试片断电管道阴保电位测量方法及影响因素

知识点：断电电位

阴极保护作为油气管道的外腐蚀控制手段之一，为埋地油气管道提供了长期的有效保护。在埋地管道日常运行管理中，测试人员采用数字万用表和参比电极（一般为Cu-CuSO₄参比电极，CSE）连接管道测试的电位包含管道的电位和阴极保护电流在土壤中产生的电压降（IR降）^[1]。影响IR降的主要因素有参比电极与管道的距离、阴极保护电流、土壤电阻率、防腐层破损点面积等^[2,3]。

为了真实评价管道的受保护状态，需要测试消除了IR降的管地电位。常用的管道极化电位测试采用恒电位仪同步中断法^[4]，其测量过程中需要同时中断至少两部恒电位仪，所用的中断设备和同步测量设备价格高昂，很难在日常检测中使用。而且，对于存在直流杂散电流干扰的管道或采用牺牲阳极实施局部热点阴极保护的管道，流入管道的电流无法同步中断，因此同步中断法不适用。

试片断电法采用裸露的钢试片模拟管道防腐层破损点，试片材质与管道材质相近。将试片埋设在管道附近，并通过测试桩引线与管道相连。测试时断开试片与管道的连线，获得试片的极化电位或断电电位。国外研究表明采用断开试片和管道之间连线的断电法测得的试片断电电位与中断强制电流阴极保护系统电流测得的试片断电电位差值的绝对值在25 mV之内^[5]。试片的断电电位代表的是在相同土壤环境下，管道上与试片面积相同的防腐层漏点处的管道极化电位。如果试片的断电电位能够满足阴极保护准则要求，那么管道上与试片面积相同的防腐层漏点也能得到有效保护^[6,7,8,9]。

自20世纪80年代起，国外已开始广泛使用试片测量不含IR降的电位。在北美，仅阿拉斯加管道系统自1994年以来就已安装了几百个阴极保护试片^[10,11]。近年来，中国也逐步实施试片断电法评价埋地管道阴极保护的有效性，但试片断电法的使用和极化电位的测试还存在很多不确定因素^[12]。例如试片形状、试片极化稳定时间及试片大小的选择等。针对以上问题，开展了试片断电法现场试验，探讨了试片OFF电位（断电电位）的测量方法和影响因素。

1　现场试验

1.1　试验条件

在某条输气管道上开展了现场试片极化试验，管道全长9 km，外防腐层为3PE，采用强制电流阴极保护系统，无交直流杂散电流干扰。试验点土壤（表1）类型为壤土，pH值8.7，土壤表面干燥，埋设试片的试验深度（20 cm）无地下水，测试时的地表温度为20 ℃。

表1　现场极化试验试片埋设处土壤物性参数（质量分数）

含水量	有机质	NO3-	Cl-	SO42-	CO32-
14.3％	1.43％	0.021 4％	0.018 6％	0.009 6％	0.001 3％

1.2　试片制作

试片选用X60管线钢（表2）。制作步骤为：①采用线切割方式将X60管线钢切割成指定大小和形状的试片，要求表面平整、无锈、无油渍；②用钎焊设备将一根横截面积为2 mm²，长度为800 mm的软铜导线焊接在钢试片表面；③备好不同尺寸的PVC管，PVC管直径适合不同大小的试片，将PVC管截为50 mm的短管，两端打磨平整；④采用环氧树脂将试片密封在PVC管端面的中央位置，导线从PVC管内穿出，未焊接导线的一面为试验截面，待环氧树脂固化后用砂纸进行逐级打磨，至试片表面露出金属光泽。

