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1 如何正确读取管道的断电电位 How to Get the Real Off‐Potential of Pipeline 冯洪臣 王飞 邱政权 Feng hongchen Wang Fei Qiu zheng quan 廊坊市瑞博管道技术有限公司 河北 LangFang RainBow Pipeline Technologies Ltd. Hebei 摘要：随着阴极保护行业水平的不断提高，从业者正在从过去的通电电位管理模式转向断电电位管理模式。断电电位的确定，不仅因人而异，而且使用不同的仪器也会得到不同的结果，其误差之大，已经影响到标准的正确应用。因此，有必要建立一套正确的测量方法和程序，使标准规定的指标得到正确的落实。本文就管道断电电位的测量方法进行了阐述，希望引起有关人员的重视，并在以后的阴极保护管理工作中加以研究和评价。 Abstract：AlongwiththedevelopmentofCathodicprotectionindustry,peoplehaveknownthatthepipelineOff-potentialneedstobemonitored,nottheOn-potential.WhenmeasuringtheOff-potential,wehavefoundthatthereadingisnotonlyinfluencedbypeople,toalargeextent,itisinfluencedbytheinstrumentormethodused.TheerrorissolargethatmakestheapplicationofCPcriteriaimpossible.Inthispaper,themethodsarediscussedandhopeitwillraisepeople’sawarenesstothisproblem. 关键词：极化电位 断电电位 IR降 Keyword: Polarized Potential Off‐potential IR Drop 一、引言 为了正确理解阴极保护规范中所提及的保护指标，准确的理解本文中所涉及的内容，首先应对以下术语的含义进行了解。 1.自然电位：将金属放到电解质中，如土壤，金属和电解液界面上会形成双电层，该双电层之间的电压为自然电位。该电压可以在管道阴极保护启用前，用万用表和参比电极测得。当管道受到杂散电流干扰时，无法测得正确的自然电位。 2.通电电位：当阴极保护电源启用后，用参比电极和万用表测得的管道对地电位为通电电位。 3.阴极极化：阴极保护电源启用后，电流会从土壤中流向管道，导致金属与电解质界面上的双电层充电，电压升高，我们把电压的改变量定义为阴极极化。 4.极化电位：金属与电解质界面上的双电层，充电以后所达到的电压值称为极化电位。 5.电位中的IR降：当阴极保护电流从土壤中流过时，土壤的电阻上会产生电压降，我们把该电压降称为IR降。通电电位读数中，含有部分IR降。 6.断电电位：阴极保护是否满足规范要求，是根据极化电位来判断的。为了获得管道的极化电位值，瞬时中断阴极保护电流，此时，电位的读数中不含IR降。我们把断电瞬间测得的构筑物对电解质电位称为瞬时断电电位，其数值等于管道的极化电位。 7.参比电极：为了保证电位数据的稳定性和重复性，在电位测量时，万用表通过参比电极与电解液接触。土壤中常用的参比电极位饱和硫酸铜参比电极。 8.阴极保护准则：规范中，对于不同情况下管道的极化电位应达到的数值进行了规定，2 该电位值即为阴极保护需要满足的指标或准则。 二、阴极保护测量中的IR降 该图中，V1 是管道的自然电位，V2 是管道的阴极极化，V1+V2 是管道的极化电位，数值上等于管道的断电电位Voff，V1+V2+IR 为管道的通电电位Von。 图 1 阴极保护测量中的IR 降 Fig1IRDropinCathodicProtectionSystemMeasurement 三、国标GB/T21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》阴极保护准则 1.一般情况下：1)管道阴极保护电位（即管/地界面极化电位，下同）应为-850mVCSE或更负。2)阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1200mVCSE更负。3)对高强度钢（最小屈服强度大于550MPa）和耐蚀合金钢，如马氏体不锈钢，双相不锈钢等，极限保护电位则要根据实际析氢电位来确定。其保护电位应比-850mVCSE稍正，但在-650mVCSE至-750mVCSE的电位范围内，管道处于高pH值SCC的敏感区，应予注意。4)在厌氧菌或SRB及其它有害菌土壤环境中，管道阴极保护电位应为-950mVCSE或更负。5)在土壤电阻率100Ω.m至1000Ω.m环境中的管道，阴极保护电位宜负于-750mVCSE；在土壤电阻率ρ大于1000Ω.m的环境中的管道，阴极保护电位宜负于-650mVCSE。2.特殊情况下：1)当以上指标难以达到时，可采用阴极极化或去极化电位差大于100mV的判据。注：在高温条件下、SRB的土壤中、存在杂散电流干扰及异种金属材料偶合的管道中不能采用100mV极化指标。 实际工作中，通常采用的是极化电位在‐850mVcse 到 ‐1200mVcse 之间；阴极极化大于100mV。因此，如何获得准确的极化电位值，对于评价管道的阴极保护是否满足规范要求，至关重要。 3 四、IR降去除方法及存在的问题 1.断电电位直接测量： 当管道没有受到杂散电流干扰时，简便的方法是对管道的阴极保护电源进行同步通断，然后，在测试桩上测量管道的通、断电位Von 和Voff 或对管地电位进行密间隔测量。 但这种方法受到以下因素的影响。 1)所有阴极保护电源必须同时通，同时断，一般是用GPS进行同步通断，误差要小于0.001s，。 2)当管道受到杂散电流干扰时，由于无法中断杂散电流，该方法不适用。 