劉權 劉點玉 單勁智 葛艾天

中石油北京天然氣管道有限公司

摘 要： 通過對陰極保護準則應用以及電位測試IR降規律等相關問題的分析，探討了陰極保護站不同運行模式的特點，分享了陰極保護運維過程中總結的一些經驗。

關鍵詞： 陰極保護準則； IR降；站內外干擾；運行模式

涂層和陰極保護是管道外腐蝕控制的重要手段。在管道設計、施工階段合理選擇管道涂層和陰極保護形式，在管道運行階段保證涂層完好和陰極保護系統有效，對保障管道本體安全至關重要。

管道埋地后涂層的全面檢查和修復變得相對困難。如何對管道施加有效的陰極保護，保證即便涂層存在破損情況，破損點處電位仍能滿足陰極保護準則，其周圍環境保持較高的pH值，成為外腐蝕控制的關鍵。

目前在管道陰極保護系統日常運行和有效性評價過程中，仍存在一些認識和理解上的差異，需要進一步討論，以期促進管道行業外防腐管理水平提高。

1 陰極保護電位測試中的IR降

陰極保護是一種電化學技術，其有效性通過表征管道陰極極化水平的保護電位判斷。目前管道陰極保護有效性評價主要依據GB/T 21447《鋼質管道外腐蝕控制規范》、 GB/T 21448《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》等標準。其中表述陰極保護電位范圍為，其中E 1為限制臨界電位， E IRfree為無IR降的陰極保護電位， Ep為最小保護電位。在實際管理過程中一般將管道的保護電位限制在﹣850 mV至﹣1 200 mV之間。

由于理解偏差，往往將恒電位儀的通電電位設置在﹣1 200 mV左右，忽略了土壤電阻等造成的IR降的成分，使實際管/地電位不能滿足標準要求。保護電位的設置是基于整條線路極化電位，而不僅是通電點處的電位水平，通電電位通常要比極化電位偏負，考慮到IR降的影響，通電電位一般在﹣900 mV至﹣3 000 mV之間。俄羅斯標準《GOST 9.602-2005UNDERGROUND CONSTRUCTIONS Generalrequirements for corrosion protection》就明確規定基于XPE涂層的管道的通電電位為﹣900 mV至﹣3 500 mV。

在日常測試和評價陰極保護有效性過程中，應充分理解通電電位、 IR降和斷電電位之間的關系。由于通電電位測試相對容易便捷，在現場測試過程中部分工程人員往往利用測試樁處某次測得的通電電位、IR降和斷電電位，將IR降部分作為一個固定值或者通電電位的線性百分比來計算保護電位。實際上， IR降占比是隨通電電位變化的，隨著季節性土壤電阻率變化， IR降占比也會變化，應充分理解IR降和管道極化的意義及與通電電位的關系，避免錯誤判斷陰極保護的有效性。

為驗證IR降大小與通電電位的關系，通過極化試片法對地鐵附近管道監測數據進行了對比分析，極化試片法的測試接線如圖 1所示，通過信號斷路器的中斷，可以測試與管道連接的試片的通/斷電位。

圖 1  極化試片法測試通/斷電位接線圖

根據采集的數據繪制了通/斷電電位曲線和IR降在通電電位中占比情況對比圖（圖 2），數據顯示隨著通電電位的變化，斷電電位變化比較平穩，而IR降電位在通電電位中的占比隨通電電位變化而變化。

圖 2  通 斷電電位及IR降占比對比圖

2 日常管理

管道沿線周邊環境的變化有可能影響管地電位，從而影響陰極保護效果，在日常維護中管地電位的監測和陰保系統的輸出調整是必不可少的。沿管道進行的管地電位測試是評價陰保系統運行有效性最常見、最有效的手段。管道公司對于測試時間、頻率、數據格式等都有較為明確的要求。然而在數據測試和分析中，存在著以下影響陰極保護效果評價的因素。

（1）只測試陰極保護系統通電時管地電位（on電位）忽視瞬斷電位（off電位）的測試（見前述）。

（2）只在測試樁處測量管地電位，很少開展密間隔電位測試。

近年來，管道外防腐層整體性能大幅提升，導致沿管道的陰極保護電流衰減通常并不明顯，在間隔為1千米的測試樁上測得的管地電位基本可以體現管道的陰極保護水平。對于衰減較大的管道或外防腐要求較高的管道，定期開展密間隔電位測試有助于更加準確地分析判斷陰極保護效果和重新定義管道陰極保護率，及時發現短距離范圍陰極保護不足和整改局部孤立外防腐層破損、搭接和干擾防護不足的問題。如在密間隔電位測試中發現由于其他構筑物接地造成陰極保護電流屏蔽形成的陰極保護不足，圖 3所示。

