NACE-阴极保护标准6

第六章现场测试总则对于一个阴级保护技术员而言，具有正确的测试程序知识是一项必备的技能。你必须完成可能所要求的测试，并能够给入门级人员教授这些程序。期望学习这门课程的学生应当具有完成这些测试并进行检验的多年现场经验。他们必须了解仪表使用，掌握这些测试背后的相关理论，熟悉能够导致结果发生歪曲的误差来源。阴极保护有效性的测量各种技术可以用于测量一种构件在阴极保护下，实际上为了防止构件腐蚀的保护程度。这些技术包括：阴极保护实际上是为了防止构件腐蚀，一种构件在阴极保护下的保护程度可以采用各种技术来测量，包括：构件对参比物电位试样电流测量表面电位测量土壤电阻率直接观测漏频在线检测构件对溶液电位除了又被称作管道对溶液电位、管道对土壤电位、储罐对溶液电位或构件对土壤电位，构件对溶液电位的定义是：构件的金属表面与溶液的电位差，该电位差由与溶液相接触的电极作为参比电极测量得到。构件对溶液电位采用与电路并联的伏特计进行测量。测量的外电路电阻很高，因此要求采用高输入电阻伏特计以避免有过多电流从构件分流出来，从而造成测量结果不准确。此外，如前所述的参比电极，通常被称做参比电池，用于与土壤连接。构件对溶液电位分布测量用于：探测未进行阴极保护的管线的阳极区确定阴极保护构件的阴极保护效率探测杂散电流探测短路探测涂层漏涂区电位测量是一种用于测量是否达到充分保护的常用方法。对构件施加来自环境的电流，其电位相对于环境将发生改变。电位的改变是极化的反映。测量结果用以确定是否满足了其中的某一阴极保护标准（见第二章关于阴极保护标准的论述）。根据NACE标准，除了构件对溶液边界部位外，必须考虑电压降以便用固定（恒）电位测量方法评估阴极保护体系的效率。多种方法可考虑用来降低电压降：参比电极与构件表面的距离最小化电流中断时测量电位（瞬时断路电位）施加电流或断开电流时测量构件极化的形成或衰减在构件附近安装外接阴极保护试样以模拟涂层漏涂构件对参比电极电位方法的优点在于它相对直接，并且电位测量符合标准。其缺点是所有的阴极保护电流源必须同时断开，杂散电流会影响读数，无法获得带有直接偶合电偶阳极构件的极化电位，并且表面电位测量实际上测的是平均电位。这种实际构件对溶液电位的平均意味着表面测量可能无法探测到那些不被阴极保护的微腐蚀电池。电位测量电路和测量误差电位测量的目的是精确测定试验点的管道点位。测量电路可近似用图6.1表示。图6.1构件对溶液测量电路示意图其中：Rtl=试验引线电阻Rm=电压表电阻Rp,e=管道对地电阻Rr,e=参比电极对地电阻Im=仪表电流Etrue=构件对溶液电位VM=电压表读数理想上说来就只有管道与参比电极之间的真实电位差应当经过仪表两端，因为仪表电路是一种串联电路，通过仪表的电压降高低将正比于仪表电阻与总仪表电路电阻的比值。对于测量电路，基尔霍夫电压定律是适用的，真实电位差等于串联电路电压降的总和。6-1令Vcirc等于除了电压表电压降外的所有电压降，即但及且于是有6-2因此，通过电压表的电压值（Vm）与真实电位差(Etrue)正比于仪表电阻（Rm）与总电阻的比值。例如考虑以下情况：真实电位(Etrue)为1000mV，每个试验引线电阻（Rtl）为0.01Ω，管道对地电阻（Rp,e）为10Ω，参比电极对地电阻（Rr,e）为100kΩ，电压表电阻为1MΩ。计算将通过电压表的电压。由方程6-2误差为：在上例中如果电压表的输入电阻增加到10MΩ，电压表的读数将是990mV，误差将降为1%。在测量电路中电压表的电阻比其它电阻大很多情况下，经过电压表的电压接近真实电位。除了电压表要高输入电阻外，在测量电路中应当避免高电阻。当参比电极置于干燥土壤、水井排水沟砂粒、碎石、冰冻地面、沥青或混凝土上时参比电极接触电阻可能成为误差源。为了使误差最小化，可通过润湿参比电极周围区域提高接触电导。在极端情况下，可以钻一个孔，该孔从表面直到永久潮湿层深度，将参比电极放于孔内，或者在参比电极与大地间搭接一电解液桥（见图6.2a和6.2b）。