小議試片斷電法在管道陰極保護(hù)的應(yīng)用

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極化探頭法在通電電位測量時(shí)，由于其內(nèi)置參比電極的特殊性，通電電位與采用便攜式參比電極的試片斷電法測量結(jié)果會(huì)有所不同，然而在斷開試片與管道連接的斷電測量過程中，電流降為0使得便攜式參比電極與試片之間的IR降消失，因此，試片斷電法與極化探頭斷電法在斷電測量中的原理相同，不同的只在于極化試片面積的大小?？紤]到試片制作容易且面積可以隨意定制，因此，僅針對試片斷電法和恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法開展消除IR降的電位測量方法對比，有關(guān)結(jié)論同樣適用于極化探頭斷電法。

現(xiàn)場試驗(yàn)和結(jié)果分析

1試驗(yàn)1

2008年，對東北管道進(jìn)行外檢測期間進(jìn)行了兩處試片斷電法的對比試驗(yàn)（測試過程中只中斷試片而不中斷恒電位儀）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試片斷電法的斷電電位測量值與恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法（中斷相鄰的數(shù)個(gè)陰極保護(hù)恒電位儀）測得的斷電電位基本一致，驗(yàn)證了基于極化試片的試片斷電法可以測量到與恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法一致的結(jié)果。兩次測量的對象都為運(yùn)行多年的東北原油管道，測量點(diǎn)處管道防腐層為石油瀝青，采用的試片電極面積為1cm2，參比電極位于探頭一側(cè)。對比試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)埋地極化試片與管道通過測試樁進(jìn)行電連通之后，極化試片與管道成為一個(gè)整體，達(dá)到相同的極化程度，因此試片斷電法測得的斷電電位與恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法測得的斷電電位相同。

2試驗(yàn)2

2010年，對秦京線進(jìn)行了埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)狀況及防腐層性能評價(jià)，期間對部分測試樁進(jìn)行了試片斷電法的對比試驗(yàn)，分別采用恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法和試片斷電法測量斷電電位（表1）。其中1#測試樁和49#測試樁分別位于兩個(gè)相鄰的陰極保護(hù)站陽極地床附近。該測試管段的防腐層包括石油瀝青和聚丙烯冷纏帶（大修段）兩種。采用的極化試片電極面積為1cm2，參比電極位于探頭一側(cè)。試片斷電法測量的斷電電位在陰極保護(hù)站陽極地床附近負(fù)于恒電位儀同步瞬時(shí)斷電法測量的斷電電位，而在兩個(gè)陰極保護(hù)站的中間則正于恒電位儀同步瞬時(shí)斷電法的斷電電位。該試驗(yàn)為在一個(gè)站間距的范圍內(nèi)對沿線管道測試樁進(jìn)行的試片斷電法和恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法對比，顯然比2008年在東北管道兩個(gè)獨(dú)立的測量點(diǎn)進(jìn)行的對比試驗(yàn)更具代表性。

3試驗(yàn)3

2011年，對部分管道站場開展了區(qū)域陰極保護(hù)檢測與有效性評價(jià)工作，于某站場進(jìn)行了試片斷電法評價(jià)儲(chǔ)罐陰極保護(hù)有效性的試驗(yàn)。試驗(yàn)中同樣采用1cm2的極化試片埋于罐基礎(chǔ)外土壤中，罐基礎(chǔ)外邊緣距罐邊緣約2.5m，對同一個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行4組不同通電周期的試驗(yàn)（表2），每次測量前等待15min以待試片進(jìn)行充分極化，即測量最后一組12s的通電周期時(shí)，試片已經(jīng)極化1h。試驗(yàn)完畢后再次等待15min，以1.8s通、0.2s斷的周期重新測量，發(fā)現(xiàn)斷電位升至994mV，說明試片在測量過程中一直處于極化狀態(tài)，并且試片斷電在充分極化后較為接近通電電位。恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法測量儲(chǔ)罐周圍通斷電位的IR降均在100mV以上。值得注意的是，在管道干線進(jìn)行試片斷電法測量時(shí)每個(gè)測量點(diǎn)均極化半個(gè)小時(shí)以上，并未發(fā)現(xiàn)隨著極化時(shí)間延長，斷電電位負(fù)向偏移的現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果討論

