输油管道阴极保护电位测量误差及其消除方法

何腾蛟

(中石油渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司，河北 任丘 061000)



输油管道阴极保护电位测量误差及其消除方法

何腾蛟

(中石油渤海钻探工程有限公司管具技术服务分公司，河北 任丘 061000)

国内输油管道基本使用的强制电流法阴极保护系统，一般使用恒电位仪的恒电位模式，但随着投用时间变长，部分场站出现恒电位仪控制电位绝对值小于通电点电位的情况。分析产业测量误差的原因包括了阴极保护电源测量误差、参比电极测量准确度、管道周围地电场影响和电位测量系统等问题。通过电位测量误差计算发现：使用的参比电极内阻越小，测量设备的内阻越大，则测量值与真实值之间的误差越小；无论使用何种测量设备，测量值的绝对值均小于真实值；长效参比电极内阻值对实际电位测量的影响是存在的，阻值较大时，测量误差可达10%以上。多测量设备同时测量时，不同测量设备并联测量同一电位时，测量值相同；并联的设备越多，测量值与真实值之间误差越大。

输油管道；强制电流法；阴极保护；参比电极；内阻；电位测量

输油管道多使用强制电流法阴极保护，阴极保护电源采用数控高频开关恒电位仪，埋设在管道附近的长效硫酸铜参比电极提供参考电位[1]。在现场运行过程中，近期发现电位异常现象，恒电位仪控制电位设置为-1200mV，在恒电位仪接线处使用数字万用表实测电位为-1200mV，但在通电点实测出电位为-1320mV。管道电位衰减与阴极保护间的距离成正比，在阴极保护站前后几千米内测得的管道保护电位均负于-1200mV，这有悖于常规的阴极保护理论[2]。该测量误差出现概率较大，误差偏差数值较大，应予以消除。

1　测量误差原因分析

使用常规手段[2]对阴极保护电源、参比电极、管道周围地电场等进行排查，逐一排除或找出造成误差的原因。

1) 阴极保护电源测量问题管道通电点与阴极保护电源零位线仅有一根零位电缆连接，而理论上零位电缆的电流为毫安级，且电缆本身内阻非常小，所以参比电流流经零位电缆形成的压降非常小。实际测量亦证明并非电气接触不良造成的误差。阴极保护电源经过校准和实际测量证明，设备本身读取电位和显示电位功能良好，无明显误差。输油管道阴极保护电位异常问题基本排除设备和接线问题。

2)参比电极测量准确度通过使用不同参比电极对比长效参比电极读数，发现长效参比电极测量误差非常小，与便携式对比，误差基本控制在5mV之内。可排除参比电极损坏或读数不准造成测量误差的问题。

3)管道周围地电场影响输油管道阴极保护一般使用浅埋阳极地床，地床距管道垂直距离大于200m。实测管道附近，阳极床造成的地面电位梯度小于0.5mV/m，由此可推断地电场对参比读数的影响较小。

4)电位测量系统问题恒电位仪使用内置电位测量系统进行电位读取，而实测管道电位使用数字万用表进行测量，测量电位分别使用长效和便携式参比电极进行测量。根据绘制测量电路分析，发现长效参比电极内阻变化对电位测量影响较大。

2　电位测量误差计算

2.1电压测量原理

一般测量电压的基本原理是将万用表并联到被测量回路，测量流经万用表的电流，通过欧姆定律，使用电流乘以内阻计算电压[3]，如图1所示。

图1　测量电压原理图

设被测(参比电极)内阻为R1，未连接万用表时两端电压(管道电位)为V1，万用表或恒电位仪测量回路的内阻为R2，流经电流为I2。根据基尔霍夫电流定律，计算此时万用表或恒电位仪的电流I2和电压V2为：

式中：R为电阻，Ω；V为电压，mV；I为电流，A。

显然，连接万用表或恒电位仪前后：V1≠V2。

2.2误差计算

一般使用数字万用表内阻为10MΩ，恒电位仪测量回路内阻为1MΩ，参比电极的内阻一般小于10kΩ。假设被测电位为V1=-1200mV，则当用万用表测量实测数据为：

万用表测量时实测数据误差接近千分之一。

当用恒电位仪测量时实测数据为：

恒电位仪测量时实测数据误差接近百分之一。

随着长效硫酸铜参比电极使用年限变长，参比电极内部硫酸铜消耗过多，参比电极的内阻会逐渐变大；实测输油站使用10年左右的长效参比电极内阻约100kΩ。在这种情况下，用万用表测量，实测数据为：

万用表测量时误差接近百分之一。

用恒电位仪测量，实测数据为：

恒电位仪测量时误差接近十分之一。

通过上述计算发现：①使用的参比电极内阻越小，测量设备的内阻越大，则测量值与真实值之间的误差越小；②无论使用何种测量设备，测量值的绝对值均小于真实值；③长效参比电极内阻值对实际电位测量的影响是存在的，阻值较大时，测量误差可达10%甚至更大。

2.3多测量设备同时测量

多测量设备测量同一电位时电路如图2所示。在现场排除故障时，发现同时使用万用表和恒电位仪测得的数值一致。

图2　万用表和恒电位仪同时测量电位原理图

根据电流分流计算，使用万用表和恒电位仪同时测量V1时，并联后的总内阻值R和万用表读数V2、恒电位仪读数V3分别为：

显然：V2=V3

此时，若长效参比电极内阻为100kΩ，则：R=1009091Ω，V2=V3=1081mV。

通过上述计算发现：①不同测量设备并联测量同一电位时，测量值相同；②并联的设备越多，测量值与真实值之间误差越大。

3　电位测量误差消除

通过计算和实际测量，对参比电极进行降阻是切实可行的消除电位测量误差的方法。具体方法是：①长效参比电极应及时浇水降阻；②对于使用年限较长的参比电极应及时更换新的。另外，使用内阻较大的测量设备，也可使电位测量值与真实值之间的误差较小。最终减小因测量方法导致的阴极保护测量误差。

[1]GB/T 21448—2008,埋地钢管管道阴极保护技术规范[S].

[2] 胡士信.阴极保护工程手册[M].北京：化学工业出版社，1999.

[3] GB/T 21246-2007,埋地钢质管道阴极保护参数测量方法[S].

[编辑]帅群

2016-06-14

何腾蛟(1989-)，男，助理工程师，现从事机械加工制造及电器自动化专业研究工作,511033671@qq.com。

TE988.2

A

1673-1409(2016)26-0069-03

[引著格式]何腾蛟.输油管道阴极保护电位测量误差及其消除方法[J].长江大学学报(自科版),2016,13(26):69～71.