管地电位测试及阴极保护效果评估

1.管地电位测试的作用

管地电位是指管道与其相邻电解质（土壤）的电位差。

地下钢管阴极保护工程中，管地电位是最重要的参数，是判断管道是否得到有效保护的唯一判据。通过管地电位的检测可以了解如下地下管线的信息：

1）未加阴极保护的管地电位测试，是衡量土壤腐蚀性的一个参数，通过电位的对比，可以估算管道的腐蚀程度和腐蚀速率；较新的或腐蚀较少的管线一般电位较负，新铺设的或涂覆的钢管的平均电位在-0.5～-0.71V之间，老的或裸管的平均电位在-0.1～-0.3V（CES）的范围内。

2）施加阴极保护的管地电位是判断阴极保护效果或程度的一个重要参数。

3）当管道上有杂散电流干扰时，管地电位的变化是判断干扰程度的重要指标。

管地电位的测试通常有地表参比法、近参比法和远参比法三种方法（见图6-6～图6-8），请参阅GB/T 21246—2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》的具体规定。

图6-6 地表参比法测试接线示意图

图6-7 近参比法测试接线示意图

图6-8 远参比法测量接线图

2.阴极保护电位检测方法概述

《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》规定，管道保护电位测试通过管道的阴极保护测试线进行。在城镇燃气管道上没有阴极保护测试线，但存在大量的凝液缸或出地面立管等漏铁点，可以进行检测。管道沿线的电位，应采用CIPS进行密间隔电位测试。

（1）CIPS密间隔电位测试方法

该方法是一种沿着管顶地表，以密间隔（一般1～3m）移动参比电极测量管地电位的方法，如图6-9所示。适用于对管道阴极保护系统的有效性进行全面评价。本方法可测得管道沿线的通电电位（V_on）和断电电位（V_off），结合直流电位梯度法（DCVG）可以全面评价管道的保护状况和查找防腐层破损点及识别腐蚀活性点。通电电位是指阴极保护系统持续运行时测量的构筑物对电解质（土壤）电位。断电电位是指断电瞬间测得的构筑物对电解质（土壤）电位（注：通常情况下，应在切断阴极保护电流后和极化电位尚未衰减前立刻测量）。

本方法不适用于保护电流不能同步中断（多组牺牲阳极、牺牲阳极与管道直接连接、存在不能被中断的外部强制电流设备）的管道，以及破损点未与电解质（土壤、水）接触的管段。另外下列情况会使本方法应用困难或测量结果的准确性受到影响：

1）管段处覆盖层导电性很差，如铺砌路面、冻土、钢筋混凝土、含有大量岩石回填物；

2）剥离防腐层或绝缘物造成电屏蔽的位置。

（2）燃气管道CIPS密间隔电位测试

将万用表通过10m左右的导线直接连到最近的这类漏铁点上，另一端连接硫酸铜电极（铜-饱和硫酸铜电极，代号CSE），图6-10所示为密间隔电位测试示意图。

图6-9 CIPS测量简图

图6-10 燃气管道密间隔电位测试示意图

将电极插入管道沿线上方的土壤中，得到各点的电位，标绘到图上形成连续的电位测试曲线。需要注意的是，导线要连接到凝液缸的放散阀门之前的管体上，而不能连接在阀体或之后的管体上。这是由于阀体与管道为丝扣连接，起密封作用的水胶布是电绝缘的，万用表电池的电压又低，连接不当会严重影响数据的可靠性。

施工前需制定周密的检测流程，并通知供气单位。检测人员在得到该片区的管道巡查员许可后，才能开始进行操作。不能自作主张在管道系统上进行任何接线操作，以免影响在役管道的正常运营，这是需要格外注意的。

3.管地电位测试方法改进与阴极保护效果的判断

（1）管地电位测试数据分析

实验室测定和理论推导都表明，碳钢的电位（相对于硫酸铜参比电极—CSE参比电极）负于-850mV时，腐蚀过程基本停止，故行业标准规定地下管道的保护电位临界值为-850mV。然而实践证明，有不少地面测量电位值已达到或略负于临界值的地下管道，仍然因为腐蚀发生了穿孔。究其原因，是因为管道埋设于地下，测试通常是在地面进行的。侧量时无法将CSE参比电极放置在管道与土壤接触的界面上，而是放置在管道正上方地表面，或更远一些的地方。

