埋地钢质管道阴极保护测量技术.docx

1、埋地钢质管道阴极保护测量技术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

2、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/T 212462007 埋地钢质管道阴极保护参数测量方法、GB/T 214472008钢质管道外腐蚀控制规范、GB/T 21448-2008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

3、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/T 214482008埋地钢质管道阴极保护技术规范中的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

4、-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100m至1000m环境中的管道,阴极保护电位宜负于-750 mV（CSE）；在土壤电阻率大于1000m环境中的管道，阴极保护电位宜负于-650 mV（CSE)特殊考虑当一般情况准则难以达到时,可采用

5、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/T 212462007 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、管地电位测量的意义：、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）、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）、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。、测量一般要求：、所用电压表内阻要高，通常应大于10M。、正确使用参比电极。测量使

6、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5A/ cm2.、注意消除IR 降。、测量方法、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

7、。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。、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）35cm的土壤上。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。、远参比法远参比法主要用于强制电流

8、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、断电法3。2管道电流、牺牲阳极输出电流、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

9、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0.1，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=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（).、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。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（4位）的数字万用表，用DC10A量程直接读取电流值。、管内电流、电压降法适用条件：具有良好外防腐层

10、,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50V,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

11、差(V）; D管道外径（mm)； -管道壁厚（mm)； -管材电阻率（mm2/m）； Labab间的管道长度（m).、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，LacD，LdbD，Lcd的长度宜为2030m。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。、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

12、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、辅助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3.3.1。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=d

13、122L。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。、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，

14、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、土壤电阻率等距法测试采用ZC8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： =2aR 式中，-测量点从地表至深度a土层的平均土壤电阻率（); a-相邻两

15、电极之间的距离（m）; R接地电阻测量仪示值(）。3.5、绝缘法兰的绝缘性能、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。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，2M以上为合格。、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

16、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。851。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Va2Va1，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。、漏电电阻测试法

17、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D，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 调节阴极保护电源E的输出电流I1，使保护侧的管道达到阴极保护要求电位值。用数字万用表测量绝缘法兰（接头）两侧d、e间的电位差。按前述测试管内电流的方法测量bc段的管内电流I2.读取阴极保护电源向管道提供的阴极保护电流I1。 绝缘法兰（接头）的漏电电阻按下式计算: RH=式中，RH绝缘法兰（接头)的漏电电阻（)； 绝缘法兰（接头）两侧的电

18、位差（V）； I1阴极保护电源E的输出电流(A); I2-bc段的管内电流(A）。绝缘法兰（接头）的漏电百分率按下式计算:漏电百分率=若测试结果I2I1，则可认为绝缘法兰（接头）的漏电电阻无穷大，漏电百分率为零,绝缘法兰（接头）的绝缘性能良好.4、测量误差及消除4。1 电位测量原理电位测量的目的是在测试点准确地测定管道电位。4.1.1 管地电位定义：管道和相邻土壤介质之间的电位差。 公式表示为:Ep/s=p s 其中p为管道的电极电位,s为土壤的电极电位。4。1.2 工程上，通常认为管地电位实际是管道相对临近土壤中参比电极 的电位测量值。4。1.3 管地电位分为自然电位和保护电位,4。1.4

19、保护电位分为通电电位和断电电位。 测量示意图见图4。1.1 测量电路可以表示为等效电路见图4.1.2图4.1管地电位现场测量示意图图4.1.2管地电位测量电路示意图Rm =电压表内阻 Rr，e =参比电极接触电阻 Rp,e =管道对地电阻 Re=土壤电阻 Rt =导线(连接）电阻 Etrue =管地电位真实值 Vm =电压表读数 Im =仪表电流4.1。5 电路说明:1。理想上来说，只有管道与参比电极之间的真实电位差应当经过电压表两端。2。该测量电路是一种串联电路,所以通过电压表的电压降高低将正比于电压表输入电阻与电路总电阻的比值。用Rz表示电路总电阻，即：Vm=Etrue(Rm/Rz)3。按

20、照欧姆定律，由于电流的流动在参比电极与管道之间土壤内产生的电压降称为IR降。4。2 测量电路误差源的产生4。2。1 测量电压表测量电压表选用原则 .为了提高测量的准确度，宜优先选用数字电压表或记录仪。数字电压表的输入电阻应不小于 10M。 .电压表的分辨率应满足被测电压值的精度要求，至少应具有三位有效数。 。数字电压表的准确度应不低于 0。5 级。 。测量受到交流干扰的管道的管地电位时，应选用对工频干扰电压具有足够滤除能力的数字直流电压表，确保直流电位的显示值中叠加的交流干扰电压值不超过 5mV。4.2。2 参比电极参比电极的使用。首先要保证使用的参比电极自身的性能良好、电位正常，满足测量要求