圖 3   CIPS測試曲線及電流屏蔽段

（3）重測試輕分析，數據分析不足。毫無疑問，管地電位測量的頻率越高，對管道陰極保護的監控效果越好�；�于此種考慮，很多企業將測量周期定為1個月甚至更短，但也會帶來一些問題：首先，高頻率的測試意味著大量的現場工作量，過多牽涉管理人員的精力；其次大量的測量數據如果得不到及時的分析，陰保系統來不及調整穩定便又開始新一輪的測試，管理效果反而大打折扣。國外很多管道公司陰極保護電位測試周期規定為半年1次或1年1次，但是都非常重視數據的分析和分析結果的響應（調整、整改）。國內在管道周邊環境相對穩定，管道電流需求量也相對穩定的情況下，可根據季節變化每年測量2～4次。

（4）不重視交流干擾數據的測試分析。近年來，因交流干擾影響管道安全運行的情況日益普遍。有研究結果表明，存在10 V以內的電壓差就有可能造成近距離安裝的金屬結構發生瞬間或持久的放電現象，對于輸送易燃易爆油氣介質的管道造成嚴重的安全隱患。令人擔憂的是，一些管道只是出現問題和事故之后，才發現很久以來一直存在著交流干擾的情況。目前交流干擾的防護技術已較為成熟，在每次陰極保護管地電位測試的同時進行管地交流電位的測試，便很容易發現存在的交流干擾情況，進一步采取防護措施，避免問題發生。

3 陰極保護站間距設置

國內新投產的管道普遍采用三層聚烯烴涂層，其良好的涂層電阻率，管道的衰減常數小，部分陰極保護站的間距可達200 km以上。但隨時間推移，涂層絕緣性能會變差，系統需要輸出更大的電流來保證陰極保護的有效性，增加設備負荷，也易造成靠近陰極保護站附近過保護。間距如果過大，對其間管道電位調節缺乏靈活性，一旦出現陽極地床故障或局部陰極保護不足，不能充分利用陰極保護站之間的系統冗余進行調節，降低了管道陰極保護率。

4 陰極保護電源運行模式的探討

陰極保護電源是實現陰極保護有效性的核心設備，常用的電源具有恒位、恒流和整流器三種工作模式。其中恒電位功能是通過將通電點處管地電位反饋與儀器的輸出設置進行對比運算，及時調整設備的電流輸出，保證通電點的管地電位與設置輸出電位一致，設備通過“反饋”“對比運算”“輸出調節”等模塊調整輸出電流，在一定程度上保證了管道沿線管地電位的穩定。但恒電位功能有其與生俱來的局限性，如果管道沿線局部的電位變化不能對通電點處的管地電位造成明顯的影響，那么恒電位功能就不能作用到該局部。一旦管道在通電點附近遭受局部直流干擾，陰保電源會大幅調整其電流輸出，這種情況在通電點受到陽極干擾時尤為危險，因為電源會減少電流輸出以實現通電點的電位恒定，很可能造成遠端的保護不足。由于管道周邊環境相對穩定，除季節性變化外，管道電流需求量變化不大，在通電點附近易受雜散電流干擾的情況下，恒電流或整理器控制模式相較于恒電位模式能很好地克服通電點處電位波動造成全線電位不穩定的情況，保持陰極保護系統運行的可靠性。

5 雜散電流干擾

干擾是管道陰極保護系統運行維護過程中不可回避的問題，管道運行方往往重視外界對自身管道的干擾，卻忽略了自身管道設施之間以及自身管道對外界的干擾。例如，同一個站場既擔負著干線陰保站的功能其站內埋地管網又施加了外加電流陰極保護，干線陰保系統的陽極電場不可避免地與站場陰極保護的陽極電場發生疊加而相互干擾，一些情況下已經影響到管道的外防腐效果。又如，當電氣化鐵路或輸電線路與管道靠近時，管道運行單位均能夠采取測試及防護措施以防范其對管道的干擾。與此同時，管道的陰極保護或排流措施對其路基或塔架基礎的金屬結構的干擾卻沒有得到對方重視,雙方尚未建立有效的協調解決機制。

6 結束語

腐蝕防護是一門實踐工程學科，盡管管道陰極保護的原理簡單，技術成熟，但其隱蔽性的特點，容易使人麻痹大意，不易引起重視。加之管道所處環境相對開放，新情況和新問題不斷出現，需要進一步總結經驗和教訓，以達到持續改進的目標。

劉權，男， 1981年出生，本科，工程師，就職于中石油北京天然氣管道有限公司，主要從事腐蝕控制工作。