刘军

国家管网集团西北公司银川输油气分公司

 

摘要：基于GB/T 21448―2017、GB/T 21246―2020要求，系统分析长输管道沿线土壤电阻率跨度大、杂散电流干扰频繁、多阴极保护系统协同等实际场景下的断电电位测量技术难点。通过分析直接测量法与试片法的适用边界，构建了“分级管控—智能监测—故障闭环”的阴极保护日常管理体系。研究表明，试片法在复杂干扰环境下测量误差可控制在20 mV以内，显著优于直接测量法（误差100～300 mV），是长输管道阴极保护电位测量的优选方案。研究成果为管道腐蚀防控与安全运行提供了技术支撑，对推动阴极保护管理标准化、精细化具有重要实践价值。

关键词：长输油气管道；阴极保护；断电电位；IR降；试片法；智能监测；腐蚀防控

 

长输油气管道作为国家能源战略输送的核心基础设施，承担着跨区域、大流量、长周期的油气输送任务，其外腐蚀防控直接关乎管道运行安全与能源供应稳定性。阴极保护技术作为埋地钢质管道外腐蚀防控的核心手段，其有效性评价的关键在于准确获取管道的极化电位，即消除IR降干扰后的断电电位[1]。

传统阴极保护管理长期依赖通电电位作为评判依据，但通电电位包含土壤电阻压降（IR降），无法真实反映管道极化状态，易导致对欠保护或过保护的误判[2]。GB/T 21448―2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》明确将断电电位作为阴极保护有效性评价的唯一核心指标，并新增了交直流干扰管控、试片法应用、智能监测等技术要求。GB/T 21246―2020《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》进一步规范了测量技术细节，为精准测量提供了标准化依据。

长输油气管道沿线穿越城市、农田、戈壁等多样环境，面临杂散电流干扰、多电源协同、防腐层老化等复杂工况[3]，建立适配长输管道的断电电位精准测量方法与日常管理机制，成为当前行业亟待解决的关键课题。本文基于目前国家标准，结合长输管道运维实践，系统阐述断电电位核心定义与标准要求，对比分析不同测量方法的适用性与精度，构建分级管控与智能监测相结合的管理体系，为长输油气管道阴极保护精细化管理提供理论支撑与技术参考。

1  核心参数及IR降对测量准确性的影响

1.1  核心术语与测量难点

断电电位（Instant-off Potential）：瞬时中断阴极保护电流后测得的管地电位，消除IR降干扰，数值等于极化电位，是评价阴极保护有效性的唯一核心指标。

IR降（IR Drop）：阴极保护电流流经土壤、防腐层破损点时产生的电压降，是干扰断电电位精准测量的核心因素。长输管道戈壁段土壤电阻率可达1000Ω·m以上，IR降幅值可达数百毫伏，干扰尤为显著。

断电电位测量的特殊性：长输管道沿线土壤电阻率差异显著，标准中按电阻率分级的放宽条款（﹣0.75 V→﹣0.65 V）在实际执行中面临IR降幅值过大、断电电位难以稳定测量的困境。此外，多阴极保护系统协同运行时，同步通断难以实现，标准规定的断电电位测量方法在长输场景下适用性受限。

1.2  沿线IR降干扰类型

长输管道沿线地形复杂、工况多样，IR降干扰呈现显著的区域性与动态性特征。

土壤电阻率差异干扰：戈壁、沙漠段土壤电阻率＞1000Ω·m，IR降幅值可达数百毫伏；城市管网段土壤电阻率低，但杂散电流干扰突出，IR降波动频繁。

多阴极系统协同干扰：长输管道沿线多采用强制电流与牺牲阳极协同保护，不同阴极站输出电流相互影响，导致局部IR降动态变化，易造成测量误差。

杂散电流干扰：穿越城市轨道交通、电气化铁路、直流输电线路的管段，受动态直流杂散电流干扰，管地电位呈正负交替波动，IR降叠加干扰显著[4]。

1.3  IR降对测量准确性的影响

直接测量法失效风险：强制电流同步通断受杂散电流、牺牲阳极系统、接地网干扰，无法实现IR降完全消除，测量结果偏差可达100～300 mV，易导致保护状态误判。

管理决策传导误差：若IR降未消除，通电电位看似达标，实际断电电位可能未满足﹣0.85 V要求，长期运行易引发管道腐蚀穿孔；反之，过保护误判会导致阴极剥离、起泡、氢脆、阴极站能耗增加、设备寿命缩短。

