NACE标准SP0169中的－850 mV电位准则

付更扬

（中石油昆仑燃气有限公司，湖南分公司，长沙410000）

NACE标准SP0169中的－850 mV电位准则

付更扬

（中石油昆仑燃气有限公司，湖南分公司，长沙410000）

SP0169（前RP0169）标准在防腐蚀业界被广泛采用，但SP0169标准中关于阴极保护有效性的－850 m V（相对铜／硫酸铜参比电极，下同）通电电位准则存在技术争议，在SP0169－2007的修订过程中引起广泛的讨论。本工作对NACE标准的修订流程进行了介绍，从实践和理论的角度阐释了－850 mV准则的来历，并对－850 mV通电电位和极化电位准则的有效性进行了比较。

SP0169；阴极保护；电位准则；－850 mV；通电电位

Robert J.Kuhn于1928年在美国新奥尔良的一条天然气长输管道上安装了世界第一台阴极保护整流器，这是埋地钢质管道阴极保护应用的开始。Kuhn在1928年美国国家标准局（National Bureau of Standards）组织的阴极保护会议上第一次提出了－850 mV（相对铜／硫酸铜参比电极，下同）通电电位的准则。现代阴极保护技术就是基于这个准则发展起来的。

美国国家腐蚀工程师协会（NACE）在1969年颁布了第一部阴极保护准则标准RP0169－1969，该标准应用于埋地或水下钢质管道的外腐蚀控制。此后，该标准历经多次修订和重新确认。2007年该标准由推荐做法（Recommended Practice）升级为标准做法（Standard Practice）。SP0169最新版本于2013年10月正式颁布［1］。在SP0169的各版本中共出现过六个阴极保护有效性准则［2］：（a）－850 mV通电电位准则（考虑IR降）；（b）极化电位至少－850 m V（不含IR降）；（c）100 m V阴极极化（不含IR降）；（d）通电电位负向偏移至少300 mV（含IR降）；（e）电位至少负移至E-lg J曲线的塔菲尔段的初始负电位值（不含IR降）；（f）在预先确定的电流流出位置测量从电解质流向金属构筑物表面的电流，如果有净流入的保护电流，就可认为达到阴极保护。（净保护电流准则，含IR降）。

在最新版的SP0169－2013标准中，存在如下三个阴极保护有效性准则：

（1）通过实践确认在特定管道上能实现有效保护的电位准则，可以在该管道以及类似工况的管道上使用；

（2）100 m V阴极极化准则——阴极极化量最少为100 mV，可通过极化形成或者极化衰减测量确认达到此要求；

（3）－850 mV电位准则——使用铜／饱和硫酸铜参比电极测量结构物与电解质界面的电位，达到－850 mV或者更负。该电位可以是直接测量得到的极化电位，也可以是通电电位。在使用通电电位时，应考虑土壤及金属通路上的IR降。

1 －850 mV通电电位准则存在的争议

在对RP0169－1983进行修订的过程中，主导修订工作的T-10-1委员会经调查，发现70％阴极工程师没有考虑阴极保护通电电位准则中的IR降问题［3-6］。由此，在RP0169－1992中加入了－850 mV极化电位准则。这就造成了该标准中－850 mV通电电位准则和极化电位准则共存的局面。

采用－850 mV通电电位准则时，即使管道极化电位没有达到－850 mV，但是如果管道周边土壤情况比较稳定，管道的自腐蚀电位会逐渐向正方向偏移。相对来说，管道阴极保护的极化是逐渐增加的。这对抑制钢管表面的腐蚀是有利的。

2 SP0169－2007的修订历程

在2002年的NACE腐蚀大会中，STG 05专业技术组发布了一个关于RP0169－1996中阴极保护准则的报告［4］，该报告提出：①该标准中的第六章无法获得重新确认（第六章是关于阴极保护准则的内容）；②－850 mV通电电位准则与－850 mV极化电位准则之间关系不明确；③需要借鉴考虑国际上其他的标准；④关于100 mV阴极极化“形成”准则和100 mV阴极极化“衰减”准则存在困惑；⑤需要补充关于微生物腐蚀和高温腐蚀的阴极保护准则；⑥需要补充避免引起涂层破坏以及适用于高强钢的阴极保护电位上限。

NACE标准每隔5年要进行一次修订或者重新确认。在2002年，STG 05专业技术组成立了TG 285标准工作组对SP0169标准第六章中的准则问题进行修订，随后该修订任务转至STG35专业技术组下辖的TG360标准工作组，该工作组对包含第六章在内的整个标准进行修订。对SP0169标准提出多项重大修改，对第五章和第六章补充，并且追加了关于其他阴极保护国际标准的介绍。此后，最新版本的SP0169－2013于2013年10月正式颁布。

