油气管道阴极保护电位测量方法
河南邦信防腐材料有限公司
2017年3月整理
1、概述
阴极保护是一种减缓或抑制金属电化学腐蚀的方式，是一种基于电化学腐蚀机理的保护方法。
通过给腐蚀电池补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面发生阴极极化，电极电位趋于同一负电位，从而减小管道表面的电位差，减缓或抑制腐蚀电池的电化学反应。
阴极保护的实现方式有两种：一种是牺牲阳极法；另一种是强制电流法。
牺牲阳极阴极保护方式是选择一种电极电位比被保护管道金属更负的活泼金属或合金（如镁、锌），将其与被保护管道相连并置于同一电解质环境中，活泼金属或合金在腐蚀电池中称为阳极优先腐蚀溶解，为被保护管道提供阴极保护保护电流。
阳极释放出的电子转移到被保护管道表面，使被保护管道发生阴极极化，从而抑制腐蚀实现保护。
阳极由于被腐蚀消耗，故称之为牺牲阳极（见图1）。
图1 牺牲阳极阴极保护示意图
强制电流阴极保护是利用外部的直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极接被保护管道，将电源的正极接至辅助阳极，在阴极保护电流的作用下，使管道表面整体发生充分的阴极极化，从而减缓或抑制管道的腐蚀实现保护（见图2）。
图2强制电流阴极保护示意图
管道与其相邻电解质（土壤）的电位差称为管地电位。
管地电位是用来评价埋地管道阴极保护系统的运行状况及其有效性的重要指标。
因此掌握管地电位的测量方法是很必要的。
常用的管地电位测量内容主要有通电电位、断电电位、牺牲阳极接入点的管地电位以及极化探头（试片）电位的测量。
2、常用管地电位测量方法
2.1测量连线
一般采用直流数字式电压表测量管地电位，测量时将电压表的负接线柱（COM）与参比电极（一般采用铜-饱和硫酸铜参比电极，CSE)连接，正接线柱（V）与管道连接，测（见图3）。
仪表指示的是管道相对于硫酸铜参比电极电极的电位值，正常情况下显示负值。
图3 数字万用表管地电位测量接线图
2.2通电电位测量（Von）
阴极保护系统持续运行时测量的管道对土壤的电位叫通电电位，该电位包括管道极化电位与回路中其它所有电压降（IR降）的和。
a)测量前，应确认阴极保护运行正常，管道已充分极化。
b)测量时，将硫酸铜电极放置在管道上方地表的潮湿土壤上，应保证硫酸铜电极底部与土壤接触良好。
c)通电电位测量接线见图3。
d)将电压表调至适宜的量程上（没有杂散电流干扰时一般选2V档），读取数据，并作好管地电位值及极性记录，注明该电位值的名称。
2.3断电电位测量（Voff）
在断开施加阴极保护电流的所有电源的瞬间测量出的管道对土壤的电位叫断电电位。
断电电位是判断管道阴极保护有效性的指标。
该方法不适用于保护电流不能同步中断（多组牺牲阳极、牺牲阳极与管道直接连接、存在不能被中断的外部强制电流设备）或受直流杂散电流干扰的管道。
所测得的断电电位是消除了由保护电流所引起的IR降后的管道保护电位。
a)在测量之前，应确认阴极保护正常运行，管道已充分极化。
b)对测量区间有影响的阴极保护电源应安装电流同步断续器，并设置合理的通/断周期，同步误差小0.1s。
合理的通/断周期和断电时间设置原则是：断电时间应有足够长的时间在消除冲击电压影响后采集数据，读取平缓的断电电位，同时应避免过度去极化；管道上设置有用于干扰防护的电容类元件的去耦合装置时，应考虑设置较长的断电时间。
测试过程中应保持设备输出电流的稳定，当发现相同测试点各通/断周期断电电位出现持续衰减现象，应调整通/断周期。
c)将硫酸铜电极放置在管道上方地表的潮湿土壤上，应保证硫酸铜电极底部与土壤接触良好。
d)断电电位测量接线见图3。
e)将电压表调至适宜的量程上，读取数据，读数宜在通/断电0.5s之后进行或读取断电后万用表的第二个数值。
f)记录下通电电位（Von）和断电电位（Voff）以及相对于硫酸铜电极的极性。
g)如果对冲击电压的影响存在怀疑时，应使用脉冲示波器或高速记录仪测量冲击电压的影响大小和持续时间，对所测结果进行核实。
2.4牺牲阳极接入点的管地电位测量
该方法适用于消除牺牲阳极工作时，产生的地电位正偏移所引起的管地电位测量误差。
该误差可采用远参比法消除，使参比电极离开阳极一段距离或断开该测试桩的牺牲阳极进行测量。
测量方法如下：
a)远参比法的测量接线见图4。
b)将硫酸铜电极朝远离牺牲阳极的方向逐次安放在地表上。
将数字万用表调至适宜的量程上，读取数据，做好电位值和极性记录。
c)第一个安放点距管道测量点不小20m，以后逐次向远方移5m。
当相邻两个安放点测量的管地电位相差小于2.5mV时，硫酸铜电极不再往远方移动，取最远处的管地电位值作为该测量点的管道对远方大地的电位值。
（一般情况下，参比电极离开阳极10m，并位于管道正上方，即可消除阳极电场的影响）。
图4 远参比法测试接线图
2.5极化探头（试片）电位测量
在某些情况下，由于作用在管道上的所有电流是无法同步中断的（如牺牲阳极保护管道、存在杂散电流干扰等），这时可用极化探头（试片）进行管道断电电位测量。
其测量原理是用与管道材质类似的试片（试片裸露面积一般在25px2～100 cm2之间）来模拟管道防腐层缺陷点，该试片的埋深及回填状况与管道相同，平时通过测试桩与管道连接，得到同样的阴极保护。
测量时，在断开与管道接线的瞬间读取电位值，这样就可以测量到试片的断电电位而不需要对管道上的所有电源进行中断。
试片的电位反映的是同一位置、同样大小的防腐层缺陷点的保护电位。
试片法断电电位测量有两种形式，一种是将参比电极与试片组装在一起，称为极化探头法（见图5）；另一种是将参比固定在土壤管上，利用便携式参比电极进行测量，称为土壤管试片法（见图6）。
图5 极化探头测试接线图
图6 土壤管试片法测试接线图
极化探头（试片）电位测量时应注意以下事项：
a)试片保护情况只代表管道上防腐层缺陷点面积小于试片面积的漏点保护状况。
b）采用土壤管时，土壤管中的土壤要填充密实。
3、结语
日常管道阴保电位的测试方法比较简单，一般人员通过培训即可掌握。
目前不少管道上还安装了智能阴保系统。
智能阴保系统通过现场就地埋设阴保电位测试设备，并通过4G信号、光纤等途径将测试结果传回室内，通过后台管理界面查询和分析，能更好的监测阴保电位，并降低阴保电位测试的工作量。
当管道遭受杂散电流干扰时，需要采用更专业的测试设备，宜由专业技术人员进行管地电位的测量和评价。
作者简介：陈洪源，1975年生，高级工程师，毕业于西南石油大学，长期从事油气管道腐蚀防护的研究与应用工作。