a)干土或冰地b)沥青或混凝土图6.2参比电极接触电阻最小化的方法由图6.2a，从地面到黏土的深度必须低于冰冻土壤的冰冻线和干燥土壤的永久潮湿深度。对于沥青或混凝土，即使孔内水位下降，肥皂水溶液通常也能提供足够的电解液接触。高测量电路电阻也会出现于试验引线破损、试验引线连接电阻破损以及如果管线很短且涂装完整出现管道对地电阻破损情形。当测量管道对土壤电位时，可能不会立刻出现明显的高电路电阻。如果电压表有一输入电阻选择开关，在测量电路中高阻可通过转换较低或较高的输入电阻量程所测得。如果在两个输入阻抗间电压表指示的电位区别非常明显（也就是说大于10%），那么测量电路存在高电阻。进一步通过了解两个输入电阻以及相应测得电压，通过方程6-3可计算真实电位。6-3其中：Etrue=真实电位K=输入电阻比Rl/RhRl=低输入电阻Rh=高输入电阻Vl=用低输入电阻测得电压Vh=用高输入电阻测得电压例如，如果输入电阻（Rl）为1.0MΩ时测得的电位差(Vl)为-650mV，输入电阻（Rh）为10MΩ时测得的电位差(Vh)为-800mV，那么真实电位（Etrue）计算如下：Etrue与极化电位相同。此外，总电路电阻（Rt）可通过方程6-2测得。这意味着除电压表电阻外的测量电路电阻大小是：由于电荷流动于土壤和管道之间，且由于土壤的电阻，对于裸露管道，土壤的电压降造成管道周围形成电位梯度，见图6.3所示。图6.3受到阴极保护电流的裸露管道周围的电压和电流线来源：射线代表电流路径，而与电流线垂直的线代表由电流产生的等电位线表面。这些垂直于电流线等电位线表面，并不是在空间上平均分布的，而是随着远离管道的距离而增加，因为连续的土壤每一外层具有更大的表面积，因而电阻更低。如果电位测量参比电极位于A处，电流方向朝向管道（如阴极保护情形），那么在土壤里参比电极和管道表面间形成电压降(Vs)。在A点的土壤比紧邻管道表面的土壤电位更正。如果临近等电位表面的电位差为10mV，土壤里管道表面和参比电极位置处的电压降将为10X10mV=100mV。在管道表面土壤相对参比电极土壤的电位为-100mV。例如，如果管道极化电位（Ep）为-790mVcse，电压表读数将为：这样，测量中有100mV误差使它看起来比实际受到更好的保护。对于一涂装良好的管线，等电位场形成于漏涂区附近，如图6.4和6.5所示。图6.4涂装管道上漏涂区附近的电流和电压线图6.5紧邻漏涂区附近的电流和电压线在涂装过的管道上，大多数的电压降集中于紧邻漏涂区附近。通常在参比电极和暴露于漏涂钢铁之间95%的总电压降落在大约10倍于漏涂直径范围内。对于1cm直径漏涂区，95%的电压分布在离漏涂处起半径10cm内。电位测量中由于管道电流造成的电压降误差电压降也发生于携带电流的金属通道。如果到管道的连接远离参比电极位置，如图6.6所示，则在电位测量时会出现IR降误差(Vp)。图6.6携电流管道的电压降IR降误差测量和校正电位测量常常包括因IR降造成的误差，尤其是在如前面所讨论的电解溶液中。另外，当测量和评估现场数据时，必须测定IR降误差大小并适当补偿。相应地，有许多种常用方法测量和校正IR降：主要去极化发生前中断电流并测量电位（时常称为“瞬时断电”电位）将参比电极放置于靠近构件的暴露金属表面处。在涂装过的构件上，参比电极必须置于紧靠涂层缺陷（漏涂）处。将参比电极置于包含最大IR降误差的远地处，再在参比电极离构件最近处所测得的电位中减去这个误差。分步降低电流，同时测量构件对溶液电位的变化和测量因此得到的表面电位梯度。由此数据作图并外推到零电流，用以确定在满电流时构件对溶液电位下的总IR降误差。在有些情形下，如果电流和/或电流路径的阻碍（它是路径的横截面积、电阻率和长度的函数）很小，则IR降误差可以忽略。在忽略IR降前，应当测量IR降的大小以核实其不重要性。断电法消除IR降误差的一个有效方法是使电流为零，因而IR乘积等于零。