防腐層電阻率。

圖8所示即為使用兩點法進行防腐層電阻率測算的原理圖，在①和②位置分別測量管中電流、電位遷移，然后對兩處的電位遷移求平均值，進而可以得到管道相對于遠地的防腐層平均電阻率。為便于對敷設于不同電阻率環(huán)境中的管道防腐層的絕緣性能進行比較，可利用防腐層電阻率與土壤電阻率呈正比的特性，將測量得到防腐層電阻率進行歸一化處理，即轉化為土壤電阻率為1000Ω·cm時的防腐層電阻率。

圖8 管段防腐層電阻率測算（兩點法）的原理圖

在NACE TM0102-2002中還提供了采用電位或電流衰減計算防腐層電導率的方法。電位衰減和電流衰減計算管道的衰減系數(shù)公式如下：

其中，L是測點a與b之間的距離（m）；是所測管段的衰減系數(shù)。和是測點的電位遷移（V）和管中電流（A）。

所測管段的防腐層電導：

其中，r是單位長度管道的縱向電阻（Ω）；是所測管段的防腐層電導（S）。

得到防腐層電導后，就可以計算該段管道的防腐層電導率。

圖9所示為某長輸管道受特高壓直流輸電工程（HVDC）單極大地回線運行干擾時的通電電位分布情況。HVDC接地極距離管道里程60km處的測試樁最近，當接地極陽極性放電1200A時，接近接地極的管段受陽極干擾，管道通電電位負向偏移；而遠端管道排放直流干擾電流，電位正向偏移。管道上電位為-0.6Vcse左右的位置即為陽極干擾和陰極干擾的分界點。在本案例中受陽極干擾的管段長度為97.4km，即兩個分界點之間的管道長度為97.4km。利用事先安裝在兩個分界點附近的霍爾效應電流環(huán)測算得到分界點之間管段吸收的直流干擾電流為43A。在管道吸收電流的管段，由于管道沿線的大部分測試點的通電電位中的IR降（電位遷移ΔV）都遠遠大于極化電位絕對值，所以可認為通電電位近似等于電位遷移。使用數(shù)學工具對管道受干擾狀態(tài)時沿線的IR降進行曲線擬合和積分計算，得到該段97.4km的管道的3LPE防腐層電阻率為2.46×105 Ω·m2。

該防腐層電阻率數(shù)值的測算案例，可能是至目前為止“測試”管段長、“測試”電流最大的一組現(xiàn)場數(shù)據(jù)。該測試結果受沿線土壤電阻率、參比電極放置位置等因素的影響，僅可作為定性的參考值。

圖9 HVDC單極大地回線方式運行對管道沿線通電電位的影響

3.2 土壤電阻率的影響

由上文中的討論可知，無論是多孔滲透性防腐層還是非多孔滲透性防腐層，其防腐層電阻率都受土壤電阻率的直接影響。當管道埋設環(huán)境土質均勻時，使用均一的土壤電阻來計算防腐層電阻率是可行的。但對于定向鉆穿越管道，管道的埋深較深、可能穿越電阻率迥異的地層（如，粘土、砂土、卵石或巖石層等），此外定向鉆孔中的管道被電阻率很低的泥漿包覆，如果使用在地表測量得到平均土壤電阻率來計算定向鉆管道的防腐層電阻率，將帶來不可預測的誤差。

3.3 參比電極位置的影響

在國內(nèi)的幾個標準中的電流電位法中，均沒有明確測試中參比電極的放置位置是遠地還是近地；在ISO 15589-1-2015中使用的是遠地參比電極方法。

無論在陰極保護的數(shù)值模擬計算、陰極保護電位和電流的衰減計算，還是陰極保護電流需求的計算時，都需要使用管道相對于遠地的電阻（率）。因此在使用電流電位法測算防腐層電阻率時，應將參比放置在遠地的位置。

在現(xiàn)場實踐中，如果參比電極未放置在遠地，那么通過參比電極測算得到的電位遷移（IR降）就會偏小，進而會得到較實際值偏小的防腐層電阻率。在對定向鉆管道開展電流電位法測試時，還應注意參比電極要遠離入土和出土段管道上的破損點，以避免測量數(shù)據(jù)受到影響。

