伍少杰1  羅欽2  周偉3

1  成都市特種設備檢驗院；2  中國石油西南油氣田公司安全環保技術監督研究院；3  中國石油東南亞管道有限公司馬德島管理處

摘要：分析了壓力管道陰極保護電位測量產生誤差的原因，論述了試片法、瞬間斷電法使用方法和不足，以及極化探頭的構造和使用方法。結合工程實例，考察了采用CU/CUSO4參比電極的極化探頭在埋地鋼制輸氣管道陰極保護參數的測量效果，分析對比各種方法測量結果，發現使用極化探頭法測量管道陰極保護電位，測量誤差最小，更接近于保護電位真實值。

關鍵詞：壓力管道；陰極保護；極化探頭；IR降；極化探頭法；試片法；管道瞬間斷電法

埋地鋼質管道一般采用瞬間斷電電位作為管道是否受到陰極保護的評價標準，但是在某些情況下，管道的真實斷電電位不易測量。比如在存在雜散電流或犧牲陽極與管道直接相連、或者存在外部強制電流設備未被中斷的情況，就很難測到真實電位。所以一般采用極化探頭來測試管道的真實電位。

  1  管道保護電位的測量誤差原因

在運行的陰極保護系統中，將參比電極置于管道附近土壤中測量管道和參比電極之間的電位差，得到通電狀態下的保護電位，為通電電位Von ，一般情況下，Von不等于管道的真實極化電位Vt，可通過切斷陰極保護電流，消除部分誤差。但在某些情況下，斷電電位Voff仍和管道真實極化電位Vt有較大誤差，這些誤差是由于IR降造成的。根據歐姆定律，IR降是由于電流的流動在參比電極與金屬管道之間電解質（土壤）上產生的電壓。把各種誤差△V統稱為IR降。假設將各種誤差△V劃分為可用斷電法消除的IcR和不能用斷電法消除的V0兩部分，那么存在以下關系：

Von=Vt+△V=Vt+IcR+V0    （1）

Voff= Vt +V0        （2）

可消除的IcR是由參比電極和管道電位測量點之間的陰極保護電流Ic、土壤電阻率和管道表面膜或絕緣層電阻造成的，是純歐姆降壓，在陰極保護電流中斷時瞬間消失。

不能消除的V0是由于各種雜散電流、二次電流造成的地電位梯度引起的，是非歐姆壓降。這兩種電流都不會因保護電流中斷而立即消失。因此實際工程中較常見的消除IR降的測量技術為瞬間斷電法、試片斷電法、極化探頭斷電法。

2  管道瞬間斷電法

管道瞬間斷電法要求斷開管道上陰極保護裝置、犧牲陽極，且在測試點處不應有雜散電流的干擾。在實際操作中，不能確保所有電連接都斷開，比如犧牲陽極。該方法無法消除雜散電流和二次電流導致的非歐姆壓降。

3  試片斷電法

在測試點處埋設一個裸試片，其材質、埋設狀態要求與管道相同，試片與管道用導線連接，模擬一個管道覆蓋層的缺陷，由管道提供的保護電流進行極化。測量時只需斷開試片和管道的連接線，就可測到試片斷電電位。由試片電位代表管道電位，避免切斷管道主保護電流以及其他電連接的麻煩。但存在雜散電流干擾時，用測量數據表示參比電極和試片間電解質（土壤）上產生的IR降，產生的誤差會比較大。因此，試片斷電法也不能消除V0。

4  極化探頭法

4.1極化探頭構造

以CU/飽和CuSO4參比電極為例說明極化探頭的構造。該探頭分為上、下兩個腔室，上腔室為參比電極安裝室，下腔室安裝有極化試片、自腐蝕試片、保濕劑，上腔室與下腔室、下腔室與極化試片通過導電鹽橋連接。極化探頭有三根導線分別與參比電極、極化試片、自腐蝕試片相連接。極化試片的連接線既用作試片的極化線又可作電位的測量線。極化探頭法可以測量到最接近真實值的管道陰極保護極化電位，因此更適用于雜散電流區域的電位測量。

圖1  CU/飽和CuSO4參比電極極化探頭結構

4.2   極化探頭的使用

（1） 探頭使用前應先用自來水浸泡底部24小時。

（2） 配置填料包。填充料的構成為：石膏粉75%，膨潤土20%，無水硫酸鈉5%。在混合罐中加入與填包料體積比為1:1的水充分攪拌。

（3）放置填料包和探頭。在管道的一側，與管道中心線的水平距離大約0.1-0.5 m的位置處鉆孔或開挖探頭放置坑，深度等同于管道中心線的深度。將配置好的填料包與探頭直接放入鉆孔或者開挖的土坑中，保證探頭周圍均勻分布有5-10 cm的填料包；也可預先將配置好的填料包與探頭一并放入滲透性良好的天然纖維織品種，然后整體填裝。探頭與填料包安裝好后，在其周圍澆水，保證填料包充分濕潤。取出與管道貼近的土壤放置于探頭回填料周圍，并壓實土壤。為避免電流在探頭試片上的優先分布，對于陽極和管道臨近的情況，探頭與管道的放置距離應小于管道和陽極的距離。

（4）放置過程中盡量減少探頭連接部的電纜受力，放置平穩后稍微用力按壓探頭頂部務必使試片和微滲封端與地面充分接觸。

（5）在施工回填過程中，用過篩后的細土回填，避免損傷電纜和探頭。探頭被回填覆土后，在外面澆適量水，并進行一次檢測，如果能穩定讀數，說明探頭正常，再進行電纜溝回填。在沙漠等干燥地段，應在附近同時安裝一根用于澆水的PVC地漏。

（6）電纜溝回填后，將電纜引入已有的測試樁上，再次進行測試，如果儀表有穩定讀數，說明安裝成功。

5  現場測試效果

用極化探頭對西南片區某管段陰極保護效果進行了現場測試。該管段地處城市周邊，陰極保護方式為外加強制電流和犧牲陽極相結合。周圍有較多電氣化鐵路、高壓輸電塔、銅礦廠，受雜散電流的干擾比較嚴重。用極化探頭和便攜式參比電極測量的電位見表1。

從表 1可知：

（1）極化探頭通電電位與斷電電位之差較小，測量的10個點中，有9個點的通斷電位差都不到100 mV，與便攜式參比電極測量數據比較，其通電電位中包含的IR降較小。

（2）便攜式參比電極測得的通電電位與極化探頭測得的斷電電位存在較大的電位差，這是由于雜散電流和土壤電阻率高造成的。便攜式參比電極測量的通電電位包含的IR降更大。

（3）用極化探頭測量斷電電位，與其他電位比較，包含的IR降最小。 

6  結論

極化探頭法是測量管道陰極保護真實極化電位較理想的手段，與其他測量方法相比，它可以最大程度消除其他電連接和雜散電流對測量結果的影響。可以測到最接近管道真實值的管道陰極保護極化電位。 

作者：伍少杰，1984年生，工程師，學士；2007年畢業于西南石油大學獲得學士學位；主要從事特種設備壓力管道各類檢驗研究工作。 

《管道保護》2017年第5期（總第36期）