2008年進(jìn)行的對比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，試片斷電法可以測得與恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法一致的斷電電位時(shí)，從陰極保護(hù)極化的角度進(jìn)行分析，認(rèn)為極化試片處于管道陰極保護(hù)的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生與管道“漏點(diǎn)”相同的極化，此處“漏點(diǎn)”指管線鋼接觸到滲透涂層的土壤電解質(zhì)而并非完全意義上的涂層破損點(diǎn)。因此，認(rèn)為試片斷電法測得的極化電位與消除涂層IR降和土壤IR降后的恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法測得的管道斷電電位一致。然而，2010年和2011年進(jìn)行的對比試驗(yàn)結(jié)果并不支持以上結(jié)論，仍需從原理上重新探討基于極化試片的輔助試片斷電法所測量到的斷電電位的真實(shí)意義，靜電場理論則可以很好的解釋該現(xiàn)象。為了便于分析，討論過程中不考慮雜散電流的干擾影響。對于采用便攜式參比電極測量的輔助試片斷電法，假設(shè)測量時(shí)便攜式參比電極位于參比電極1，而在試片表面存在無限接近的參比電極位置（參比電極2）（圖1），由此可以測得理論上的極化電位。由于斷電電位消除了參比電極1和參比電極2之間的IR降，那么試片斷電法在兩個(gè)位置得到的斷電電位應(yīng)該一致。如果極化試片的電極面積較小，那么試片極化所需要的電流較小。當(dāng)極化試片的面積足夠小以至于極化試片連接到測試樁后試片的極化電流對于土壤電位梯度造成的影響可以忽略時(shí)，參比電極1和參比電極2處的土壤電勢保持原樣，即U'1soil=U'2soil，此時(shí)，試片斷電法測得的斷電電位與通電電位相同，即Von=Upipe－U'1soil與Voff=Upipe－U'2soil相同。實(shí)際上，此時(shí)試片斷電法測得的斷電電位與連接極化試片前測試樁的管/地通電電位相同，管/地通電電位即是試片斷電法測量斷電電位的負(fù)極限。如果極化試片的電極面積較大，那么試片極化所需要的電流較大。當(dāng)極化試片的面積足夠大以至于測試樁附近管道的陰極保護(hù)電流不足以對試片產(chǎn)生多少極化時(shí)，試片斷電法測量的斷電電位正極限為極化試片的自然電位，類似于管道防腐層破損面積過大導(dǎo)致無法保護(hù)的情況。因此，對于特定面積的極化試片采用試片斷電法測量的斷電電位介于管/地通電電位和試片自然電位之間。當(dāng)試片面積不太大時(shí)，試片斷電法測量的斷電電位將介于通電電位與恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法測量的斷電電位之間，即負(fù)于恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法測量的斷電電位；試片斷電法測量的斷電電位隨著試片電極面積的不斷增大而正移，當(dāng)試片面積大到一定程度時(shí)，試片斷電法測量的斷電電位將正于恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法測量的斷電電位。