地面测试的电位数据包括了测量电路中IR降引入的偏差。IR降是指根据欧姆定律，由于电流的流动在参比电极与金属管道之间电解质（土壤）内产生的电压降。所以，地面测到的管地电位读数，要比管道与土壤直接接触界面的电位负（见图6-11），用式（6-3）表示如下：

实际电位=地面读数+IR降 （6-3）

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图6-11 IR降引入偏差示意图

当实际电位处于阴极保护的临界值附近时，这个偏差足以造成对保护效果的误判，地面测量达到保护电位的管道，其实际电位可能并未达到保护要求。譬如地面测试数据刚刚达到-850mV，扣除IR降后，管道实际电位肯定是高于-850mV的，可能只有-800～-700mV处于欠保护状态。将欠保护的管道判断为已经得到完全保护，从而未及时进行整改，管道腐蚀继续进行，就会导致穿孔泄漏发生。因此，行业标准明确规定，所测电位应是扣除IR降后的数值。消除IR降的干扰，修正其引起的偏差是正确评价地下管道阴极保护效果的前提。

（2）消除IR降的常用方法及适用范围。

1）经验公式法。经验公式法是基于研究人员在实验室通过模拟的现场条件，研究土壤电阻率、极化电流、参比电极与管道间距等参数与IR降之间的关系，归纳出计算偏差的公式。由于实验室测试条件模拟的是现场条件的理想状态，故其通常仅适用于郊外的单条直管。误差根据现场与实验室条件的差异而相应变化，在符合公式使用条件的前提下，一般在10%左右。

经验公式中各参数对偏差的影响大多呈对数或指数函数关系，计算比较复杂，将函数关系绘制成曲线或图表，有利于现场查对，但精度有限，限制了经验公式法的应用。通过大量工作，人们归纳出一些半定量判据，确定在某些条件下偏差可以忽略，是经验公式法最常见的实际应用。

2）瞬间断电法。美国标准重点推荐瞬间断电法，原理是在所有保护电流同步中断的瞬间在地面测取电位读数。此时由于没有电流通过，IR降变为零，但管道极化的消失需要较长的时间，因而理论上说，断电瞬间的地面测量电位读数就是不含IR降的管道极化电位，其与通电电位的差值就是IR降引入的偏差。

实际上在断电瞬间，管道表面通常会有一个短暂的电涌，随后才是断电电位，并开始缓慢的去极化过程。因而保证数据准确的关键是读数的时间，人们为此开发了多种电子仪器，最新的仪器是在电源电缆上串接电子断续器，现场测试仪器利用卫星定位系统与断续器保持时间同步，可以连续读取和记录电涌前后的电位读数。

瞬间断电法使用的前提是要同步切断管道与环境的所有电连接，通常适用于强制电流系统，人们只要在阴极保护站内的外加电源阴极电缆上串接断续器，在管道沿线测试桩上分别读取和记录电涌前后的管道电位读数，即可算得偏差。

3）试片断电法。牺牲阳极方式时，每一组阳极都是一个独立的电源，采用在每一组阳极电缆上都串接断续器，测取所有阳极同步断电瞬间的电位读数几乎是不可能的，换句话说，同步的断电、通电在技术上不可行，为此开发了试片断电法。在测试点处埋设一个辅助试片，其材质、埋设状态与管道相同。试片与管道通过电缆连接，由管道的保护电流使之极化，这样就模拟了一个防腐层缺陷。测量时只需要切断试片和管道的连接电缆，而无需切断管道与外界的电连接。用CSE参比电极读取试片的通电电位、断电瞬间的电位，二者之差就是IR降。

理论上，试片断电法适用于任何阴极保护系统的现场测试，但对操作人员的技术要求较高。为减少操作误差，人们将辅助试片与长效参比电极组合在一起，制成极化电位测试探头，但探头试片材质是固定的，如其与管道材质存在差异，就会引入一定的误差。另外，试片断电法需注意使辅助试片得到充分的极化，所以每次测量需要较长的时间。

