1   概述

    對(duì)陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià)，主要有斷電電位（極化電位）負(fù)于-850 mV、-100 mV極化兩個(gè)判據(jù)。滿足兩個(gè)判據(jù)中的任何一個(gè)，管道的陰極保護(hù)即為達(dá)標(biāo)［1］。無(wú)論使用哪個(gè)判據(jù)，都需要對(duì)管道的電位進(jìn)行正確測(cè)量，否則會(huì)造成誤判。土壤的電位梯度、雜散電流等，會(huì)對(duì)電位測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。試片法能夠有效降低外界環(huán)境對(duì)電位測(cè)量的影響，是目前最直接有效的方式。近幾年來，新建的燃?xì)夤艿酪话愣紩?huì)在測(cè)試樁的下方埋設(shè)試片，在測(cè)量試片電位的同時(shí)，還能夠監(jiān)測(cè)管道的腐蝕狀況。

    2   電位測(cè)量技術(shù)原理

    電位測(cè)量時(shí)，萬(wàn)用表的負(fù)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(shí)萬(wàn)用表的讀數(shù)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(diǎn)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(cè)得的結(jié)果不同。

    管道施加陰極保護(hù)后，陰極保護(hù)電位測(cè)量見圖1。電位測(cè)量回路中，除防腐層破損點(diǎn)的電位V外，還包含陰極保護(hù)電流在土壤中產(chǎn)生的電壓降Vdrop，計(jì)算式為：

圖1   陰極保護(hù)電位測(cè)量

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

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

    在很多情況下，管道不具備斷開陰極保護(hù)電流的條件，不能使用斷電測(cè)量法。為此，可以在管道上連接一個(gè)試片，用試片來模擬管道上防腐層的破損點(diǎn)，用試片的斷電電位代表管道的斷電電位。試片法測(cè)量時(shí)，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(yīng)用

    ①犧牲陽(yáng)極保護(hù)方式的電位測(cè)量

    a.試片法提出背景

    在城鎮(zhèn)燃?xì)庵?，管道分支、管道?guī)格較多，不能形成良好的電連續(xù)性，所以多采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方式，為了使管道表面的陰極保護(hù)電流分布均勻，會(huì)安裝多組犧牲陽(yáng)極。測(cè)量斷電電位時(shí)，所有犧牲陽(yáng)極無(wú)法進(jìn)行同步通斷，斷開一組陽(yáng)極的連接，其他未斷開的犧牲陽(yáng)極仍會(huì)在土壤中形成IR降，無(wú)法獲得管道的斷電電位。雖然可以使用GPS同步通斷器對(duì)多組犧牲陽(yáng)極進(jìn)行同時(shí)通斷，但通斷器一般采用晶體閘，斷開時(shí)的電阻不是無(wú)窮大，如果管道防腐層的質(zhì)量較好，管道的接地電阻與晶體閘的電阻接近，同步斷開時(shí)，仍會(huì)有陰極保護(hù)電流通過，不能實(shí)現(xiàn)斷電測(cè)量。目前，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖年帢O保護(hù)電位測(cè)量，很多業(yè)主、檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試樁里引出管道連接線，通過開關(guān)與試片連接，試片連接線與萬(wàn)用表正極相連，萬(wàn)用表負(fù)極與參比電極相連。接通開關(guān)，陰極保護(hù)電流使試片發(fā)生陰極極化，試片的電位開始負(fù)向偏移，極化15~30 min后，關(guān)閉開關(guān)的瞬間，萬(wàn)用表的讀數(shù)為試片的斷電電位。

