埋地钢质管道阴极保护测量技术

1埋地钢质管道阴极保护测量技术沈阳龙昌管道检测中心马负1前言埋地钢质管道阴极保护系统一旦投用，就要定期对该系统的性能进行评价，确认阴极保护系统的效果，以判断其是否能够充分控制腐蚀。但是，在实际工作中直接确定管道是否处于腐蚀状态是十分困难和复杂的。且有些技术在工业化的现场条件下是无法实现的，因此必须依赖一些间接的、技术上可行的方法来评估阴极保护系统的有效性。目前我们采用的主要方法是通过测量管道的电位、电流、电阻等相关参数，与选定的判据进行比较以达到评价阴极保护系统有效性的目的。阴极保护测量技术内涵十分丰富。因为腐蚀是电化学过程，所以是电化学和电学测量技术的结合。为达到测量的规范和统一，最大限度的减少测量误差，国家制定了相关标准。即GB/T21246—2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》、GB/T21447—2008《钢质管道外腐蚀控制规范》、GB/T21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》。这里我们主要结合国家标准对阴极保护测量技术进行讨论。2判据阴极保护理论研究表明，被保护体达到完全阴极保护的真正判据是被保护体上的各阴极均被极化到被保护体上最活性阳极的开路电位。在这一电位点处腐蚀电流已经停止了，再施加更多的保护电流是不必要的，也是不经济的。在这一点上对真正判据的理解是很容易的，但是应用这个判据去解决实际腐蚀问题却是不可能的，因为被保护体上最活性阳极的开路电位是不可能准确计算的也不可能在现场测量获得。因此，必须有替代的判据。一个替代的阴极保护判据，其目的是提供一个基准点，对某个指定物体施加阴极保护的水平可相对于此基准进行比较。一个好的判据有某些期望特征，包括较广泛的结构体适用性、环境的实用性、便于应用、可靠的科学基础、将腐蚀减轻到可接受水平的极大可能性以及过度保护带来的危害性。目前我们采用的判据为国家标准GB/T21448—2008《埋地钢质管道阴极保2护技术规范》中的4.3阴极保护准则。具体内容为：一般情况：1、管道阴极保护电位（即管/地界面极化电位，下同）应为-850mV（CSE）或更负。2、阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1200mV（CSE）更负。3、对高强度钢（最小屈服强度大于550MPa）和耐蚀合金钢，如马氏体不锈钢，双向不锈钢等极限保护电位则要根据实际析氢电位来确定。其保护电位应比-850mV（CSE）稍正，但在-650mV（CSE）至-750mV的电位范围内，管道处于高pH值SCC的敏感区，应予注意。4、在厌氧菌或SRB及其它有害菌土壤环境中管道阴极保护电位应为-950mV（CSE）或更负。5、在土壤电阻率100Ω·m至1000Ω·m环境中的管道，阴极保护电位宜负于-750mV（CSE）；在土壤电阻率ρ大于1000Ω·m环境中的管道，阴极保护电位宜负于-650mV（CSE）特殊考虑当一般情况准则难以达到时，可采用阴极极化或去极化电位差大于100mV的判据。在高温条件下、SRB土壤中存在杂散电流干扰及异种金属材料偶合的管道中不能采用100mV极化准则。3基本测量技术简介阴极保护参数的测量主要为三个参数：电位、电流和电阻。按GB/T21246—2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》现分别予以介绍：3.1、管道电位⑴、管地电位测量的意义：①、未加阴极保护的管地电位是衡量土壤腐蚀性的一个参数。（自然电位）②、施加阴极保护的管地电位是判断阴极保护程度的重要参数。（保护电位）③、当有干扰时，管地电位的变化是判断干扰影响程度的重要指标。⑵、测量一般要求：①、所用电压表内阻要高，通常应大于10MΩ。②、正确使用参比电极。3测量使用的参比电极应具有下列特点：长期使用时电位稳定，重现性好，不易极化，寿命长，并有一定的机械强度。