（3）城市燃气管道IR降测试方法。

实际上，各种测试方法和仪器都不可能绝对精确，只是不同程度地接近真值。测试精度越高，需要的投入越大，对测试人员的技术要求也越高。因而，应针对不同的需求，选用不同的方法，做到经济合理。

由于受周边地下金属构筑物较多的环境制约，城市燃气管道的阴极保护绝大多数采用牺牲阳极方式，IR降测试只能采用试片断电法。IR降是管道极化电位、破损点面积、参比电极距破损点距离、土壤电阻率等多个变量的函数，且随测量时间、地点的不同而变化。

日常生产管理时，阴极保护现场检测通常由巡检人员承担，防腐专业素质普遍较低，要求其熟练掌握测量技术，精确测试各点管地电位，实际上很难实现，客观上也没有必要。日常生产管理中的测试，管地电位具体数值并不重要，关键是对管道的保护状态及时作出正确的判断，实际操作要简单易行。

（4）阴极保护效果的判断。

选择有代表性的典型管段和土壤环境条件，用试片断电法测取在最大保护电位下的实际IR降，在此基础上，合理增加一定的余量后，作为所有地面测取读数所含的偏差。以行业标准规定的管地电位边界值（-850mV）与这一偏差的代数和作为判断管段保护状态的地面测取读数判据，判断管道的阴极保护效果。

【例6-5】选择某市的A和B两个点，以牺牲阳极全参数检测桩所接的辅助试片作为试片，检测桩所接阳极为开路电位-1750mV的高电位镁阳极，试片为5mm×10mm×3mm的A3裸钢板，埋设在管道周边的土壤中，正常状态下其与管道没有任何连接，相当于未实施阴极保护的管道，从而可以测取钢管的自然电位（见图6-12）。

进行试片断电法测试时，先断开阳极组与管道的连接，将阳极组与辅助试片用带有开关的导线连通，使试片充分极化，直至试片电位完全稳定后，按动开关断开阳极组与辅助试片的导线。辅助试片及CSE参比电极分别连接在DT800高速记录仪的同一通道上，进行试片通电、断电电位的连续测试与存储。得到电位变化曲线如图6-13和图6-14所示。

图6-12 检测桩安装示意图

图6-13 A1极化衰减曲线

图6-14 A2极化衰减曲线

两处测试点各测试2次，在通电、断电瞬间的电位及IR降情况见表6-8。

表6-8 试片断电法测试电位数据一览表 （单位：mV）

由表6-8可知，IR降数值均在36～43mV，在此基础上，考虑增加20%的余量，统一假定某市燃气管道地面测试读数中所含IR降偏差值为50mV。行业标准要求土壤中碳钢保护电位临界值为-850mV，相应地规定该市燃气管道阴极保护运行管理的判据为管地电位地面侧取读数负于-900mV。

1）可疑管段的极化偏移判据。由于测试是在最大保护电位下进行，且其试片面积（100cm²）大于多数防腐层破损的面积，实测的IR降本身就接近多数情况的上限，又增加了一定的余量，所以50mV偏差值对多数情况是偏大的。也就是说，满足该判据的管段保护效果良好，不会有腐蚀问题；不满足该判据的管段只是可疑管段，并不一定会有腐蚀发生。可疑管段要通过极化偏移100mV的判据进行再次甄别，消除误判，只有极化偏移不足100mV时，才判定管段处于欠保护状态。

2）旧管道工程验收判据。对于旧管道追加阴极保护工程，考虑到随着时间延续防腐层老化的余量要求，工程验收的判据确定为地面测取读数负于-950mV。

3）日常生产管理判据。生产管理时，首先测取管地电位，如果地面读数负于-900mV，判定管段保护状态优良。如果地面读数正于-900mV，再加测自然电位，如果管地电位与自然电位差值大于100mV，判定管段处于保护状态，否则判定管段处于欠保护状态。

4）阴极保护状态分级。进行燃气管道安全评估时要对管段的阴极保护状态进行分级：地面测取读数负于-950mV为优；地面测取读数-950～-900mV为良；地面测取读数正于-900mV，但管地电位与自然电位差值大于100mV为可；管地电位与自然电位差值小于100mV为差。