关于阴极保护标准及工程测量方法的探讨

苏俊华，孙海礁，高立群，李灿雷，杨相锋

(1.宁波中科腐蚀控制工程技术有限公司，浙江宁波 315040;2.中国石油化工股份有限公司西北分公司，新疆乌鲁木齐 830011;3.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳 110015)

关于阴极保护标准及工程测量方法的探讨

苏俊华1，孙海礁2，高立群3，李灿雷1，杨相锋1

(1.宁波中科腐蚀控制工程技术有限公司，浙江宁波 315040;2.中国石油化工股份有限公司西北分公司，新疆乌鲁木齐 830011;3.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳 110015)

研究表明，在阴极保护实际工程应用中，传统的通电12 s后断电3 s的测量方法并不能得到准确的断电电位数据。IR降的正确测量可以通过专业仪器得到，也可在工程现场用万用表进行简单测量后进行修正得到。另外，在正常情况下，－100 mV极化可以将电化学腐蚀速率降低到原来的2%;极端情况下也可以降低到原来的1/7。因此应该重视－100 mV的极化标准，并将此准则同样视为阴极保护工程验收的一条重要标准。

阴极保护 IR降 断电测试 保护电位B值

1 阴极保护电位设定

在阴极保护实际工程应用中，如果没有条件测量断电电位，可以设置通电在－1 100 mV左右为宜。根据工程经验，一般情况下IR降在300 mV左右。所以，不应该设置通电电位仅在－850 mV，因为IR降一定会存在。从NACE标准TM0497-1997《埋地或浸泡金属管道系统的阴极保护准则相关的测量技术》(以下简称TM0497)里可以看出，通电电位中包含电压表、测试导线、参比电极、电解质、涂层、管道和管道金属(电解质界面)电位的叠加。电压表、测试导线、参比电极、电解质、涂层和管道电位是指测量回路中电阻性质的电位，即IR降。管道金属(电解质界面)电位指的是金属极化后的电位，即真实保护电位，是一个电容或电感性质电位。因为电压表、测试导线、参比电极、电解质、涂层、管道电位是电阻性质的，而真实保护电位是电容或电感性质的，因此可以通过断电的方式(即瞬间电流为零的方式)来获得IR降的信息。通电测量电位为IR降与真实电位之和，当断电瞬间，电流为零，IR降亦为零，此时测量的断电瞬间的电位就是真实电位，也就是断电电位。

需要说明的是IR降为零的情况基本不存在。因为测量回路中测量导线，管道电阻，涂层电阻必然会造成IR降，如果通电电位和断电电位没有差别，并不能说明系统工作情况良好，应该检查系统是不是存在其它电源供电或电源是否有漏流情况。

2 工程中如何测量IR降

关于测量断电电位，中国标准和美国标准有些偏差。在SY/T 0023-1997《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》中规定了阴极保护系统各种参数的测试方法，其中规定断电法测保护电位采用阴极保护站处于向管道供电12 s，停电3 s。停电3 s期间用地表参比法测得的电位，即为参比电极安放处的管道保护电位。即“12 s，3 s”测量方法。这种规定给实际操作带来了很大的困难，因为在停电3 s期间的前0.5 s和后0.5 s测量的数据可能会大不相同。

由于对这个标准的机械理解，有些恒电位仪生产商设置了通电12 s后断电3 s，在3 s内任取一读数作为断电电位的错误测试方法。

关于断电3 s，NACE标准TM0497中9.3.2条规定:为避免管道明显的去极化，断电时间必须限定在仅够作出准确的电位测量的时间。通常，断电时间不能大于3 s。同时，9.6.2条又补充说明:关于这种测试方法的具体过程，在所有电源安装必需的断路器，在测试过程中同步“关”和“开”。“关”的过程应当保持在越短越好，但要能准确读数。

根据对NACE标准 TM0497的理解，IR降的测量应该在最短的时间段内取得，只要能准确读数，整个过程不能超过3 s。而不应该是在3 s内取得任一读数都可以作为断电电位。

按照标准规定，测量IR降是越快越好。快的程度在NACE标准TM0497中规定:“存在于管道-电解质电位测试过程中的电压降(IR降)的影响可以通过中断所有明显的电源得到并进行检测。这个测量结果被指为“瞬间断电”电位(instnag-off)。这种测量必须在电流中断后立即进行，不能有任何可观察到的延迟现象以避免去极化过程未能记录，测得的电位被作为测量点的极化电位。因为中断电流可能造成一个电位脉冲，应避免将电脉冲的电位记录为极化电位”。同时，标准指出，这个脉冲的时间宽度一般不超过0.5 s。

因此认为真实瞬时断电电位应在1 s内取得。这样，由于普通的万用表记录数据的时间间隔是每秒2～3次，所以用普通万用表很难准备记录断电瞬间数据。一般采用专用的电位记录仪来进行断电测试。专用电位记录仪的记录过程见图1。

