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斷電法在陰極保護電位測試中的應用

來源：中石油塔里木油田油氣運銷部管道運行部作者：馬孝亮時間：2018-4-20 閱讀：

摘要：評價管道陰極保護系統運行情況主要測試陰極保護管地電位，根據電位準則進行。但在地表測試的電位不能完全反應出管道實際的陰極保護電位，本文主要介紹不同陰極保護方式下，應用斷電法最終得到管道斷電電位，通過調整斷電電位使管道處于陰極保護有效保護狀態。

關鍵詞：陰極保護斷電法通電電位斷電電位 IR降

1 前言

目前采用陰極保護方法控制管道外腐蝕，而管地電位是評價管道陰極保護系統運行情況的重要參數，由于管道經過土壤類型不同，土壤電阻率差別很大，常規的地表法測量管地電位，沒有針對不同土壤環境，測量的管地電位含有較大IR降， IR降存在影響測量電位反映管道陰極保護系統真實運行狀況，從而造成管道陰極保護系統運行在十分危險的“欠保護”狀態。斷電法能夠有效減少IR降的影響，得到較真實陰極保護管地電位，通過分析這個電位是否達到通常標準中要求的-850mv，判定管道是否處于陰極保護系統有效保護。對于未達到標準電位處于“欠保護”狀態的管段進行現場調查和數據分析，使用PCM+A字架方法查找欠保護的原因，及時整改，使其處于陰極保護有效保護狀態。

2 陰極保護電位測試時IR降形成

IR 降系指電流在介質中流動所形成的電阻壓降，給電位測量結果造成誤差。采用斷電法（切斷陰極保護電流后測量）后，消除了部分誤差。假如將各種誤差簡單劃分為IsR（可用斷電法消除）和Vo（不能消除）兩類，存在以下關系式：

Eon=Eoff+IR

式中

Eon ——通電電位即未消除IR降的電位；

Eoff ——斷電電位即不含IR降的陰極保護管地電位；

I ——保護電流；

R ——管道表面與參比電極之間的電阻。

可消除的IR降是由參比電極和管道電位測量點之間的陰極保護電流（恒電位儀輸出電流）的分量、土壤介質電阻和管道表面膜或絕緣層電阻造成的，屬于直流歐姆電壓降，在陰極保護電流中斷瞬間立即消失。

3 斷電法消除IR降影響

埋地鋼質管道陰極保護根據直流電流的來源不同分為外加強制電流和犧牲陽極兩種，針對不同陰極保護類型分別采用不同手段應用斷電法，消除IR降獲得陰極保護管地電位。而斷電法可根據檢測儀器不同分為兩種：一種是使用衛星同步中斷器，包括進行全線測試的密間隔電位法（CIPS）和僅在測試樁處使用萬用表進行讀取通斷電位的手動中斷法；另一種是使用試片（極化探頭）法，該方法僅能測試測試樁處通斷電位。

針對埋地鋼質管道陰極保護方式的不同，采用不同方法進行管道陰極保護管地電位測試：對于采用外加強制電流的陰極保護系統，可選擇密間隔電位測量（CIPS）法或同步中斷器法進行測試；對于采用犧牲陽極方式的陰極保護系統或外輸管線與站內之間絕緣接頭失效的埋地鋼質管道，可采用試片（極化探頭）法測得埋地管地電位。

4 衛星同步中斷法

對埋地鋼質管道進行周期性陰極保護有效性評價或要全面掌握管道沿線陰極保護電位分布時，主要采用密間隔電位法（CIPS），而日常每月進行電位巡檢測試時通常采用萬用表進行讀取通斷電位的手動中斷法。

4.1 密間隔電位法（CIPS）

密間隔電位法（CIPS）適用于對管道陰極保護系統的有效性進行全面評價的測試。本方法可測得管道沿線的通電電位（V on）和斷電電位（Voff），結合直流電位梯度法（DCVG）可以全面評價管線陰極保護系統的狀況和查找防腐層破損點及識別腐蝕活躍點。

以下情況不適用密間隔電位法或會使該方法測量結果的準確性受到影響：

——保護電流不能同步中斷（多組犧牲陽極或其與管道直接相接，或存在不能被中斷的外部強制電流設備）的管道；

——套管內的破損點未被電解質淹沒的管道；

——覆蓋層導電性很差的管段，如鋪砌路面、凍土、鋼筋混凝土、含有大量巖石回填物；剝離防腐層下或絕緣物造成電屏蔽的位置，如破損點處外包覆或襯墊絕緣物的管道。

4.1.1 測量步驟

圖和測量步驟主要是：

量簡圖見圖1：

a）在測量之前，應確認陰極保護正常運行，管道已充分極化。

b）在測量之前，檢查測量主機電池電量。

c）在所有電流能流入測量區間的陰極保護直流電源處安裝電流同步斷續器，并設置在合理的周期性通/斷循環狀態下同步運行，同步誤差小于0.1s。設置原則是：斷電時間應盡可能的短，以避免管道明顯的去極化，但又應有足夠長的時間保證能在消除沖擊電壓影響后測量采集數據。根據具體所用的陰極保護電源設備和測量儀器的不同，典型的循環時間設置宜為：通電800ms，斷電200ms或通電4s，斷電1s或通電12s，斷電3s。