3 －850 mV通电电位准则的来历

Kuhn最早提出了－850 mV的阴极保护电位准则，Kuhn指出，“令管道停止腐蚀的相对于铜／饱和硫酸铜参比电极的电位可能是在－850 mV左右”。随后，实验室研究和现场应用都证明了－850 mV极化电位准则的有效性。目前该准则在全球几个主要阴极保护标准里都得到采用。

Kuhn对铸铁供水管道和钢质天然气管道的阴极保护试验是在地下水位很高的地区进行的，土壤电阻率很低且管道埋深很浅［7］。在这种情况下IR降很小，可用式（1）近似计算［8］：

式中：ρ为土壤电阻率，Ω·m；d为管径，m；J为阴极保护电流密度，A／m2；t为管道埋深，m。

假定土壤电阻率5Ω·m，管径0.2 m，电流密度0.02 A／m2，埋深0.9 m，计算得到IR降为15 mV。在电解质电阻率很低的情况下，－850 mV通电电位准则与－850 mV极化电位准则是非常接近的。处于低电阻率环境的海底管道或盐泥中的管道可以使用－850 mV通电电位准则，但是对于埋地管道来说，通电电位很大程度受IR降的影响。Kuhn于1958年在对德克萨斯州-俄亥俄州长达1 352 km的管道进行了阴极保护工作后提出，极完好涂层的管道应达到－1.000 V的电位。

后人在研究阴极保护的电位准则时，如果忽略了Kuhn当时进行电位测试的特定条件，往往会得出错误的结论。

4 －850 mV极化电位准则的有效性

在20世纪50年代，Schwerdtfeger和Mc-Dorman在美国国家标准局通过大量试验证实了－850 mV极化电位准则的有效性［9］。试验将钢电极置于无气土壤环境中，土壤p H为2.9～9.6。根据试验数据所做的电位与p H关系见图1。

在无气环境中，氢电极是腐蚀电池的阴极电位而钢电极是腐蚀电池的阳极。当阳极与阴极之间不存在电位差时，阳极即停止腐蚀。由图1可见，当极化电位达到－0.77 V（相对SCE）时，两条曲线相交，阳极与阴极之间电位差为零，该电位相对铜／饱和硫酸铜参比电极电位为－0.845 V，接近－850 mV，此处电位不含IR降。Schwerdtfeger和McDorman在试验中将大量钢试片极化到“相交点”所对应的电位，在此电位的结果证实试片腐蚀很轻微。

在20世纪80年代，Barlo和Berry也在实验室研究验证了－850 mV极化电位准则的有效性［10］。该试验针对有氧和无氧两种土壤环境进行了阴极保护电位准则的研究，在两种土壤环境中，采用－850 mV极化电位准则能将埋地金属的腐蚀速率控制在0.025 4 mm／a以下。随后美国燃气协会（American Gas Association）在Barlo和Berry的研究基础上推动了一个为期5 a的现场验证项目，在3个国家的14个地点验证－850 mV极化电位准则的有效性。结果表明，当试片极化到－850 mV时，其均匀腐蚀速率大大降低，远低于0.025 4 mm／a。

阴极保护的经典定义是将结构物表面最不活泼区域（阴极）的电位极化到与结构物表面最活泼区域（阳极）的电位一致。阴极保护有效准则电位就是结构物表面最活泼区域的开路电位。而阴极保护的热力学定义是将结构物极化到在特定环境中的热力学稳定电位。

也可采用基于热力学数据所绘制的铁-水腐蚀体系的电位-p H图（图2）来研究－850 mV极化电位准则的有效性。图2存在三种区域：腐蚀区、免蚀区和钝化区。在免蚀区内，电位和p H的变化不会引起金属的腐蚀，即在热力学上，金属处于稳定状态。有效阴极保护的准则电位即为令金属进入免蚀区的电位。

由图2可见，电位与p H密切相关，所以理论保护电位与介质p H存在对应的关系。以铁为例，其理论保护电位如下（对应Fe2+浓度为10－6mol／L）：p H＜9.0，E＝－0.62 V（SHE）；9.0＜p H＜13.7，E＝－0.085－0.059 1p H V（SHE）；p H＞13.7，E＝0.320－0.088 6p H V（SHE）。

