劉權(quán) 劉點(diǎn)玉 單勁智 葛艾天

中石油北京天然氣管道有限公司

摘 要： 通過對陰極保護(hù)準(zhǔn)則應(yīng)用以及電位測試IR降規(guī)律等相關(guān)問題的分析，探討了陰極保護(hù)站不同運(yùn)行模式的特點(diǎn)，分享了陰極保護(hù)運(yùn)維過程中總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 陰極保護(hù)準(zhǔn)則； IR降；站內(nèi)外干擾；運(yùn)行模式

涂層和陰極保護(hù)是管道外腐蝕控制的重要手段。在管道設(shè)計(jì)、施工階段合理選擇管道涂層和陰極保護(hù)形式，在管道運(yùn)行階段保證涂層完好和陰極保護(hù)系統(tǒng)有效，對保障管道本體安全至關(guān)重要。

管道埋地后涂層的全面檢查和修復(fù)變得相對困難。如何對管道施加有效的陰極保護(hù)，保證即便涂層存在破損情況，破損點(diǎn)處電位仍能滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則，其周圍環(huán)境保持較高的pH值，成為外腐蝕控制的關(guān)鍵。

目前在管道陰極保護(hù)系統(tǒng)日常運(yùn)行和有效性評價過程中，仍存在一些認(rèn)識和理解上的差異，需要進(jìn)一步討論，以期促進(jìn)管道行業(yè)外防腐管理水平提高。

1 陰極保護(hù)電位測試中的IR降

陰極保護(hù)是一種電化學(xué)技術(shù)，其有效性通過表征管道陰極極化水平的保護(hù)電位判斷。目前管道陰極保護(hù)有效性評價主要依據(jù)GB/T 21447《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》、 GB/T 21448《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。其中表述陰極保護(hù)電位范圍為，其中E 1為限制臨界電位， E IRfree為無IR降的陰極保護(hù)電位， Ep為最小保護(hù)電位。在實(shí)際管理過程中一般將管道的保護(hù)電位限制在﹣850 mV至﹣1 200 mV之間。

由于理解偏差，往往將恒電位儀的通電電位設(shè)置在﹣1 200 mV左右，忽略了土壤電阻等造成的IR降的成分，使實(shí)際管/地電位不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。保護(hù)電位的設(shè)置是基于整條線路極化電位，而不僅是通電點(diǎn)處的電位水平，通電電位通常要比極化電位偏負(fù)，考慮到IR降的影響，通電電位一般在﹣900 mV至﹣3 000 mV之間。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)《GOST 9.602-2005UNDERGROUND CONSTRUCTIONS Generalrequirements for corrosion protection》就明確規(guī)定基于XPE涂層的管道的通電電位為﹣900 mV至﹣3 500 mV。

在日常測試和評價陰極保護(hù)有效性過程中，應(yīng)充分理解通電電位、 IR降和斷電電位之間的關(guān)系。由于通電電位測試相對容易便捷，在現(xiàn)場測試過程中部分工程人員往往利用測試樁處某次測得的通電電位、IR降和斷電電位，將IR降部分作為一個固定值或者通電電位的線性百分比來計(jì)算保護(hù)電位。實(shí)際上， IR降占比是隨通電電位變化的，隨著季節(jié)性土壤電阻率變化， IR降占比也會變化，應(yīng)充分理解IR降和管道極化的意義及與通電電位的關(guān)系，避免錯誤判斷陰極保護(hù)的有效性。

為驗(yàn)證IR降大小與通電電位的關(guān)系，通過極化試片法對地鐵附近管道監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，極化試片法的測試接線如圖 1所示，通過信號斷路器的中斷，可以測試與管道連接的試片的通/斷電位。

圖 1  極化試片法測試通/斷電位接線圖

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制了通/斷電電位曲線和IR降在通電電位中占比情況對比圖（圖 2），數(shù)據(jù)顯示隨著通電電位的變化，斷電電位變化比較平穩(wěn)，而IR降電位在通電電位中的占比隨通電電位變化而變化。