表2　现场极化试验试片用X60管线钢化学成分（质量分数）

C	Mn	Si	P	S	Nb	V	T	B	Mo
0.07％	1.29％	0.27％	0.011％	0.005％	0.04％	0.04％	0.03％	-	-

1.3　试验方法

将试片埋设在测试桩（距阴极保护站1 km）处，并通过测试桩导线与管道连接，记录试片埋设信息。将管道阴极保护系统输出调整为正常输出状态，设置保护电位为-1.8 V（相对于Cu-CuSO₄参比电极）。在不同极化时间点（1 min、3 min、5 min、10 min、15 min、20 min、30 min）瞬时断开试片与管道连接的导线，采用Tinker&Rasor DL-1高速数据记录仪读取试片电位。试片OFF电位测试采用Cu-CuSO₄参比电极。

研究以下不同试验条件下试片的极化情况：试片埋深分别为20 cm和50 cm；试片面积为5 cm²，试片形状分别为长方形（2.5 cm×2 cm）和圆形（半径1.26 cm）；试片形状为长方形，尺寸分别为1 cm×1 cm、2.5 cm×2 cm、5 cm×2 cm、5 cm×4 cm和5 cm×6 cm，则面积分别为1 cm²、5 cm²、10 cm²、20 cm²、30 cm²。

1.4　试片OFF电位读取

NACE TM0497-2002《埋地或水下金属管道系统阴极保护准则的测量技术》规定断电电位测量时间以 0.5～3 s为宜。朱珺^[13]开发了断电电位测试系统，测试得到的断电电位曲线拐点都在70 ms延时处，在100 ms延时以后趋于稳定。Marecetal等^[14]采用断电 2 s 读取断电电位来研究管道电位测量误差。李自力等^[15]认为采用试片断电法测量埋地管道的断电电位时，应采用高速数据记录仪或数据采集卡，断电电位应在50～100 ms之间读取，国内其他研究人员也将试片断电后50 ms或100 ms作为断电电位的读取时刻^[16,17,18]。试验采用Tinker&Rasor DL-1高速数据记录仪每秒记录100个电位数据，利用Origin8.1数据处理软件制图，读取OFF电位，即读取断电后50 ms处电位数据。

2　试验结果与讨论

2.1　面积对试片极化电位及极化稳定时间的影响

NACE RP0104-2004《采用试片监测阴极保护系统的应用》和SY/T 0029—2012《埋地钢质检查片应用技术规范》规定用于测量电位的试片面积宜为 6.5～100 cm²，三层PE防腐层管道宜取下限。国内研究人员在三层PE防腐层管道上用于测量电位的试片面积取6.5～10 cm^2[19,20]。对于实际运行管道则应根据管道实际防腐层破损点的大小进行选择。现场极化试验采用面积不同的方形试片，分别为1 cm²、5 cm²、10 cm²、20 cm²及30 cm²，试片埋深为20 m，在不同时间点用数据记录仪获取OFF电位（图1）。试片面积为1 cm²时，试片在5 min之后OFF电位趋于稳定；试片面积为5 cm²和30 cm²时，试片在10 min之后OFF电位趋于稳定；试片面积为10 cm²和20 cm²时，试片在15 min之后OFF电位趋于稳定。

     

                     

图1　不同面积试片的极化电位随极化时间的变化曲线

不同面积的试片极化趋于稳定的电位也不同。1 cm²和5 cm²的试片30 min之后的电位基本相同，为-1.06 V，随着试片面积的增大，30 min之后的电位逐渐正移，30 cm²的试片30 min之后的电位为-0.8 V。

面积对试片OFF电位的影响主要在于试片表面的电流密度。试片面积越大，表面电流密度越小，试片受到的极化程度降低，极化电位更正。选用的试片面积越大，采用试片断电电位评价阴极保护系统有效性的方法越保守。有文献认为试片的面积应该是管道上防腐层最大漏点的面积，这种试片面积确定方法不可行。分析原因，主要有两点：①管道上防腐层最大漏点的面积很难确定；②采用大面积试片进行评价过于保守，评价后势必要增加现有阴极保护系统输出或改造阴极保护系统，经济上不可行。因此，在实际应用中，试片大小的选择应考虑管道防腐层漏点面积大小。例如，对于3PE防腐层管道，经过统计2×10⁴ km管道外检测报告中的防腐层破损点，发现防腐层漏点面积在10 cm²以下的破损点数量占总数量的60%，因此可以选择10 cm²作为3PE防腐层管道试片断电法的试片面积。