圖2   試片法測(cè)斷電電位方法

    c.天津某管道的電位測(cè)量

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

表1   管道電位測(cè)量結(jié)果

    從表1可以看出，A3測(cè)點(diǎn)、B3測(cè)點(diǎn)，雖然管道的通電電位比-850 mV更負(fù)，但斷電電位不達(dá)標(biāo)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)所在的管段處于欠保護(hù)的狀態(tài)，管道面臨腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

    d.采用試片法測(cè)量的必要性

    由陰極保護(hù)電流產(chǎn)生的IR降，通電電位一般都會(huì)偏負(fù)；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(jìn)入土壤，此時(shí)雜散電流產(chǎn)生的IR降會(huì)使通電電位偏正。實(shí)際上，通電電位的結(jié)果中包含了復(fù)雜的IR降，目前對(duì)IR降的測(cè)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(yáng)極的電壓場(chǎng)也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在測(cè)試樁下方，會(huì)有犧牲陽(yáng)極與管道相連，在測(cè)量電位時(shí)，如果不關(guān)注犧牲陽(yáng)極的具體位置，很容易把參比電極放在犧牲陽(yáng)極的電壓場(chǎng)范圍內(nèi)，造成通電電位異常偏負(fù)，而試片法基本不受犧牲陽(yáng)極電壓場(chǎng)的影響。

    ②雜散電流干擾時(shí)的電位測(cè)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(hù)系統(tǒng)不能有效地為管道提供保護(hù)。

    a.管道電位異常

    管道電位測(cè)量時(shí)，管道與參比電極之間相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)電阻組成的串聯(lián)電路，通過測(cè)量串聯(lián)電路兩端的電壓，就可獲得管道的電位。當(dāng)管道受到雜散電流干擾后，雜散電流會(huì)在電容上形成充放電過程，同時(shí)會(huì)在電阻上形成電壓降，導(dǎo)致電位出現(xiàn)上下波動(dòng)，波動(dòng)的大小與雜散電流的強(qiáng)度相關(guān)。

    試片的面積一般較小，雜散電流對(duì)試片電位的影響要小于對(duì)管道的影響。由雜散電流引起的IR降絕大多數(shù)集中在土壤的水平方向上，在測(cè)量過程中，參比電極與試片的相對(duì)位置容易調(diào)整，當(dāng)參比電極放在試片的正上方時(shí)，土壤中水平方向的雜散電流對(duì)試片電位測(cè)量的影響很小，在垂直方向上不會(huì)有IR降的存在。所以在管道受到干擾時(shí)，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(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，但試片與管道斷開后，試片不再受管道中流動(dòng)的雜散電流影響。

    b.恒電位儀輸出異常

    采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)時(shí)，恒電位儀的電位采集直接影響著管道的陰極保護(hù)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(xiàn)問題，管道的陰極保護(hù)效果會(huì)受到影響。恒電位儀在安裝時(shí)，一般會(huì)管道上方埋設(shè)參比電極，參比電極用來采集管道的電位，通過電位信號(hào)的反饋控制陰極保護(hù)電流的輸出。就目前國(guó)內(nèi)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(huì)發(fā)生明顯波動(dòng)，恒電位儀采集的電位會(huì)偏離管道的真實(shí)電位，導(dǎo)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(diǎn)，采集的電位會(huì)明顯偏負(fù)，甚至能達(dá)到-1 200 mV以下。對(duì)于恒電位儀來說，采集的電位滿足判據(jù)時(shí)，恒電位儀將處于關(guān)機(jī)或無(wú)輸出的狀態(tài)，而此時(shí)管道上并沒有陰極保護(hù)，管道處于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)之中，如果雜散電流較強(qiáng)，管道很容易發(fā)生腐蝕穿孔。

    在管道電位出現(xiàn)明顯波動(dòng)時(shí)，恒電位儀可以采集試片的電位。試片的抗干擾能力較強(qiáng)，恒電位儀通過采集試片的電位，能夠有效降低雜散電流對(duì)采集信號(hào)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(duì)于新建工程，試片會(huì)與犧牲陽(yáng)極一起埋設(shè)，試片所處的土壤環(huán)境與管道保持一致，在陰極保護(hù)投產(chǎn)后，試片的極化狀況與管道基本相同。但對(duì)老舊燃?xì)夤艿?，試片沒有與犧牲陽(yáng)極同時(shí)安裝，測(cè)試樁內(nèi)沒有試片引線。此時(shí)需要將試片埋入土壤中進(jìn)行測(cè)量。