21、.当参比电极置于干燥土壤、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.为减小误差，可通过润湿参比电极周围区域降低接触电阻.极端情况下，可以钻一个孔，该孔从地表直到永久潮湿层深度,然后将参比电极置于孔内.。参比电极尽可能位于管道正上方，以减小土壤中的IR降。参比电极的维护保持清洁,避免被污染。不使用时在多孔塞上套上塑料/橡胶盖。定期清洗多孔塞，防止其被堵塞.定期更换硫酸铜并用非金属研磨材料清洁铜棒，例如可用石英砂纸而不是氧化铝砂纸清洁铜棒。如果溶液变浑浊了，将其清洗掉并更换新的硫酸铜溶液。确保溶液中有未溶解的硫酸铜晶体，确保得到一个过饱和溶液，在这种情况下,电位保持稳定.电

22、极在出现污染的情况下（例如盐水)使用后需要进行维护，因为氯化物污染会改变化学反应。最好能保留一个新鲜的电极,用于校准现场测量用的电极。如果现场使用的电极与校准电极的电位差超过5mV时，则应清洗或更换现场电极。校正由于温度引起的变化。如果要进行温度校正,记录读数时的温度是必须的。当参比电极温度高于或低于室温（一般25）时，应该分别加上或减去0.9mV/ 的温度校正量。测量时遮蔽电极,避免阳光直接照射.置于阳光下的参比电极的电极电位比置于暗处的电极可降低1050mV。4。2。3 导线连接电阻 。除导线破损外，一般情况下，导线本身电阻都很小。如果导线连接处电阻过高，比如接线柱外部有污染物包裹，接线柱

23、存在虚焊或虚接等，此时会造成高的连接电阻,这就会造成测量误差.4。2。4 管道对土壤电阻 。 由于土壤截面比较大,一般情况下,土壤电阻比较小。.当土壤电阻越高,流过的电流越大时，则土壤中的电压降也越大(IR降越大），可以从几毫伏到几伏. 4.2。5 参比电极对土壤的电阻参比电极接触电阻成为误差源，4。3 测量电路之外的电压降误差4。3。1 在电位测量中由于土壤中电流引起的电压降误差 由于电荷流动于土壤和管道之间，从管道流出或流入，且由于土壤存在电阻，在土壤中出现了电压降，导致在管道周围产生了电压梯度。于是便产生干扰误差。受到阴极保护电流的裸管周围的等势面和电力线示意图.电流线代表电流路径,可以

24、形象描述场强的分布。.沿着电流线的方向电位越来越低。电场中电位相同的各点构成的面叫等位面。干扰的定义：杂散电流：设计或规定的回路以外流动的电流。杂散电流一旦流入埋地金属体，再从埋地金属体流出进入大地或水中，则在电流流出部位发生腐蚀。流入或流出埋地金属导体的杂散电流称为干扰电流.分类:从干扰形式上看，可分为静态干扰和动态干扰；从干扰来源上看,可分为交流干扰、直流干扰和地电流干扰。常见干扰源。交流干扰主要来源于工业用电的传输、感应和馈地。此外 ,在变电站、雷达站、载波电话和有线广播站附近都存在强烈的交流干扰。.直流干扰主要由直流电气化铁路、直流电机、高压直流输电线以及其他直流用电设备（电焊、电解和

25、电镀）、各类避雷接地装置等引起.地电流是由太阳风（太阳发出的高能粒子）、地球磁场和地球表面金属结构之间的相互作用所产生的。干扰对电位测量的影响。电流流入部位成为阴极区,流出部位成为阳极区。显然，杂散电流干扰影响soil ，因而也造成管地电位的偏移.所以管地电位偏移方向和管道附近地电场的变化方向相反。.在阴极区，相当于有额外电流提供阴极保护，因此在阴极区测试时电位会比正常情况下偏负。在阳极区时，电位会比正常情况下偏正。常见的干扰情况交流干扰:电位测量值可能出现一定波动，若为持续交流干扰，则容易观察到波动有一定的规律性;若为间歇性交流干扰，则不宜观察到这种波动的规律性。静态直流干扰：与正常状况下的