d）將線軸（長測量導線）一端與 C I P S /DCVG測量主機（或數字式萬用表）連接，另一端與測試樁連接，將一根探杖（硫酸銅電極）與CIPS/DCVG測量主機（或數字式萬用表）連接。

e）打開CIPS/DCVG測量主機，設置為CIPS測量模式，設置與同步斷續器保持同步運行的相同的通/斷循環時間和斷電時間，并設置合理的斷電電位測量延遲時間，典型的延遲時間設置宜為（50～100） ms。

f）測量時，利用探管儀對管道定位，保證硫酸銅電極放置在管道的正上方。

g）從測試樁開始，沿管線管頂地表以密間隔（一般是1m～3m）逐次移動探杖（硫酸銅電極），每移動探杖一次就采集并記錄存儲一組通電電位（Von）和一組斷電電位（Voff），直至到達前方一個測試樁。按此完成全線管地電位沿管道變化的測量。

h）同時應使用米尺線軸、 GPS坐標測量或其它方法，測量硫酸銅電極安放處沿管線的距離，應對沿線的永久性標志、參照物及它們的位置等信息進行記錄，并應對管道通電電位（V on）和斷電電位（V off）異常位置處作好標志與記錄。

i）某段密間隔測量完成后，若當天不再測量，應通知陰極保護站恢復為連續供電狀態。

4.1.2 數據處理

數據處理主要包括：

a）將現場測量數據下載到計算機中，進行數據處理分析。

b）對每處兩組數據中的幾個數據，分別取其算術平均值，代表該測量點的通電電位（Von）和斷電電位（Voff）。

c）以距離為橫坐標、電位為縱坐標繪出測量段的電位分布曲線圖，圖中一條為通電電位曲線，另一條為斷電電位曲線，在直流干擾和平衡電流影響可忽略不計地方，斷電電位曲線代表陰極保護保護電位分布曲線。

4.1.3 實例

以新疆某油田埋地鋼質管道為例，該油田長輸管道經過土壤環境有沙漠、戈壁、鹽堿灘、農田等，土壤環境差別很大，土壤電阻率變化非常劇烈，這導致采用常規地表參比法進行陰極保護管地電位測試中含有很大的IR降，無法通過地表電位來評價管道是否處于陰極保護系統有效保護， 2010年采用密間隔電位法（CIPS）對1600km管道進行陰極保護有效性檢測發現有256km未達到-850mv，有224km超過-1200mv，而日常采用地表參比法測試僅發現32km未達到-850mv，兩者相差很大，兩種方法對比見圖2，說明地表參比法存在較大IR降從而影響判斷的準確性。

4.2 手動中斷法

在恒電位儀陽極或陰極串入衛星同步中斷器，設置通斷周期，在測試樁處通過使用萬用表與便攜式參比電極進行測試，具體連接見圖3。通常采用“通12s，斷3s”的通斷周期，在一個通斷周期15s內，讀取兩個參數即通電電位和斷電電位，在通12s內萬用表讀數基本穩定在一個數值即得到通電電位，在斷3s內發生斷電瞬間萬用表顯示第一個數值即斷電電位。通過分析斷電電位是否達到-850mv標準，評價管道是否處于陰極保護系統有效保護。

4.2.1 實例

以新疆某油田一條輸氣管道為例，在使用手動中斷法進行斷電電位測試時，發現從205#樁至末站之間管道通電電位負于-850mv，而斷電電位遠未達到-850mv，圖4為205#至233#樁電位變化，說明這段管道未處于陰極保護系統有效保護。

經過對該段進行PCM電流測試，發現7#閥室存在較大電流損失，圖5為PCM測試示意圖。在閥室西側測試電流值為800mA，而在閥室東側測試電流值僅為25mA，損失率達到96.9%，同時在閥室東側墻邊兩處接地測到電流分別為600mA、200mA，說明管道與閥室接地相連，管道內絕大部分電流流向閥室接地。為了進一步確認管道是否與閥室接地相連，通過萬用表與管道、接地相連，利用萬用表通斷功能，進一步確認發現管道與閥室接地相連。

在閥室內查找接地點，發現上游旁通上法蘭被水泥包裹，并且此處未做防腐，確定此處有接地。將此處重新防腐，全線電位上升200mv，但仍未達到標準。繼續用PCM+A字架在7#閥室查找接地點，發現氣液聯動閥接線箱內電纜有很強電流信號，同時此處有較大破損點達到80db（發射機接地點為90db），由此可以判斷此處與閥室接地相連。將氣液聯動閥接線箱內接地斷開，管道全線電位迅速上升，達到標準要求，圖6為英輪線205#至233#樁電位恢復。