3)当管道上同时有牺牲阳极、镀锌扁钢接地系统时，该方法不适用。 4)受牺牲阳极保护的管道，该方法不适用。 2.试片法断电电位测量： 为了克服电源同步中断进行电位测量的局限性，几年来，试片电位法得到了发展。该方法的原理是用试片模拟管道防腐层破损点，实际测量试片的断电电位。 图 2 试片法断电电位测量原理 Fig2CouponOff-PotentialMeasurementMethod 如图所示，试片埋设在管道附近，平时通过导线与管道连接，同样接受阴极保护电流及杂散电流，得到保护。参比电极靠近试片安装。测量时，万用表负极接参比电极，正极与试片连接。此时读取的通电电位为试片和管道通电电位的综合值。断开试片与管道的连线，读取此刻的试片电位值，即为试片的断电电位。该断电电位代表此处管道上同样大小的防腐层参比电极挂片4 缺陷点的极化电位。 通过对断电电位数据的分析发现，试片读取的断电电位值比同一位置管道的上读取的断电电位值偏负，试片面积对断电电位的影响不大，具体原因还需要进一步研究。另外还发现，尽管试片的通电电位变化幅度比较大，但试片的断电电位相对稳定，如图所示。 （该图由大鹏LNG孙舫提供） 图 3 试片的断电电位与通电电位 Fig3CouponOffPotentialvsOnPotential 五、如何正确读取断电电位 断电后，什么时刻的电位是断电电位？是IR降为零时的电位为断电电位？还是断电一段时间之后的电位是断电电位？电位采集频率多大合适？这些因素直接影响着断电电位的正确测量。通过研究发现，不论用何种方式测量断电电位，断电电位的确定不但和测试人员的经验有关，而且和测量仪表关系更大。对于阴极保护电位达标的管道，当用万用表进行断电电位测量时，得出的断电电位很可能不达标。因此，必须对断电电位的定义，测量方法、读数频率进行规范，采用统一的方法和程序，才能获得正确的断电电位。如图所示。 111号测试桩同步通断曲线700750800850900950100010501100020406080100120140160180200220240260280300320340360380400420440460480500时间（单位ms）电位（单位-mV） （该图由青岛千禾马书江提供） 图 4 管道的去极化过程 5 Fig4DepolarizationofPipelinePotential 根据国标GBT21448‐2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》对断电电位的定义是“断电瞬间测得的构筑物对电解质电位，通常情况下是在阴极保护电源切断后，极化电位尚未衰减前读取的电位” 当电位测量频率达到每秒100次时，断电的瞬间测到的电位是一条斜线。按着断电电位的定义，在该斜线由直线向弧线转换的位置，是管道的断电电位。由于通断器完全断开电路，电流降为零需要约40ms，该位置应在断电后40‐60ms内。如图所示，该测试桩的断电电位应该是断电后40ms位置的电位，数值为940mV。 但在国标GBT21246‐2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》中，要求电源断电后0.5‐1.0s之间的电位值作为断电电位值。至少在我们的试验中，证明该规定是不符合断电电位定义的。因为在0.1s内，电位已经衰减了很大一部分，如果在0.5‐1.0s之间读取的电位作为断电电位， 该电位与定义所说的断电电位相差甚大，完全改变了对阴极保护效果的评价结论。在我们给出的曲线中，如果读取0.5s以后的电位值则为‐800mV。对于该位置，将得出保护充分和欠保护两个截然不同的结论。而根据Peabody 编写的《埋地管道腐蚀控制》，断电电位应该在断电后0.2s‐0.5s内读取，也远大于断电电位定义所描述的断电电位。这就出现了一个问题，到底哪个电位是规范中所指的断电电位。如果搞不清断电电位是什么，很可能对于一条保护充分的管道，得出欠保护的结论。 在阴极保护日常管理中，多数情况下使用万用表进行电位测量，由于万用表采样频率低，型号各异，所测量的断电电位基本上是断电0.5s后的电位，而且读数也是五花八门。对于阴极保护管理的意义是，该值非常保守，使我们的读数总在较安全的一侧，但不好的后果是往往将保护充分的管道判定为欠保护，增大了阴极保护站的投入。 因此，有必要对断电电位的定义、测量方法和读数时间进行规范，采用数据采集记录仪器，减小人工取值带来的误差，消除因测量仪表和取值时间不同对断电电位读数的影响。只有这样，才能对阴极保护系统进行科学、有效的管理。 在试片断电电位测量时，我们也检测到了断电瞬间的电位正向脉冲，该脉冲持续的时间约100ms，此时，应读取断脉冲后最负的电位作为断电电位。如下图，为‐980mV。 117号桩试片断电电位测量（试片尺寸2cm*2cm）70075080085090095010001050110011501200020406080100120140160180200220240260280300320340360380400420440460480500时间（单位ms）电位（单位-mV） （该图由青岛千禾马书江提供） 图 5 试片去极化过程中的电位正向脉冲 Fig5PotentialSpikeinCouponPotentialDepolarization 6 六、结论 1.对断电电位的定义要进一步明确，以正确理解管道的断电电位。对于测量断电电位所用的仪器，读数频率、读取断电电位的时间要进行规范。 2.阴极保护管理中，要用管道的断电电位来判断管道的保护状态，在确认断电电位达标后，确定该测试桩的最小通电电位，在一个时期内，可以用该通电电位进行日常管理。 3.直接测量管道的断电电位时，如果管道同时受到交流干扰，当读数频率很高时，该电位读数中将包含交流电压分量，因此，必须选择正确的数据采集频率并通过数据处理，才能得到正确的断电电位。最好的方式是读取试片的断电电位，以减少外界因素对测量值的影响。 4.恒电位仪自身通断时，电流的衰减有一个过程，持续周期