26、电位相比出现固定方向的偏移，根据偏移的方向（更正或更负）和大小，可以判断测试点所处的干扰区和干扰强度.动态直流干扰：电位测量值会出现偏移，且偏移的大小和方向不断变化，呈现频繁波动的情况。偶然的干扰：有时某次电位测量值出现了波动或偏移，可是之前和之后都没有出现，可能是由于当时大地中有临时性的干扰电流存在，比如地电流变强或周围有供电设施出现故障等。干扰情况下的测量要求.用数字电压表测量管地电位时，要选择抗交流干扰能力较强的型号。.测量时,每个点每次的测量时间要稍微长一点,这样有助于发现电位的偏移或波动情况。如果用电压表测量时怀疑某处存在干扰情况,可用记录式电压表在该地方进行较长时间的电位测量加以确

27、认，例如存储式杂散电流测试仪。4。3。2 在电位测量中由于管道电流引起的电压降误差 电压降也发生于携载电流的金属通道中，如果管道的连接点远离参比电极的位置，则在电位测量中将会出现IR降误差。4.4 测量误差的消除绝对的消除测量误差是不现实的，我们只能是最大限度地降低测量误差。4.4。1 降低测量电路的测量误差4。4.1.1 测量器件选用高内阻电压表；Vm=Etrue(Rm/Rz）4。4.1.2 降低参比电极接触电阻；4.4。1。3 测量接线柱保证导电良好，降低导线（连接)电阻；4.4。2 降低测量电路之外的电压降误差4。4.2.1 电流中断法 消除IR降的原理. IR降是电位测量中的主要误差。

28、衡量阴极保护水平的参数是电位,而电位测量与IR降是密切相关的。IR降是由两个参数（I和R）共同作用的，因此，凡是减小或消除与这两个参数有关的因素均能减小或消除IR降的影响。为消除IR降,国内外都广泛采用了瞬间断电法，该法基于切断保护电流（即I=0），消除土壤电位梯度. 瞬间断电法Von为通电保护电位，含有IR降；Voff为断电瞬间电位 ，不含IR降要求：管道上所有相连的接地保护、牺牲阳极均须断开，管道上多元保护装置也要同时断开，在测试点处不应有杂散电流的干扰，测量中应使用响应速度较快的自动记录仪。当断电和通电瞬间，由于管道的阻容特性和恒电位自身的电路关系，测量中会产生一个瞬变电涌。目前瞬间断电

29、法的常用形式是对电流进行周期性中断，以此来实现瞬间断电，也方便长时间持续测量。实现方式：1。采用专用中断器；2。使用专用仪器或设备;3.利用恒电位仪自带的中断功能（“测量”档）。持续记录通断电位得出的数据结果为一个波形图,从该波形图上可以分析处理得到管道的通电电位和断电电位。通断周期非常关键，目前常用的通断周期是4：1（通:断=4:1）.4.4。2.2 步阶式降低电流法（简介）电压表记录的通电电位Vm是:Vm=Ep+Icp*Re如果电流降低，通电电位也将降低,IR降将要降低.如果阴极保护电流的步阶式降低继续进行直至为0,于是Vm=Ep 且IR降也将为0.土壤电压降遵从欧姆定律，这些参数是线性相

30、关的。这样，通过作图得出IR降。4.4.2.3 近参比法使R接近于0的一种方法。管线开挖检查、阀门、立管处可应用此方法.4。4.2.4 试片法（极化探头）埋设方法：在测试点埋设一个带裸露面积的试片，其材质、埋设状态要和管道相同,试片与管道用导线连接.原理：埋设的试片模拟了一个涂层缺陷,由管道提供保护电流进行极化，最后达到与管道相同的保护状态。测量方法:测量时，只需断开试片和管道间的连接导线 , 就可测得试片断电电位,从而避免了切断管道主保护电流及其它电连接的麻烦，杂散电流的影响极小可忽略不计， 而且不存在断电后的极化差异和宏电池作用。优点：（1)可测到断电电位；（2）多元保护不用断开；(3）管道接地不用断开； (4）不会产生电涌;（5)不受杂散电流干扰影响；（6)试片裸露面积代表了涂层缺陷； (7）不受极化程度的影响.缺点：不能代表比试片裸露面积大的缺陷电位。5、阴极保护通电/ 断电电位测量5。1 开展本项工作的意义 在管道日常管理工作中，沿线测量的管道阴极保护电位均为通电电位，而管道是否收到有效阴极保护的评判依据是断电电位。因此，有必要进行断电电位的测量以确定恒电位仪合理的给定电位范围,并评判管线是否受到有效的阴极保护。5。2