3.4 管道極化時間和程度的影響

現(xiàn)有的研究表明，管道防腐層破損點在發(fā)生陰極反應時，金屬與電解質界面會呈現(xiàn)堿性，在土壤中特定離子的影響下，破損點周邊電解質的局部電阻率可能出現(xiàn)顯著下降或上升。這意味著在開展電流電位法測試時，如果管道的通電時間過長或電流過大，可能造成防腐層破損點周邊的電阻率發(fā)生變化，進而令測算得到的防腐層電阻率出現(xiàn)誤差。

下圖所示是陰極極化對試片接地電阻的影響。在考察極化對試片接地電阻的影響時，首先使用三極法測試與管道未電連接的試片的接地電阻，然后將試片連接至管道，令其發(fā)生陰極極化，在極化一段時間后再次測試其接地電阻。在圖10所示6個測試地點的數(shù)據(jù)中，有5處的接地電阻在極化后出現(xiàn)明顯的下降。這是陰極極化令試片周邊局部土壤電阻率下降導致的。

圖10 陰極極化對試片（1cm2）接地電阻的影響

此外施加臨時直流電流對一段管道進行電流電位法測試時，隨著通電時間延長，防腐層破損點的極化增大，即便局部土壤電阻率沒有發(fā)生變化，破損點對遠地IR降也往往會逐步下降。這樣測算得到的防腐層電阻率也會逐步降低。

基于電流電位法的測試原理，應使用在通電的瞬間測量得到電位遷移（IR降）來計算防腐層電阻率，此時測試電流的大小對測試結果不會有影響。但是這種測量方式只能得到?jīng)]有陰極保護或陰極保護電流密度很低情況下的防腐層電阻率。長期受到良好陰極保護的管道，在陰極電流的影響下其防腐層電阻率可能與陰極保護投運初期時的數(shù)值有明顯不同。

4.討論與結論

多孔滲透性防腐層和非多孔滲透性防腐層的“防腐層電阻率”的實質是完全不同的。對于多孔滲透性防腐層，防腐層電阻率表征的主要是防腐層兩側之間的電阻與防腐層面積的乘積；而對于非多孔滲透性防腐層，防腐層電阻率表征的是管道防腐層破損點的并聯(lián)對地電阻與防腐層面積的乘積。

對于非多孔滲透性防腐層， “防腐層電阻率”表征的是防腐層上破損點的數(shù)量與尺寸的大小等因素。不過這并不妨礙使用“防腐層電阻率”這個參數(shù)來評價管道防腐層的性能，防腐層上破損點的多少及尺寸的大小，也可以反映管道的防腐層的絕緣有效性。優(yōu)異的防腐層（如3LPE）上的破損點較少、面積也較小，它的破損點混合并聯(lián)電阻值較大，計算得到的防腐層電阻率也較大。

環(huán)境介質電阻率對電流電位法測算得到的管道防腐層電阻率有直接的影響。鑒于管道可能穿越不同土質的地層、陰極極化可能令破損點周邊局部電阻率發(fā)生變化、定向鉆穿越管道往往被電阻率很低的泥漿包覆，使用電流電位法測算得到的防腐層電阻率僅可以作為一個定性指標，無法定量的評價防腐層的絕緣性能。

進行電流電位法測試時，通電測試的時長對測試結果也存在影響。隨著通電時間延長，破損點處管道的極化增大，破損點對遠地IR降會逐步下降。這樣測算得到的防腐層電阻率也會逐步降低。

在進行電流電位法測試時，應將參比電極放置在管道的遠地位置，且要避免近鄰破損點對測量結果造成影響；對于較長的、衰減效應明顯的管道，在測試時需要考慮管道的衰減效應。

防腐層電阻率參數(shù)在當前管道界有廣泛的應用，雖然該方法存在缺陷，測量結果有很大的不確定性，但就目前技術的現(xiàn)狀來看，尚沒有更好的方法可以替代它。業(yè)界需要開展更多的工作，深入研究土壤電阻率、極化等因素對防腐層電阻率測試的影響，進一步優(yōu)化該測試方法。

參考文獻

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[7] NACE RP0169-69. Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].

作者簡介

劉國博士

北京凱斯托普科技有限公司

法國里爾科技大學工學博士

NACE國際認證陰極保護專家（CP4）

NACE國際陰極保護課程講師

NACE國際亞太區(qū)技術協(xié)調聯(lián)絡員