刘权 刘点玉 单劲智 葛艾天

中石油北京天然气管道有限公司

摘 要： 通过对阴极保护准则应用以及电位测试IR降规律等相关问题的分析，探讨了阴极保护站不同运行模式的特点，分享了阴极保护运维过程中总结的一些经验。

关键词： 阴极保护准则； IR降；站内外干扰；运行模式

涂层和阴极保护是管道外腐蚀控制的重要手段。在管道设计、施工阶段合理选择管道涂层和阴极保护形式，在管道运行阶段保证涂层完好和阴极保护系统有效，对保障管道本体安全至关重要。

管道埋地后涂层的全面检查和修复变得相对困难。如何对管道施加有效的阴极保护，保证即便涂层存在破损情况，破损点处电位仍能满足阴极保护准则，其周围环境保持较高的pH值，成为外腐蚀控制的关键。

目前在管道阴极保护系统日常运行和有效性评价过程中，仍存在一些认识和理解上的差异，需要进一步讨论，以期促进管道行业外防腐管理水平提高。

1 阴极保护电位测试中的IR降

阴极保护是一种电化学技术，其有效性通过表征管道阴极极化水平的保护电位判断。目前管道阴极保护有效性评价主要依据GB/T 21447《钢质管道外腐蚀控制规范》、 GB/T 21448《埋地钢质管道阴极保护技术规范》等标准。其中表述阴极保护电位范围为，其中E 1为限制临界电位， E IRfree为无IR降的阴极保护电位， Ep为最小保护电位。在实际管理过程中一般将管道的保护电位限制在﹣850 mV至﹣1 200 mV之间。

由于理解偏差，往往将恒电位仪的通电电位设置在﹣1 200 mV左右，忽略了土壤电阻等造成的IR降的成分，使实际管/地电位不能满足标准要求。保护电位的设置是基于整条线路极化电位，而不仅是通电点处的电位水平，通电电位通常要比极化电位偏负，考虑到IR降的影响，通电电位一般在﹣900 mV至﹣3 000 mV之间。俄罗斯标准《GOST 9.602-2005UNDERGROUND CONSTRUCTIONS Generalrequirements for corrosion protection》就明确规定基于XPE涂层的管道的通电电位为﹣900 mV至﹣3 500 mV。

在日常测试和评价阴极保护有效性过程中，应充分理解通电电位、 IR降和断电电位之间的关系。由于通电电位测试相对容易便捷，在现场测试过程中部分工程人员往往利用测试桩处某次测得的通电电位、IR降和断电电位，将IR降部分作为一个固定值或者通电电位的线性百分比来计算保护电位。实际上， IR降占比是随通电电位变化的，随着季节性土壤电阻率变化， IR降占比也会变化，应充分理解IR降和管道极化的意义及与通电电位的关系，避免错误判断阴极保护的有效性。

为验证IR降大小与通电电位的关系，通过极化试片法对地铁附近管道监测数据进行了对比分析，极化试片法的测试接线如图 1所示，通过信号断路器的中断，可以测试与管道连接的试片的通/断电位。

图 1  极化试片法测试通/断电位接线图

根据采集的数据绘制了通/断电电位曲线和IR降在通电电位中占比情况对比图（图 2），数据显示随着通电电位的变化，断电电位变化比较平稳，而IR降电位在通电电位中的占比随通电电位变化而变化。

图 2  通 断电电位及IR降占比对比图

2 日常管理

管道沿线周边环境的变化有可能影响管地电位，从而影响阴极保护效果，在日常维护中管地电位的监测和阴保系统的输出调整是必不可少的。沿管道进行的管地电位测试是评价阴保系统运行有效性最常见、最有效的手段。管道公司对于测试时间、频率、数据格式等都有较为明确的要求。然而在数据测试和分析中，存在着以下影响阴极保护效果评价的因素。

（1）只测试阴极保护系统通电时管地电位（on电位）忽视瞬断电位（off电位）的测试（见前述）。

（2）只在测试桩处测量管地电位，很少开展密间隔电位测试。

近年来，管道外防腐层整体性能大幅提升，导致沿管道的阴极保护电流衰减通常并不明显，在间隔为1千米的测试桩上测得的管地电位基本可以体现管道的阴极保护水平。对于衰减较大的管道或外防腐要求较高的管道，定期开展密间隔电位测试有助于更加准确地分析判断阴极保护效果和重新定义管道阴极保护率，及时发现短距离范围阴极保护不足和整改局部孤立外防腐层破损、搭接和干扰防护不足的问题。如在密间隔电位测试中发现由于其他构筑物接地造成阴极保护电流屏蔽形成的阴极保护不足，图 3所示。