日常巡检数据难度增加：长输管道沿线测试桩数量多、分布广，IR降干扰导致人工巡检测量数据重复性差，无法形成有效管控闭环。

2  断电电位测量方法及精准测量优化

2.1  直接测量法

仅适用于无杂散电流干扰、单一强制电流系统、无牺牲阳极协同的管段（如偏远戈壁、无人区管段），需满足GPS同步通断误差≤0.001 s、管地电位稳定、无牺牲阳极及接地系统并联等条件。受长输管道复杂工况限制，直接测量法适用范围窄，仅覆盖不足20%的管段；受杂散电流、多系统协同影响，测量误差大，无法满足精准测量要求。

其关键参数：断电后40～120 ms内读取数据，重复测量3次，数据偏差≤20 mV视为有效。

2.2  试片法（检查片法）

（1）核心原理与适用场景。

采用与管道同材质的试片（推荐裸露面积6.5 cm²，强腐蚀环境10 cm²），模拟管道防腐层破损点，通过断开试片与管道的连接读取试片断电电位，有效消除杂散电流、IR降、多系统协同干扰。

适用于杂散电流干扰、多阴极系统协同、牺牲阳极并联、高土壤电阻率管段，覆盖长输管道80%以上运营管段[5]。

（2）测量流程与关键参数优化。

试片布设规范：试片与参比电极间距≤1.0 m（间距＞1 m时偏差显著增大），埋设深度与管道一致，填充细砂保证极化充分。

测试连线与读取时机：万用表负极接参比电极，正极接试片；断开试片与管道连线后，避开断电后约100 ms的正向脉冲冲击峰，读取脉冲后最负电位作为断电电位。现场使用万用表时，因采样频率低，所测断电电位基本为断电0.5 s后的电位，读数偏保守，易将保护充分的管道判定为欠保护，增大阴极保护站投入。建议采用数据采集记录仪器，规范断电电位定义、测量方法和读数时间，消除因测量仪表和取值时间不同带来的误差。

数据分析：通过对断电电位数据的分析发现，试片读取的断电电位值比同一位置管道的上读取的断电电位值偏负，试片面积对断电电位的影响不大，具体原因还需要进一步研究。另外还发现，尽管试片的通电电位变化幅度比较大，但试片的断电电位相对稳定（图 1）。

图 1 试片的断电电位与通电电位

极化时间要求：试片需充分极化，推荐极化时间≥3 h。

通断测量流程：连接试片与管道读取通电电位（Von）；断开试片与管道，断电100 ms后读取试片断电电位（Voff）。采用数据记录仪时，采样频率≥10次/秒，记录时间≥5 min。 在试片断电电位测量时，我们也检测到了断电瞬间的电位正向脉冲，该脉冲持续的时间约100 ms，此时，应读取断脉冲后最负的电位作为断电电位为﹣980 mV（图 2）。