2.2　形状对试片极化电位的影响

极化试验采用面积为5 cm²的试片，埋深为20 cm，测试了长方形和圆形两种不同形状试片的极化电位（图2）。极化30 min后，圆形试片的极化电位较长方形试片的极化电位偏正约50 mV。

试片极化的影响因素包括土壤环境中的pH值、含氧量、环境温度及试片表面积。试验采用的试片面积相同，所处环境相同，因此，试片表面极化过程条件及反应产物也应该、相同。唯一存在差异的是试片形状。由于边缘效应，长方形试片4个角的电流密度较中心位置更大，极化电位会更负一些。有研究人员采用数值模拟的方法研究了试片上不同位置的极化电位，结果显示不同位置的极化电位差异在5 mV以内。现场试验测试时，所用的数据采集器和参比电极无法采集到试片各个点的电位，只能采集到整个试片的混合电位。综合分析来看，面积相同、形状不同的试片在相同环境条件下的极化电位差异不大，试验测得的50 mV电位差异可能与现场测试过程中的误差有关。

图2　不同形状试片极化电位随极化时间的变化曲线

2.3　埋深对试片极化电位的影响

采用面积为10 cm²和20 cm²的试片，测试了埋深分别为20 cm和50 cm时试片的极化电位（图3）。不同面积的试片在不同埋深下的极化达到稳定（15min）后，埋深较深的试片极化电位偏负，但差别不大。

图3　不同面积试片在不同埋深下极化电位随时间的变化

试片的极化电位受试片表面土壤中氧含量及试片与土壤的接触状态的影响。氧作为一种去极化剂，含氧量越高，试片表面越难以极化，极化电位越正。例如，试片在沙土环境中较黏土中的极化电位更正。试片表面的土壤疏松，试片与土壤的有效接触面积小，那么流入试片表面的电流减少，试片表面的电流密度降低，极化电位更正。现场试验发现，试片埋设后，如未将埋设点试片附近土壤压实，将会影响试片表面与土壤的接触及试片的极化程度，甚至会出现测不到有效电位数据的情况。因此，现场埋设试片应将试片附近的土壤压实。

试片断电法进行工程应用时，现场测试可以采取两种方式：①将试片永久埋设在测试桩处并与管道连接；②在测试点埋设试片，连接管道并经过一段时间极化，测试工作完成后取出。第一种方式的优点是试片与土壤充分接触，表面与土壤接触状态基本与管道防腐层漏点接近，极化充分，每次直接测试即可，操作方便，并且可定期将试片取出，查看试片腐蚀情况；缺点是不能在管道的所有测试桩处都埋设试片，否则会影响管道阴极保护系统输出和阴极保护电流及电位分布。第二种方式的优点是可以在管道沿线所有测试桩开展试片断电测试，评价管道阴极保护状况；缺点是每次测试时需要现场埋设试片，并等待试片极化完成，埋设后短时间内试片与土壤接触状态会影响极化电位。

3　结论

（1）不同面积的试片极化电位趋于稳定的时间也不同，15 min后电位基本趋于稳定。现场测试试片极化电位前，应至少极化15 min。为保证试片埋设后表面与土壤充分接触，应将试片埋设处的土壤分层压实，或者采用将试片永久埋设在测试桩附近的方式。

（2）试片趋于稳定的OFF电位不等，试片越小，电位越负，1 cm²和5 cm²的试片30 min后的电位基本相同，为-1.06 V，随着试片的增大，30 min后的电位逐渐正移，30 cm²的试片30 min之后的电位为 -0.8 V。

（3）面积相同、形状不同的试片在相同环境条件下的极化电位差异不大，实验测得的50 mV电位差异可能与现场测试过程中的误差有关。埋深较深的试片较埋深浅的试片的极化电位偏负，但差别不大。试片极化程度与试片表面与土壤的接触状态有关。

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