图 3   CIPS测试曲线及电流屏蔽段

（3）重测试轻分析，数据分析不足。毫无疑问，管地电位测量的频率越高，对管道阴极保护的监控效果越好。基于此种考虑，很多企业将测量周期定为1个月甚至更短，但也会带来一些问题：首先，高频率的测试意味着大量的现场工作量，过多牵涉管理人员的精力；其次大量的测量数据如果得不到及时的分析，阴保系统来不及调整稳定便又开始新一轮的测试，管理效果反而大打折扣。国外很多管道公司阴极保护电位测试周期规定为半年1次或1年1次，但是都非常重视数据的分析和分析结果的响应（调整、整改）。国内在管道周边环境相对稳定，管道电流需求量也相对稳定的情况下，可根据季节变化每年测量2～4次。

（4）不重视交流干扰数据的测试分析。近年来，因交流干扰影响管道安全运行的情况日益普遍。有研究结果表明，存在10 V以内的电压差就有可能造成近距离安装的金属结构发生瞬间或持久的放电现象，对于输送易燃易爆油气介质的管道造成严重的安全隐患。令人担忧的是，一些管道只是出现问题和事故之后，才发现很久以来一直存在着交流干扰的情况。目前交流干扰的防护技术已较为成熟，在每次阴极保护管地电位测试的同时进行管地交流电位的测试，便很容易发现存在的交流干扰情况，进一步采取防护措施，避免问题发生。

3 阴极保护站间距设置

国内新投产的管道普遍采用三层聚烯烃涂层，其良好的涂层电阻率，管道的衰减常数小，部分阴极保护站的间距可达200 km以上。但随时间推移，涂层绝缘性能会变差，系统需要输出更大的电流来保证阴极保护的有效性，增加设备负荷，也易造成靠近阴极保护站附近过保护。间距如果过大，对其间管道电位调节缺乏灵活性，一旦出现阳极地床故障或局部阴极保护不足，不能充分利用阴极保护站之间的系统冗余进行调节，降低了管道阴极保护率。

4 阴极保护电源运行模式的探讨

阴极保护电源是实现阴极保护有效性的核心设备，常用的电源具有恒位、恒流和整流器三种工作模式。其中恒电位功能是通过将通电点处管地电位反馈与仪器的输出设置进行对比运算，及时调整设备的电流输出，保证通电点的管地电位与设置输出电位一致，设备通过“反馈”“对比运算”“输出调节”等模块调整输出电流，在一定程度上保证了管道沿线管地电位的稳定。但恒电位功能有其与生俱来的局限性，如果管道沿线局部的电位变化不能对通电点处的管地电位造成明显的影响，那么恒电位功能就不能作用到该局部。一旦管道在通电点附近遭受局部直流干扰，阴保电源会大幅调整其电流输出，这种情况在通电点受到阳极干扰时尤为危险，因为电源会减少电流输出以实现通电点的电位恒定，很可能造成远端的保护不足。由于管道周边环境相对稳定，除季节性变化外，管道电流需求量变化不大，在通电点附近易受杂散电流干扰的情况下，恒电流或整理器控制模式相较于恒电位模式能很好地克服通电点处电位波动造成全线电位不稳定的情况，保持阴极保护系统运行的可靠性。

5 杂散电流干扰

干扰是管道阴极保护系统运行维护过程中不可回避的问题，管道运行方往往重视外界对自身管道的干扰，却忽略了自身管道设施之间以及自身管道对外界的干扰。例如，同一个站场既担负着干线阴保站的功能其站内埋地管网又施加了外加电流阴极保护，干线阴保系统的阳极电场不可避免地与站场阴极保护的阳极电场发生叠加而相互干扰，一些情况下已经影响到管道的外防腐效果。又如，当电气化铁路或输电线路与管道靠近时，管道运行单位均能够采取测试及防护措施以防范其对管道的干扰。与此同时，管道的阴极保护或排流措施对其路基或塔架基础的金属结构的干扰却没有得到对方重视,双方尚未建立有效的协调解决机制。

6 结束语

腐蚀防护是一门实践工程学科，尽管管道阴极保护的原理简单，技术成熟，但其隐蔽性的特点，容易使人麻痹大意，不易引起重视。加之管道所处环境相对开放，新情况和新问题不断出现，需要进一步总结经验和教训，以达到持续改进的目标。

刘权，男， 1981年出生，本科，工程师，就职于中石油北京天然气管道有限公司，主要从事腐蚀控制工作。