通常，零IR降通过暂时中断电流，瞬时读取构件电位获得。此电位必须迅速读取，因为随时间推移，构件将开始去极化（见图6.7）。图6.7在断电循环周期去极化的波形图然而，由于与阴极保护电流中断相关的诱导效应和电容效应，可能会出现强的尖峰。“瞬时断电”电位应当在这些尖峰衰减后再进行测量（见图6.8），但必须在构件的强去极化发生之前测量。图6.8在断电期间构件对溶液电位展示“尖峰”的“波形图”为了测量“断电循环期间”构件对溶液电位，所有影响研究区域的电流源都必须中断。这可由在研究区域内影响体系的所有电流源安装一电流中断器来实现。中断器实质是一个连接着非常精准计时器的机械或电子继电器。多个单元可同步响应，允许多个电流源同时中断，这样在同一瞬时有效地移走构件的所有电流。没有电流流动，电位降为零，测得的电位是管道的极化电位。测得电势（Em）=Ecorr+极化电势+IR降6-4具体见图6.9所示。图6.9通过断电和随后的去极化消除IR降该技术的额外优势在于电路的金属路径中的IR降也消除了。在多个电流源影响电位读数的构件上可能很难中断所有的来源或同时中断这些电流源。由于任何给定位置的IR降是所有施加电流源效应的加合，因而总的IR降可以通过计算单个效应的加合得到。断电循环周期基于所进行的构件对溶液电位研究的类型而变化。选择断电循环周期的关键因素包括：白天期间将去极化减小到最小在断电期间将去极化减小到最小在研究项目期间保持极化“尖峰”消退后能够测量精确的断电电位数据维持80%/20%或75%/25%工作循环对于白天期间将去极化减小到最小及在研究项目期间保持极化非常重要。工作循环是通电时间对断电时间的百分比。例子之一是3秒置于“开”和1秒置于“关”。此外，在夜间关闭电流继电器十分重要，这将减少电流源的循环时间，并且当电流源在“开”和“关”档循环时，帮助重建白天期间可能失去的任何极化。保持电流继电器的同步有几种方式。现在提供的电流继电器包括石英晶体计时装置，一旦计时装置同步运行，继电器将在一段时间里维持计时。美国政府的全球定位卫星（GPS）系统也提供精确的计时，并且免费对公众服务。GPS同步继电器无限期地维持精确的计时，因为它们全天都可“重新调整”预先设定的时间。注意到如果失去卫星信号，某些定位系统将不在开关的工作位置，那么当其返回时需重新启动。除非有一固定的数据记录器监控这些数据，否则这个事件将不被注意，真正的极化电位也不会出现。一种核实继电器同步和检查诱导、电容峰的大小和持续时间的方法是记录“波形图”。波形图是在一个断电循环周期每秒记录的成百或数千的构件对溶液电位的曲线图。将数据对时间作图，回顾如下：继电器同步（见图6.10）在“断电”期间去极化（见图6.7）尖峰强度和持续时间（见图6.8）动态杂散电流（见图6.11）图6.10非同步电流中断器波形图图6.11动态杂散电流干扰波形图临近构件的参比电极为了使溶液的IR降误差最小，参比电极应当定位于离构件尽可能近的地方。但这样可能不能消除所有的IR降。当涉及地下管道或储罐时，电极的理想位置会在裸露构件表面或在涂层漏涂处。然而有时参比电极会有意置于离构件一定距离的地方，这将在“远地”一节进行讨论。在储水罐内，电极应当定位于离储罐壁尽可能近的地方。在水边码头或近海构件该原则同样适用；电极应当离钢桩尽可能近。在流动水中，电极可能会晃动，因此许多构件安装了金属导管或凿孔的塑料管以限制轻便电极的移动。对于地上储罐，常常在罐的边缘采集数据，这在罐底以下部位可能不会得出精确的电位数据，尤其是当阳极是以环的形式绕着储罐或储罐的直径足够大时会如此。将固定的参比电极置于罐底能得出最佳数据。或者，如果将凿孔的塑料管安装于罐底并充满水，参比电极可通过该管，在下面电位可每隔一段距离进行测量（见图6.12）。图6.12地上储罐的参比电池将参比电极放在离构件很近的地方使溶液的IR降误差最小，误差的大小与电极到表面的接近程度成正比。不幸的是，对于地下构件，除了在构件对