动态直流杂散电流干扰中极化试片电流测量

刘 军

(中国石化销售有限公司 华南分公司,广州 510623)



动态直流杂散电流干扰中极化试片电流测量

刘 军

(中国石化销售有限公司 华南分公司,广州 510623)

介绍了一种新型的极化试片电流测试方法。该技术采用高精度数据记录仪监测受到动态直流杂散电流干扰的极化试片中流进、流出的直流电流。该结果可以用于埋地钢质管道直流杂散电流干扰的评价，为查找直流杂散电流干扰腐蚀风险点提供依据。

直流杂散电流;挂片;阴极保护

腐蚀是埋地钢质管道安全运行所面临的最大风险之一。阴极保护与涂层的联合应用是国际上公认有效的埋地钢质管道防腐蚀技术。根据现行国家标准[1]，管地界面极化电位是判断阴极保护有效性的准则，在现场应用中，经常采用断电电位作为评价阴极保护效果的指标[2]。但是，随着我国城市基础建设的大力发展，城市周边埋地管道受到强烈的直流杂散电流干扰，已成为影响管道安全运行的重大风险。这些直流干扰源中较为突出的一个就是地铁动态直流杂散电流干扰。由于上述杂散电流的存在，密间隔电位测试(CIPS)已不具有实施的意义；即使采用试片断电法来测试断电电位，也无法彻底消除因参比电极与试片之间IR降而导致数据判读的困难。故管道管理单位无法准确地评价管道阴极保护的有效性。

此外，关于直流干扰的识别，在GB 50991-2014埋地钢质管道直流干扰防护技术标准[3]中提出要采用地电位梯度或自然电位的偏移来判断土壤中杂散电流的强弱。

管道工程处于设计阶段时，可采用管道拟经路由两侧各20 m范围内的地电位梯度判断土壤中杂散电流的强弱，当地电位梯度>0.5 mV/m时，应确认存在直流杂散电流；当地电位梯度≥2.5 mV/m时，应评估管道敷设后可能受到的直流干扰影响，并根据评估结果预设干扰防护措施。

没有实施阴极保护的管道，宜采用管地电位相对于自然电位的偏移值进行判断。当任意点上的管地电位相对于自然电位正向或负向偏移超过20 mV，应确认存在直流干扰；当任意点上管地电位相对于自然电位正向偏移大于或等于100 mV时，应及时采取干扰防护措施。

对于已经运行的埋地管道，因为准确的自然电位无法获知，导致上述评价准则无法采用、实施。这是目前业界对于动态直流杂散电流干扰下管道受干扰程度的评价以及腐蚀风险评估的一个难点。

在动态杂散电流干扰的治理研究中，已有主要针对断电电位的测试方法、极化试片设计等方面的研究，但鲜有关于埋地试片吸收或排放直流杂散电流的研究。本工作对流经埋地极化试片的直流电流进行了现场测试，以期为动态杂散电流的测试和缓解提供新的思路。

1　极化测试探头技术

埋地钢质管道采用阴极保护后，因电流在土壤介质中的IR降及杂散电流的影响，很难精确测得真实的极化电位[4-6]。目前消除IR降的常规方法是瞬间断电法。所谓瞬间断电法是指瞬间断开阴极保护电流(此时电流I为零)而测得的断电电位。瞬间断电法测得的断电电位近似等于极化电位，在管道电位现场测试中，就采用此方法来评价阴极保护的有效性。

瞬间断电法的准确测试需要具备以下三个基本条件：①多套阴保系统要实现同步断开；②所有与管道相连的均压线均应断开；③没有杂散电流的干扰。在管线的实际现场测试和管理中，特别是在存在动态直流杂散电流干扰的情况下，很难将测试得到电位里面的IR降消除掉，这给阴极保护效果的准确评价造成一定的困难。

近年来极化试片测试技术得到越来越多的关注和应用。极化试片采用与待测管道同样的钢材制作，埋设在管道附近，以模仿管道防腐蚀层上的破损点。如果该试片的断电电位满足阴极保护的准则要求，那么管道防腐蚀层上同等尺寸或者更小的破损点也会得到足够的阴极保护[7]。

在现场使用中，应令极化试片与参比电极尽可能接近。在测得的试片断电电位中，阴极保护电流及其他电流(杂散电流、平衡电流及大地电流)的影响会被尽量消除。但是在动态直流杂散电流的干扰情况下，该杂散电流引起的IR降很难被彻底消除。在这些情况下继续使用试片断电电位来判断管道的阴极保护水平和腐蚀风险，具有一定的不准确性。

判断金属结构物是否达到足够阴极保护的另外一个参数是电流密度。在阴极保护设计中，保护电流的需求就是根据保护电流密度来计算和确定的。如果能对流经极化试片的直流电流进行连续测定，那么就有可能在极化试片吸收、排泄直流电流量的基础上，发展出一种新的杂散电流影响严重程度以及阴极保护有效性的评价方法和准则。

2　极化试片电流测试法在成品油管道的应用

华南分公司某成品油管道受到地铁动态直流杂散电流严重干扰。在地铁运行期间，管道的通电电位在-10～10 V(CSE)间波动；在地铁停运时，管道的通电电位恢复正常。图1为某测试桩处通电电位。