    試片的極化曲線測(cè)量結(jié)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(yīng)過程為氧的擴(kuò)散控制，氧的含量和擴(kuò)散情況，直接影響試片的斷電電位。試片表面電化學(xué)反應(yīng)過程中，氧的還原過程需要環(huán)境（土壤）中的氧通過擴(kuò)散進(jìn)入到反應(yīng)表面，在所有反應(yīng)步驟中，氧的擴(kuò)散速度最慢，就整個(gè)反應(yīng)過程而言，氧的擴(kuò)散速度決定了腐蝕速率。當(dāng)陰極保護(hù)電流到達(dá)試片表面后，氧的還原過程需要的時(shí)間較長(zhǎng)，不能迅速消耗陰極保護(hù)電流，導(dǎo)致電位快速變負(fù)。從極化曲線來看，只需要很小的陰極保護(hù)電流，試片的電位就能出現(xiàn)顯著的負(fù)向偏移。試片周圍的氧濃度越低，越容易發(fā)生陰極極化。

圖3   試片的極化曲線測(cè)量結(jié)果

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

    對(duì)一段犧牲陽(yáng)極保護(hù)的管道進(jìn)行電位測(cè)量，極化時(shí)間20 min，測(cè)量過程中改變?cè)嚻耐寥拉h(huán)境，不同土壤環(huán)境對(duì)試片電位的影響見表2（表中參比電極為CSE，環(huán)境條件從上往下含氧量逐漸增大）。

表2   不同土壤環(huán)境對(duì)試片電位的影響

    由表2可以看出，試片所處的環(huán)境對(duì)試片斷電電位影響較大，而對(duì)試片通電電位影響相對(duì)較小。這是因?yàn)樵嚻拿娣e要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道的表面積，犧牲陽(yáng)極提供的陰極保護(hù)電流足以使試片發(fā)生陰極極化，試片周圍的含氧量對(duì)通電電位影響不大。

    淺埋后澆入H2O2溶液（?。l件下，試片斷電電位隨時(shí)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(jì)時(shí)）。在澆入H2O2溶液的條件下，氧的擴(kuò)散速度明顯增加，擴(kuò)散控制步驟減弱，試片表面的Fe迅速轉(zhuǎn)變成離子態(tài)Fe2+，電位正向偏移。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，H2O2的氧化能力逐漸減弱，試片的電位逐漸負(fù)向偏移。

圖4   淺埋后澆入H2O2溶液（?。l件下試片斷電電位隨時(shí)間的變化曲線

    試片周圍的含氧量對(duì)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(dòng)。管道在敷設(shè)過程中，一般都會(huì)經(jīng)過夯實(shí)處理，管道周圍的土壤中氧的含量較低，更容易發(fā)生陰極極化。所以在使用試片過程中，應(yīng)控制試片周圍的土壤環(huán)境，降低含氧量的影響。

    ②土壤pH值的影響

    根據(jù)電位與pH值的關(guān)系可知，腐蝕介質(zhì)中的pH值越小，金屬的電位越容易向正向偏移。因?yàn)榻橘|(zhì)中的H+越多，金屬表面會(huì)有更多的H+參加反應(yīng)，H+是很強(qiáng)的去極化劑，同時(shí)H+很容易到達(dá)反應(yīng)表面，不會(huì)有明顯的控制步驟。

    大量H+的存在會(huì)使陰極極化曲線變得平滑，極化阻力降低，當(dāng)陰極保護(hù)電流不能夠抵消H+的還原過程時(shí)，陰極保護(hù)是無(wú)效的。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)管道周圍土壤的pH值<4時(shí)，陰極保護(hù)一般很難達(dá)到預(yù)期效果。