从热力学的角度来说，当p H大于9时，铁处于免蚀区或钝化区，其腐蚀速率可以忽略，达到阴极保护的要求。该点所对应的电位是－0.93 V。事实上，当阴极极化到析氢电位后，因为溶液中有充足的氢离子，所以很难将电位再继续极化至更负。由图2还可见，当电位下降到p H＝9所对应的析氢电位（－847.9 mV）时，铁进入钝化区，基于以下原因阴极保护在此位置已经起到完好的防护作用：（1）此时界面的氧气已经基本消耗殆尽，腐蚀速率降低；（2）界面已经呈现碱性，进入钝化区，表面膜会起到良好的防腐作用；（3）极化电位比较负，腐蚀电池的驱动电压降低，腐蚀速率降低。

5 －850 mV通电电位与断电电位准则的比较

断电电位准则的腐蚀控制有效性见图3。在11种土壤中，－850 m V断电电位准则完全有效。该结论与图4中所示的通电电位准则的保护效果形成了鲜明的对比。在使用－850 m V通电电位准则时，仅有3处（27％）试片的保护效果达到完全有效，在其他73％的试验地点没有将腐蚀速率控制在0.025 4 mm／a以下。

我国四川气田南干线的榕山-佛荫段管道，曾发生过使用通电－850 mV作为阴极保护准则导致严重外腐蚀的情况［11］。该管道管径720 mm，全长25.4 km，使用石油沥青加强防腐蚀层。管道在榕山、合江西阀室、佛荫建有运行良好的阴极保护站，长期监测通电电位均负于－850 mV。在运行20 a后进行内检测发现壁厚腐蚀超过10％的外腐蚀达453处，其中有三处腐蚀区的最大坑深度接近或达到壁厚的75％。在其中一处开挖检查中发现两个腐蚀缺陷，一个腐蚀坑深5.6 mm，另一个腐蚀坑深4.7 mm，分别为壁厚的70％和59％。该处开挖点距榕山阴极保护站仅5.2 km，通电时的管地电位为－0.91 V，土壤电阻率34Ω·m。在随后的电位检测中发现，虽然管道全线通电电位均负于－850 m V，但是断电电位介于－780～－700 m V，管道实际上长期处于欠保护状态。

近年来我国阴极保护业界对－850 m V通电、断电电位准则进行了大量的研究和现场应用验证［12-15］。目前业界基本已经对该问题的重要性有清晰的认识，国内多数管道企业在管道运行中采用－850 mV断电电位／极化电位作为阴极保护有效性的准则。

某天然气管道的长度达上千英里，研究人员统计其累积失效次数并基于时间绘制曲线图。在第一阶段，管道施加了阴极保护但未按准则要求，腐蚀失效事件很多，其对应的曲线的切线斜率非常大；在第二阶段的16 a，管道按照－850 m V通电电位准则施加阴极保护，其对应的切线斜率明显降低，但是仍有腐蚀失效发生；在第三阶段的17 a，管道按照－850 mV断电电位准则施加阴极保护，管道的腐蚀失效基本不再发生，尤其是最后几年的数据，曲线的切线斜率接近为零。该研究数据以及国内外诸多相关研究和验证数据都表明－850 mV通电电位准则不能对该管道进行有效的腐蚀控制，－850 mV断电电位准则可以有效抑制腐蚀的发生。

6 结论

（1）－850 mV阴极保护准则是Kuhn在现场应用中总结出来的。Kuhn所提出的电位准则是通电电位准则。因为特定的原因，Kuhn在其所测试的管道上得到通电电位里面所含的IR降很小，所以Kuhn所提出的通电电位准则非常接近断电电位或者极化电位准则。

（2）大量的现场试验数据以及理论研究表明，－850 mV极化电位准则与阴极保护有效性具有完好的对应关系；－850 mV通电电位准则在某些特定情况下虽然能取得良好的阴极保护效果，但是其有效性存在很大的不确定性。

（3）如因现场应用条件所限无法采用－850 mV极化电位准则，应采用可靠的工程方法确定所测量的通电电位中的电压降的大小，以避免对阴极保护的有效性做出错误的判断。

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－850 mV Potential Criterion in NACE SP0169

FU Geng-yang
（Petrochina Kunlun City Gas Company Limited Hunan Company，Changsha 410000，China）

SP0169，former RP0169，is widely adopted by corrosion protection industry.However，the－850 m V on-potential criterion in this standard is controversial and has aroused extensive discussions.The present paper introduces the revision procedure of NACE＇s standard and explores the experimental and theoretical backgrounds of－850 mV criterion.The effectiveness of on-potential and polarization potential criteria is compared.

SP0169；cathodic protection；potential criterion；－850 mV；on-potential

TG172

：B

：1005-748X（2016）11-0921-04

10.11973／fsyfh-201611014

2015-08-20

付更扬（1970－），工程师，本科，从事天然气管道运行管理相关工作，18670070003