在本杂散电流测试与研究项目中，采用新型数据记录仪与极化试片对管道的通电电位、直流杂散电流等参数进行长时间监测。所使用的数据记录仪按照图2进行接线，记录流经试片的直流电流以及试片通电电位。通过专用软件，导出电位、电流数据，绘制曲线。

测试中所用试片的形状为平面圆盘状，面积为5 cm2。当极化试片直流电流为正值时，表明电流由土壤流入试片表面，试片和管道可得到阴极保护；测试的极化试片直流电流为负值时，表明电流由试片流入土壤，试片和管道将有腐蚀风险。

由于管道受到动态杂散电流影响，试片瞬间的直流电流方向会不断变化，图3为1号测试点的试片电流长时间连续监测记录。

该数据记录仪在配合参比电极使用时，也可以对极化试片的通电电位进行监测。由图4可见，当测试的极化试片直流电流为正值时，表明电流由土壤流入试片表面，管道的通电电位较负；测试的极化试片直流电流为负值时，表明电流是由试片流入土壤，管道的通电电位向正方向偏移。所测得的通电电位包含由直流杂散电流引起的IR降，所以出现上述试片电流与通电电位的对比关系。

2号测试点的试片电流与通电电位的情况见图5和图6。2号测试点的杂散电流干扰情况与1号测试点类似，流经试片的直流电流的大小与方向都发生动态剧烈变化，试片的通电电位与该直流电流存在明显的因果关系。

在之前描述中提到，当测试的极化试片直流电流为正值时，表明电流由土壤流入试片表面，试片和管道可得到阴极保护；测试的极化试片的直流电流为负值时，表明电流是由试片流入土壤，试片和管道将有腐蚀风险。本次现场测试工作对受地铁干扰的25处测试桩进行了极化试片杂散电流的监测，针对每处测试点都进行了试片直流电流的长时间(1 h)监测。

在后期数据处理中，将测试点的试片直流电流取平均值后发现，有11处测试点的极化试片直流电流平均值为负，表明极化试片处于排泄电流的状态。具体平均电流数值见表1。

表1　极化试片平均直流电流为负值的测试点数据

当管道防腐蚀层破损点处有大量的氢氧根离子时，电流自管道流出时可能发生的氧化反应如下：

(1)

该反应不消耗金属，不会导致腐蚀。但是前提条件是管地界面存在足够的氢氧根离子。

关于受地铁动态直流干扰的管道表面排泄电流造成的腐蚀与动态直流电流的关系，目前还没有成熟的理论。所以如果有电流从管道经过管地界面进入土壤，只能初步判断管道在此处可能有腐蚀风险。目前急需将动态直流杂散电流的流出对埋地钢质管道的腐蚀影响进行定量化研究，以确定上述干扰情况下管道是否会发生腐蚀以及腐蚀量的大小。

3　结论

采用数据记录仪结合极化试片，对动态直流杂散电流干扰情况下流经试片的直流电流的大小与方向以及试片的通电电位进行同步监测。现场监测数据表明流经极化试片的直流电流的方向与大小都发

生了剧烈的变化，管道的通电电位也随之波动。

通过进一步计算各点的极化试片直流电流的平均值，可以找到杂散电流排泄区，即管道腐蚀风险较大的区域。但是由于目前尚没有成熟的理论和应用经验将动态变化的直流电流用于量化评估腐蚀风险和评价阴极保护有效性，所以上述数据的进一步解读有待继续深入研究。

此外，在动态直流杂散电流干扰的情况下，极化试片的电流方向无明显规律变动，尚需对其波动性进行长期跟踪测试总结统计学规律，其对金属表面的电化学反应的影响也有待进一步研究。

[1]GB/T 21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].

[2]GB 21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量方法[S].

[3]GB 50991-2014埋地钢质管道直流干扰防护技术标准[S].

[4]李自立，谢跃辉，郝宏娜,等. 埋地管道阴极保护电位测量方法研究进展[J]. 腐蚀与防护，2012,33(1)：55-59.

[5]胡士信，熊信勇，石薇,等. 埋地钢质管道阴极保护真实电位的测量技术[J]. 腐蚀与防护，2005，26(7)：297-301.

[6]薛致远，张丰，毕武喜,等. 东北管网阴极保护通电/断电电位测量与分析[J]. 油气储运，2010,29(10)：772-774.

[7]NACE RP0104-2004The use of coupons for cathodic protection monitoring applications[S].

Measurement of Coupon DC Current in Dynamic DC Stray Current Interference

LIU Jun

(Sinopec Product Oil Pipeline Southern Company, Guangzhou 510623, China)

A new method for measuring DC current through coupon is introduced. A high accuracy data logger was used to monitor the DC current that was picked up or discharged by coupon. This method could be implemented in the evaluation of dynamic stray current interference and may provide valuable information for identification of corrosion risk points on buried pipeline.

DC stray current; coupon; cathodic protection

10.11973/fsyfh-201601016

2015-05-04

刘 军(1976-),工程师,硕士,从事金属腐蚀与防护相关研究,15920579881,ljyyh2004@163.com

TG172

B

1005-748X(2016)01-0068-03