圖 2  通 斷電電位及IR降占比對比圖

2 日常管理

管道沿線周邊環(huán)境的變化有可能影響管地電位，從而影響陰極保護(hù)效果，在日常維護(hù)中管地電位的監(jiān)測和陰保系統(tǒng)的輸出調(diào)整是必不可少的。沿管道進(jìn)行的管地電位測試是評價陰保系統(tǒng)運(yùn)行有效性最常見、最有效的手段。管道公司對于測試時間、頻率、數(shù)據(jù)格式等都有較為明確的要求。然而在數(shù)據(jù)測試和分析中，存在著以下影響陰極保護(hù)效果評價的因素。

（1）只測試陰極保護(hù)系統(tǒng)通電時管地電位（on電位）忽視瞬斷電位（off電位）的測試（見前述）。

（2）只在測試樁處測量管地電位，很少開展密間隔電位測試。

近年來，管道外防腐層整體性能大幅提升，導(dǎo)致沿管道的陰極保護(hù)電流衰減通常并不明顯，在間隔為1千米的測試樁上測得的管地電位基本可以體現(xiàn)管道的陰極保護(hù)水平。對于衰減較大的管道或外防腐要求較高的管道，定期開展密間隔電位測試有助于更加準(zhǔn)確地分析判斷陰極保護(hù)效果和重新定義管道陰極保護(hù)率，及時發(fā)現(xiàn)短距離范圍陰極保護(hù)不足和整改局部孤立外防腐層破損、搭接和干擾防護(hù)不足的問題。如在密間隔電位測試中發(fā)現(xiàn)由于其他構(gòu)筑物接地造成陰極保護(hù)電流屏蔽形成的陰極保護(hù)不足，圖 3所示。

圖 3   CIPS測試曲線及電流屏蔽段

（3）重測試輕分析，數(shù)據(jù)分析不足。毫無疑問，管地電位測量的頻率越高，對管道陰極保護(hù)的監(jiān)控效果越好。基于此種考慮，很多企業(yè)將測量周期定為1個月甚至更短，但也會帶來一些問題：首先，高頻率的測試意味著大量的現(xiàn)場工作量，過多牽涉管理人員的精力；其次大量的測量數(shù)據(jù)如果得不到及時的分析，陰保系統(tǒng)來不及調(diào)整穩(wěn)定便又開始新一輪的測試，管理效果反而大打折扣。國外很多管道公司陰極保護(hù)電位測試周期規(guī)定為半年1次或1年1次，但是都非常重視數(shù)據(jù)的分析和分析結(jié)果的響應(yīng)（調(diào)整、整改）。國內(nèi)在管道周邊環(huán)境相對穩(wěn)定，管道電流需求量也相對穩(wěn)定的情況下，可根據(jù)季節(jié)變化每年測量2～4次。

（4）不重視交流干擾數(shù)據(jù)的測試分析。近年來，因交流干擾影響管道安全運(yùn)行的情況日益普遍。有研究結(jié)果表明，存在10 V以內(nèi)的電壓差就有可能造成近距離安裝的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生瞬間或持久的放電現(xiàn)象，對于輸送易燃易爆油氣介質(zhì)的管道造成嚴(yán)重的安全隱患。令人擔(dān)憂的是，一些管道只是出現(xiàn)問題和事故之后，才發(fā)現(xiàn)很久以來一直存在著交流干擾的情況。目前交流干擾的防護(hù)技術(shù)已較為成熟，在每次陰極保護(hù)管地電位測試的同時進(jìn)行管地交流電位的測試，便很容易發(fā)現(xiàn)存在的交流干擾情況，進(jìn)一步采取防護(hù)措施，避免問題發(fā)生。