从图1可以看出，断电电位在断电后200 ms左右就出现了，如果不用专用的仪器，很难进行断电测试。

在实际工程测量中，由于野外工作条件限制，也可以使用万用表进行简单的断电测试，即将万用表两端接在测试桩或电源的阴极和阳极上，同时由其他人配合断电操作，记录断电后万用表显示的第一个和第二个数据。此数据一般比准确的断电电位稍低，根据经验稍加修正后可以作为有效的断电测量数据使用。

3 －100 mV标准的使用和意义

在SY，NACE和API相关标准中都提到了阴极保护的另外一个准则，即最少有100 mV的阴极极化。

在实际工程应用中，经常有技术人员把这条标准理解为－850 mV标准的补充，即在不能达到－850 mV标准的情况下，才使用这条准则。最近，有研究人员提出不同的看法，即此标准决不是对－850 mV的补充，而应视为一条正常的验收标准。经仔细查核国内外相关标准，也未发现有将此条标准作为－850 mV标准补充的依据。

国内有阴极保护专家给出了关于此标准的理论推算:

假设某一体系未施加阴极保护时，其腐蚀电位Ecorr为－550 mV，腐蚀电流密度为Jcorr 1;施加阴极保护之后，其保护电位Ecp为－650 mV，于是，其阴极极化值 △E为 －650与 －550之差(－100 mV)。设在－100 mV极化值条件下，被保护对象的腐蚀电流密度为Ja1，由腐蚀电化学原理可知:

式中:βa1为被保护对象阳极溶解反应的塔菲尔斜率。

通常在活性区金属阳极溶解反应的塔菲尔斜率约为几十毫伏。前苏联著名的腐蚀科学家托马晓夫的研究结果表明:铁在不同湿度和不同结构的土壤中，其常用对数的塔菲尔斜率ba为0.06 V，由于 ba=2.303βa，故 βa1=26 mV，于是:

上式表明:对被保护对象施加了阴极保护、并且阴极极化值达到－100 mV时，被保护对象在这一阴极极化值下，其腐蚀速度降低了98%，只有未施加阴极保护时的腐蚀速度的2%。

从腐蚀速率变化的百分比看，－100 mV极化值所达到的保护效果是显著的。

以上的推论可知，βa1是一个关键因素。曹楚南指出B 值(即 βa1)一般在 13～30 mV［1］。而有的文献指出 b值(即 ba值)一般取 0.06～120mV［2］。根据换算，B 值在26～52 mV。综合上述两个文献，假设B值取13～52 mV，则计算的Ja1/Jcorr1值(即腐蚀反应抑制程度)见表1。

表1 阴极极化后腐蚀抑制程度 %

从表1可以看出，在正常情况下，－100 mV极化可以将电化学腐蚀速率降低到原来的2%;极端情况下，也可以降低到原来的1/7。如果极化达到－150 mV，即使在极端情况下，腐蚀也降低到原来的1/20。

因此应该重视－100 mV的极化标准，并将此准则同样视为阴极保护工程验收的一条重要标准。

需要说明的是，使用这条准则也必须重视IR降的影响，从上面的计算公式也可以看出，用来计算△E的保护电位应去除IR降，指的是结构的真实极化电位，并不是指通电电位。

4 结语

(1)工程应用中，应测量断电电位，正确设置阴极保护电位;如无条件测量，则阴极保护系统的通电电位可以设置在－1 100 mV左右。

(2)阴极保护系统中一定会存在IR降。IR降的正确测量可以通过专业仪器得到。在工程现场，可采用万用表进行简单测量后进行修正。

(3)根据理论计算，－100 mV标准应作为一条重要准则在阴极保护工程中应用。

［1］曹楚南.腐蚀电化学［M］.北京:化学工业出版社，1994:59.

［2］H.H.尤里克.腐蚀与腐蚀控制［M］.北京:石油工业出版社，1985:62.

Study on Cathodic Protection Standard and Engineering Measurement

Su Junhua1，Sun Haijiao2，Gao Liquan3，Li Canlei1，Yang Xiangfeng1
1.Ningbo Zhongke Corrosion Control Engineering Technology Co.，Ltd.(Ningbo，Zhejiang 315040)2.SINOPEC Northwest Oil Field Company(Urumqi，Xinjiang 830011)3.Institute of Metal Research of Chinese Academy of Sciences(Shenyang，Liaoning 110015)

The research has shown that，in project application of cathodic protection，the accurate electric potential data can not be got by conventional measures，i.e.measurement after power on for 12 s and power off for 3 s.The correct measurement of IR drop can be obtained by special instrument or by universal meter after correction.In normal conditions，－100 mV polarization can reduce the electro－chemical corrosion rate to 2%of the original and 1/7 of the original in extreme case.Great attention shall be paid to －100 mV polarization standard，which shall be regarded as an important standard in the inspection and acceptance of cathodic protection project.

cathodic protection，IR drop，power－ off testing，protection electric potential，B value

TG174.41

A

1007－015X(2011)03－0025－03

2010－09－ 29;

2011－03－24。

苏俊华(1972－)，男，高级防腐蚀工程师，硕士学位，现在宁波中科腐蚀控制工程技术有限公司从事腐蚀与防护技术开发工作，主要研究领域为阴极保护和涂层防护。E－ mail:18917134111@189.cn