参比电极的种类很多，管道阴极保护中普遍采用的为饱和硫酸铜电极。其结构如图3.1.1所示（便携式）。图3.1.1参比电极结构示意图硫酸铜参比电极制作的基本要求是：●电极采用紫铜棒（纯度不小于99.7%）；●硫酸铜溶液用蒸馏水和化学纯硫酸铜晶体配制。硫酸铜溶液必须饱和，饱和的标志为在使用过程中，溶液一直存在过剩的硫酸铜晶体。●流过电极的允许电流密度不大于5μA/cm2。③、注意消除IR降。4⑶、测量方法①、地表参比法地表参比法主要用于管道自然电位、保护电位和牺牲阳极开路电位等参数的测试。其测试接线方式见图3.1.2。图3.1.2地表参比法测试接线示意图将参比电极放在管道顶部上方的地表潮湿土壤上，保证参比电极与土壤接触良好。将电压表调至合适的量程上（多用DC20V或DC2V量程），读取数据并做好记录。②、近参比法近参比法一般用于防腐层质量差的管道保护电位和牺牲阳极闭路电位的测试。其测试接线方式见图3.1.3。图3.1.3近参比法测试接线示意图在管道（或牺牲阳极）上方，距测试点1m左右挖一个安放参比电极的探坑，将参比电极置于距管壁（或牺牲阳极）3～5cm的土壤上。保证参比电极与土壤5接触良好。将电压表调至合适的量程上（多用DC20V或DC2V量程），读取数据并做好记录。③、远参比法远参比法主要用于强制电流阴极保护受辅助阳极地电场影响的管段和牺牲阳极埋设点附近的管段，测量管道对远方大地的电位，用以计算该点的负偏移电位值。其测试接线方式见图3.1.4。将硫酸铜参比电极朝远离地电场源的方向逐次安放在地面上，第一个安放点距管道测试点不小于10m，以后逐次移动10m。用数字万用表测试管地电位，当相邻两个安放点测试的管地电位相差小于5mV时，参比电极不再往远方移动。则最远处的管地电位值作为该测试点的管道对远方大地的电位值。图3.1.4远参比法测试接线示意图④、断电法3.2管道电流⑴、牺牲阳极输出电流6①、标准电阻法接线示意图见图3.2.1。图3.2.1标准电阻法测试接线示意图标准电阻的两个电流接线柱分别接到管道和牺牲阳极的接线柱上，两个电位接线柱分别接数字万用表，并将万用表置于DC200mV量程。接入导线的总长度不大于1m，截面积不小于2.5mm2。标准电阻的阻值为0.1Ω，准确度为0.02级。从万用表上读取标准电阻上的电压，按下式计算牺牲阳极的输出电流：I=RV△式中，I-牺牲阳极输出电流（mA）；△V-数字万用表读数（mV）；R-标准电阻阻值（Ω）。②、直测法直测法即利用数字万用表的电流档直接测量牺牲阳极输出电流。接线示意图见图3.2.2。7图3.2.2直测法测试接线示意图直测法操作简便，但应选用五位读数（421位）的数字万用表，用DC10A量程直接读取电流值。⑵、管内电流①、电压降法适用条件：具有良好外防腐层，被测管段无分支、无接地极，已知管径、壁厚和管材的电阻率。同时具备上述条件的管段可以采用电压降法测量沿管道流动的直流电流。测试接线见图3.2.3。图3.2.3电压降法测试接线示意图测量a、b两点之间的管道长度Lab，误差不大于1%。Lab的最小长度应根据管径大小和管内的电流量决定，最小管长应保证a、b两点之间的电位差不小于50μV，一般取Lab为30m。测量时，先用数字万用表判定a、b两点的正、负极性并粗测Vab值，然后将正极端和负极端分别接到UJ33a直流电位差计“未知”端的相应接线柱上，细测Vab值。ab管段的管内电流按下式计算：I=式中，I-流过ab段的管内电流（A）；Vab-ab间的电位差（V）；D-管道外径（mm）；abL)-(D·abV8δ-管道壁厚（mm）；ρ-管材电阻率（Ω·mm2/m）；Lab-ab间的管道长度（m）。②、补偿法适用条件：具有良好外防腐层，被测管段无分支、无接地极，管道内流动的直流电流比较稳定。同时具备上述条件的管段可以采用补偿法测量沿管道流动的直流电流。测试接线见图3.2.4图3.2.4补偿法测试接线示意图在接线中要注意，Lac≥πD，Ldb≥πD，Lcd的长度宜为20～30m。按上图接好测试回路，合上开关K，调节电阻器R，当检流计或电位差计G的指示为零时，电流表A指示的数值即为管内电流I的绝对值。