3 陰極保護(hù)站間距設(shè)置

國內(nèi)新投產(chǎn)的管道普遍采用三層聚烯烴涂層，其良好的涂層電阻率，管道的衰減常數(shù)小，部分陰極保護(hù)站的間距可達(dá)200 km以上。但隨時間推移，涂層絕緣性能會變差，系統(tǒng)需要輸出更大的電流來保證陰極保護(hù)的有效性，增加設(shè)備負(fù)荷，也易造成靠近陰極保護(hù)站附近過保護(hù)。間距如果過大，對其間管道電位調(diào)節(jié)缺乏靈活性，一旦出現(xiàn)陽極地床故障或局部陰極保護(hù)不足，不能充分利用陰極保護(hù)站之間的系統(tǒng)冗余進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低了管道陰極保護(hù)率。

4 陰極保護(hù)電源運(yùn)行模式的探討

陰極保護(hù)電源是實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)有效性的核心設(shè)備，常用的電源具有恒位、恒流和整流器三種工作模式。其中恒電位功能是通過將通電點(diǎn)處管地電位反饋與儀器的輸出設(shè)置進(jìn)行對比運(yùn)算，及時調(diào)整設(shè)備的電流輸出，保證通電點(diǎn)的管地電位與設(shè)置輸出電位一致，設(shè)備通過“反饋”“對比運(yùn)算”“輸出調(diào)節(jié)”等模塊調(diào)整輸出電流，在一定程度上保證了管道沿線管地電位的穩(wěn)定。但恒電位功能有其與生俱來的局限性，如果管道沿線局部的電位變化不能對通電點(diǎn)處的管地電位造成明顯的影響，那么恒電位功能就不能作用到該局部。一旦管道在通電點(diǎn)附近遭受局部直流干擾，陰保電源會大幅調(diào)整其電流輸出，這種情況在通電點(diǎn)受到陽極干擾時尤為危險，因?yàn)殡娫磿�減少電流輸出以實(shí)現(xiàn)通電點(diǎn)的電位恒定，很可能造成遠(yuǎn)端的保護(hù)不足。由于管道周邊環(huán)境相對穩(wěn)定，除季節(jié)性變化外，管道電流需求量變化不大，在通電點(diǎn)附近易受雜散電流干擾的情況下，恒電流或整理器控制模式相較于恒電位模式能很好地克服通電點(diǎn)處電位波動造成全線電位不穩(wěn)定的情況，保持陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

5 雜散電流干擾

干擾是管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)過程中不可回避的問題，管道運(yùn)行方往往重視外界對自身管道的干擾，卻忽略了自身管道設(shè)施之間以及自身管道對外界的干擾。例如，同一個站場既擔(dān)負(fù)著干線陰保站的功能其站內(nèi)埋地管網(wǎng)又施加了外加電流陰極保護(hù)，干線陰保系統(tǒng)的陽極電場不可避免地與站場陰極保護(hù)的陽極電場發(fā)生疊加而相互干擾，一些情況下已經(jīng)影響到管道的外防腐效果。又如，當(dāng)電氣化鐵路或輸電線路與管道靠近時，管道運(yùn)行單位均能夠采取測試及防護(hù)措施以防范其對管道的干擾。與此同時，管道的陰極保護(hù)或排流措施對其路基或塔架基礎(chǔ)的金屬結(jié)構(gòu)的干擾卻沒有得到對方重視,雙方尚未建立有效的協(xié)調(diào)解決機(jī)制。

6 結(jié)束語

腐蝕防護(hù)是一門實(shí)踐工程學(xué)科，盡管管道陰極保護(hù)的原理簡單，技術(shù)成熟，但其隱蔽性的特點(diǎn)，容易使人麻痹大意，不易引起重視。加之管道所處環(huán)境相對開放，新情況和新問題不斷出現(xiàn)，需要進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目標(biāo)。

劉權(quán)，男， 1981年出生，本科，工程師，就職于中石油北京天然氣管道有限公司，主要從事腐蝕控制工作。