图 2 试片去极化过程中的电位正向脉冲

干扰环境优化：动态杂散电流干扰时，采用12 s通电、3 s断电周期，断电电位在200 ms后读取，采样间隔1～2 s。

数据判定准则：试片断电电位满足标准要求，且阴极极化差值≥100 mV，视为保护有效。

（3）试片法技术优势。

抗干扰能力强：有效消除杂散电流、IR降、多系统协同干扰，测量误差≤20 mV。

工况适配性广：覆盖长输管道全部工况，尤其适合复杂干扰场景。

数据稳定性好：断电电位重复性好，便于长期监测与趋势分析。

2.3  智能监测辅助测量

结合智能管道建设需求，推广智能测试桩、数据记录仪等设备。

采集频率：常规管段每2 h采集1次，杂散电流干扰严重管段每30 min采集1次。

数据处理：自动过滤脉冲干扰，绘制电位衰减曲线，由工程师判定真实断电电位。

异常预警：断电电位偏离标准范围±50 mV时自动触发预警。

3  日常管理体系构建

基于断电电位精准测量技术，结合长输管道运营特点，构建“分级管控、智能监测、故障闭环、持续优化”的日常管理体系，保障阴极保护有效性并提升管理效率。

3.1  分级管控体系

根据管道工况、IR降干扰程度，将管段划分为三级，实施差异化管理（表 1）。

表 1 阴极保护管理管段等级表

3.2  智能监测与数据管理

智能监测平台搭建：整合全线智能测试桩、数据记录仪数据，实现断电电位、通电电位、电流、土壤电阻率等参数实时监控、趋势分析、异常预警。

数据标准化管理：统一数据格式，建立断电电位数据库，按管段、时间、工况分类存储，为故障分析、优化调整提供数据支撑。

定期数据复盘：每月开展全线断电电位数据分析，识别欠保护、过保护区域，优化阴极站输出参数、试片布设位置。

3.3  故障排查与闭环处理

建立“异常预警—现场排查—原因分析—整改优化—效果验证”的故障闭环管理机制。

异常判定标准：断电电位不满足标准、阴极极化＜100 mV、智能监测数据异常波动，均视为异常，排查流程：核查阴极保护站运行参数（输出电压、电流、切换状态），排查电源故障、设备老化问题； 检测试片状态（极化时间、接触电阻、破损情况），排除试片布设不当、失效问题；检测土壤腐蚀性、杂散电流干扰，排查防腐层破损、老化问题。

整改措施：针对不同原因制定针对性措施，如调整阴极保护站输出电流、更换试片、修复防腐层、加装排流装置等。

效果验证：整改后采用试片法复测断电电位，连续3次测量达标，视为故障闭环，避免问题反复发生。

3.4  设备运维与人员培训

设备全周期运维：定期校准参比电极、通断器、智能测试桩（每季度1次），及时更换老化、损坏设备，保证测量精度。

人员专业化培训：开展断电电位测量、标准解读、故障排查、智能设备操作等培训，提升人员专业能力，确保测量规范、管理到位。

技术交流与优化：参与行业技术研讨，借鉴标杆企业经验，持续优化测量方法与管理策略。

3.5  故障紧急处置

针对极端工况（如暴雨、雷击、阴极保护站故障），制定断电电位应急管控预案。

应急响应：阴极保护站故障时，立即启动备用电源，同时加密断电电位测量频次（每30 min采集 1次），确保管道阴极保护有效。

应急处置：突发杂散电流干扰时，快速排查干扰源，采用试片法精准测量，及时采取排流、绝缘等措施，避免腐蚀风险。

应急演练：每半年开展1次应急演练，验证预案可行性，提升团队应急处置能力。

4  结语

（1）长输油气管道阴极保护管理需全面转向断电电位管控，结合沿线工况明确分级管控要求，是实现管道腐蚀精准防控的核心前提。

（2）应规范断电电位的定义、测量仪器读数频率及读取时间。日常管理中，以断电电位判定保护状态，确认达标后确定该测试桩最小通电电位，作为该时期日常管理依据。

（3）直接测量管道断电电位时，若存在交流干扰且读数频率过高，电位读数将包含交流电压分量，须选择正确的数据采集频率并通过数据处理才能得到正确断电电位。读取试片断电电位是减少外界因素影响的最佳方式。

（4）恒电位仪自身通断时电流衰减过程可持续达2 s，影响断电电位准确性。回路中串联通断器时，须对电源采取相应设置及保护措施；管道装有直流去耦合器的交流排流设施时，须考虑其放电及平衡电流对电位测量的影响。

（5）采用高精度通断器时，电流在20～40 ms内衰减为零，断电电位一般在断电40 ms后读取。40～120 ms内电位迅速衰减，120 ms后衰减趋缓，普通万用表可读取；日常测量多为此时间段电位。

（6）试片法是适配长输管道复杂工况的首选测量方法，严格控制极化时间≥3 h、断电延迟采样≥100 ms、试片与参比电极间距≤1.0 m，可有效消除IR降与杂散电流干扰。

（7）构建“分级管控、智能监测、故障闭环、持续优化”的阴极保护日常管理体系，可实现断电电位精准管控，保障长输管道安全稳定运行。

 

参考文献：

[1]罗锋，黄丽，郑安升.长输管道阴极保护断电电位测量技术进展[J].油气储运，2020，39(5)：481-488.

[2]陈莎莎，付伟，潘怀良.高土壤电阻率地区管道阴极保护IR降影响研究[J].材料保护，2020，53(12)：178-182.

[3]闫明珍，李国辉，滕延平.杂散电流干扰下管道阴极保护有效性评价方法[J].腐蚀与防护，2019，40(8)：565-570.

[4]付平平，程明，张延丰.城市轨道交通对埋地管道杂散电流干扰及防护[J].中国安全生产科学技术，2021，17(6)：156-161.

[5]张平，黄春蓉，马晓成.试片法在长输管道阴极保护监测中的应用[J].管道技术与设备，2021(3)：15-19.

作者简介： 刘军，1979年生，本科，技师，主要从事管道工程项目监管、油气输送及油气管道腐蚀与防护工作。联系方式：15809540375；927603769@qq.com。