    試片周圍土壤的pH值較低時(shí)，試片的斷電電位會(huì)偏正。遇到該種情況時(shí)，應(yīng)增加試片的極化時(shí)間，使試片周圍土壤H+不斷消耗。目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的土壤pH值為6.4~9.5，不會(huì)對(duì)試片的電位測(cè)量產(chǎn)生較大影響。但如果在化工廠、煉廠等區(qū)域進(jìn)行陰極保護(hù)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)先對(duì)土壤的pH值進(jìn)行測(cè)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(diǎn)周圍的離子濃度增加，導(dǎo)致破損點(diǎn)位置附近的土壤電阻率降低。由歐姆定律可知，破損點(diǎn)位置的電阻降低，會(huì)有更多的陰極保護(hù)電流流向破損點(diǎn)位置，陰極極化程度增強(qiáng)。陰極極化過程中，由于還原反應(yīng)，破損點(diǎn)附近土壤中的OH-離子增多。OH-的增多會(huì)降低土壤電阻率，陰極保護(hù)電流進(jìn)一步增大。所以交流雜散電流的干擾，往往會(huì)在防腐層破損點(diǎn)位置形成強(qiáng)堿性環(huán)境。

    由于試片模擬管道的防腐層破損點(diǎn)，陰極保護(hù)電流的增大，會(huì)使試片的電位出現(xiàn)明顯的負(fù)向偏移。如果極化時(shí)間比較短，試片周圍不能形成穩(wěn)定堿性環(huán)境，在斷電的瞬間，由于電流的不平衡性，電位會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正向的脈沖峰，該值為-600~-100 mV，如果使用該值對(duì)管道的陰極保護(hù)狀況進(jìn)行判斷，明顯是錯(cuò)誤的。所以在遇到較強(qiáng)的交流雜散電流后，應(yīng)使試片極化足夠時(shí)間，在斷電瞬間約200 ms后，再進(jìn)行讀數(shù)。

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

    ④試片面積的選擇

    根據(jù)試片法的電位測(cè)量原理，試片的面積應(yīng)該與防腐層破損點(diǎn)的面積接近，但埋入地下的管道是無(wú)法得知破損點(diǎn)面積的。試片面積還與管道防腐層的類型有著直接關(guān)系。管道防腐層的質(zhì)量越好，出現(xiàn)破損的概率越低，破損點(diǎn)面積的期望值也越低。根據(jù)多年的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，試片面積應(yīng)該在6.5~50 cm2，對(duì)于3PE防腐層，試片面積在4.0~6.0 cm2，試片的材質(zhì)應(yīng)與被測(cè)管道的材質(zhì)接近。

    ⑤陰極保護(hù)判據(jù)的選擇

    利用試片的斷電電位對(duì)管道的陰極保護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇-850 mV判據(jù)是沒有任何問題的。-100 mV極化的判據(jù)，目前存在很大爭(zhēng)議。筆者認(rèn)為，-100 mV極化的判據(jù)是無(wú)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(shí)，-100 mV極化的判據(jù)無(wú)法保證管道的斷電電位能達(dá)標(biāo)；另一方面，如果試片的表面狀態(tài)傾向于使電位正向偏移時(shí)，例如表面氧化、雜散電流干擾等，-100 mV極化的判據(jù)也不能使用。

    5   結(jié)論

    ①試片模擬管道防腐層的破損點(diǎn)，通過測(cè)量試片斷電電位，對(duì)管道的陰極保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。試片法解決了復(fù)雜情況時(shí)，不能進(jìn)行管道斷電電位測(cè)量的難題，就陰極保護(hù)判據(jù)而言，利用管道通電電位對(duì)陰極保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)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(shí)，應(yīng)注意試片周圍土壤的狀況。在化工區(qū)、煉廠區(qū)等特殊區(qū)域，土壤會(huì)呈現(xiàn)酸性，使用試片時(shí)，應(yīng)對(duì)土壤的pH值進(jìn)行測(cè)量，試片應(yīng)充分極化，降低H+對(duì)斷電電位的影響。

    ③在遇到交流雜散電流干擾時(shí)，斷電的瞬間后，應(yīng)該延遲200 ms再進(jìn)行讀數(shù)，降低交流雜散電流去極化作用對(duì)測(cè)量的影響。

    ④試片的面積應(yīng)該在6.5~50.0 cm2，對(duì)于3PE防腐層，試片的面積取4.0~6.0 cm2，試片的材質(zhì)應(yīng)與被測(cè)管道的材質(zhì)接近。在使用試片法時(shí)，可使用-850 mV判據(jù)，盡量不要使用-100 mV極化的判據(jù)。

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責(zé)任編輯：王元

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