③、电流环电流环实际上是一个包括“霍尔效应”的装置的钳形电流表，其产生的输出电压正比于磁场强度，而磁场强度则正比于导体中流过的电流大小。3.3、接地电阻⑴、辅助阳极接地电阻9测试采用ZC-8接地电阻测量仪，测试接线见图3.3.1。图3.3.1辅助阳极接地电阻测试接线示意图当采用图17（a）所示接线测试时，在土壤电阻率较均匀的地区，d13取2L，d12取L；在土壤电阻率不均匀的地区，d13取3L，d12取1.7L。在测试过程中，电位极沿辅助阳极与电流极的连线移动三次，每次移动的距离为d13的5%左右，若三次测试值接近，取其平均值作为辅助阳极接地电阻值；若测试值不接近，将电位极往电流极方向移动，直到测试值接近为止。辅助阳极接地电阻也可采用图17（b）所示的三角形布极法测试，此时，d13=d12≥2L。完成上述接线后，转动接地电阻测量仪的手柄，使手摇发电机达到额定转速，调节平衡旋钮，直至表头指针停在黑线上，此时黑线指示的度盘值乘以倍率即为接地电阻值。10⑵、牺牲阳极接地电阻测试采用ZC-8接地电阻测量仪，测试接线见图3.3.2。图3.3.2牺牲阳极接地电阻测试接线示意图注意：测试牺牲阳极接地电阻之前，必须将牺牲阳极与管道断开。按图18所示沿垂直于管道的一条直线布置电极，d13取40m，d12取20m。完成上述接线后，转动接地电阻测量仪的手柄，使手摇发电机达到额定转速，调节平衡旋钮，直至表头指针停在黑线上，此时黑线指示的度盘值乘以倍率即为接地电阻值。当牺牲阳极的支数较多或为带状牺牲阳极，该组牺牲阳极的对角线长度（或带状牺牲阳极长度）大于8m时，按上述测试辅助阳极接地电阻的方法测试，但d13不得小于40m，d12不得小于20m。3.4、土壤电阻率11等距法测试采用ZC-8接地电阻测量仪，测试接线见图3.4.。图3.4.土壤电阻率测试接线示意图按图19将四个电极布置于一条直线上，间距a、b代表测试深度，且a=b，电极入土深度应小于a/20。完成接线后，转动接地电阻测量仪的手柄，使手摇发电机达到额定转速，调节平衡旋钮，直至表头指针停在黑线上，此时黑线指示的度盘值乘以倍率为仪器示值R。土壤电阻率按下式计算：ρ=2πaR式中，ρ-测量点从地表至深度a土层的平均土壤电阻率（Ω·ｍ）；a-相邻两电极之间的距离（m）；R-接地电阻测量仪示值（Ω）。3.5、绝缘法兰的绝缘性能⑴、兆欧表法适用条件：绝缘法兰（接头）制成但尚未安装到管道上。测试采用500V兆欧表，测试接线见图3.5.1。12图3.5.1兆欧表法测试接线示意图仪器接线时，宜用磁性接头（或夹子）将兆欧表输入端的测量导线压接（或夹接）在绝缘法兰（接头）两侧的裸管上（连接点必须除锈），转动兆欧表手柄达到规定的转速，持续10s，此时兆欧表稳定指示的电阻值即为绝缘法兰（接头）的绝缘电阻值。一般可用500V兆欧表测试，性能良好的绝缘法兰绝缘电阻为∞，2MΩ以上为合格。⑵、电位法适用条件：绝缘法兰（接头）已安装到管道上。通过测量绝缘法兰（接头）两侧电位判断其绝缘性能。测试接线见图3.5.2。图3.5.2电位法测试接线示意图13在被保护管道通电之前，用数字万用表测试绝缘法兰（接头）非保护侧a的管地电位Va1，调节阴极保护电源，使保护侧b点的管地电位达到-0.85～-1.50V之间，再测试a点的管地电位Va2。若Va1和Va2基本相等，则认为绝缘法兰（接头）的绝缘性能良好；若│Va2││Va1│，且Va2与Vb数值接近，则认为绝缘法兰（接头）的绝缘性能可疑。若辅助阳极距绝缘法兰（接头）足够远，且判明与非保护侧相连的管道没同保护侧的管道接近或交叉，则可判定为绝缘法兰（接头）的绝缘性能很差（严重漏电或短路），否则应按下述漏电电阻测试法进一步测试。⑶、漏电电阻测试法已安装到管道上使用的绝缘法兰（接头），当采用电位法判断其绝缘性能可疑时，可按本方法进行漏电电阻或漏电百分率测试。测试接线见图3.5.3。按图所示接好测试线路，其中a、b之间的水平距离不得小于πD，bc段的长度宜为30m。图3.5.3漏电电阻测试法测试接线示意图调节阴