上述討論針對的是極化試片電極面積變化時(shí)，遠(yuǎn)離陽極地床的同一個(gè)管道測試樁位置試片斷電法所測量斷電電位的變化情況。而在秦京線的對比試驗(yàn)中，采用面積同為1cm2的極化試片在管道沿線不同位置的測量結(jié)果呈現(xiàn)出不同的趨勢，說明即便是同一條管道，對于不同類型的防腐層、不同的防腐層狀況（平均漏點(diǎn)和防腐層電阻率等情況）以及管段所處不同位置（靠近陽極地床，陰極保護(hù)電流密度大），要想測量得到與瞬時(shí)同步斷電法相同的斷電電位，所需要的極化試片的電極面積也不同。因此，采用電極面積同為1cm2的極化試片進(jìn)行試片斷電法所得到的結(jié)果與恒電位儀同步瞬時(shí)斷電法的測量值所呈現(xiàn)趨勢不同。為了驗(yàn)證上述靜電場理論的分析和結(jié)論，采用數(shù)值模擬技術(shù)對試片斷電法測量斷電電位的基本規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用目前陰極保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的邊界元軟件BEASYCP進(jìn)行計(jì)算，影響計(jì)算結(jié)果最關(guān)鍵的參數(shù)是電位與被保護(hù)結(jié)構(gòu)/土壤界面上的電流密度的對應(yīng)關(guān)系即極化曲線。由于管道常用涂層滲透率較低，可以認(rèn)為涂層未滲透部分符合歐姆定律以及涂層滲透部分符合電流密度減小系數(shù)校正后的裸鋼極化曲線進(jìn)行組合處理得到新的極化曲線，該方法隨漏點(diǎn)面積的增大逐漸影響新極化曲線的形狀，直到100%破損面積與裸鋼極化曲線重合。上述極化曲線為通常而言的通電電位極化曲線，根據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0102《埋地管道防腐層電阻率的測試方法》所述，長輸管道斷電電位與通電電位的差值即IR降主要是由該段管道的陰極保護(hù)電流密度和防腐層的面電阻率造成，由此可以根據(jù)通電電位極化曲線得到斷電電位極化曲線或者在建立數(shù)值模擬計(jì)算后以通電電位計(jì)算結(jié)果和電流密度計(jì)算結(jié)果反推管道的斷電電位。對于極化裸試片而言，數(shù)值計(jì)算得到試片表面的電位即為極化電位，不包含任何IR降。假設(shè)管道涂層為目前主流的三層PE涂層，以往的數(shù)值模擬研究已經(jīng)驗(yàn)證軟件計(jì)算結(jié)果和常規(guī)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性[6]。因此，為簡化模型，計(jì)算中僅考慮一段5km長的管道，陽極地床為10根1m長、距離管道100m的淺埋硅鐵陽極地床。采用相同的參數(shù)，如通電點(diǎn)電位-1.2V、涂層面電阻率104•m2等分別計(jì)算未連接試片、連接小面積輔助試片0.1cm×0.1cm和連接大面積輔助試片30cm×30cm等3種情況下管道的通電電位和試片極化電位（圖2～4）。計(jì)算結(jié)果顯示的規(guī)律與之前的分析推論一致，即試片面積較小時(shí)，輔助試片斷電法測得的極化電位約-1006mV，接近管道的通電電位-1091mV；試片面積較大時(shí)，輔助試片的極化電位約-696mV，接近管道的自然電位。通過數(shù)值模擬計(jì)算可以驗(yàn)證現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果得出規(guī)律的可靠性，同時(shí)測試前進(jìn)行的模擬計(jì)算也可用以指導(dǎo)現(xiàn)場試驗(yàn)。

結(jié)論

（1）從現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果、分析討論和數(shù)值模擬驗(yàn)證可知，試片斷電法或極化探頭斷電法所測量的斷電電位介于管道的通電電位和極化試片的自然電位之間。

（2）為使得試片斷電法所測斷電電位與恒電位儀瞬時(shí)同步斷電法所測斷電電位一致，不同的管道涂層類型和涂層狀況以及不同的測量點(diǎn)位置所對應(yīng)的電極面積需求尚不可知，特定大小電極面積的試片或極化探頭無法適用于所有條件下的測量，試片斷電法或極化探頭斷電法應(yīng)用于管道斷電電位測量還需要進(jìn)一步的研究。

（3）試片斷電法消除的IR降是便攜式參比電極與試片表面之間的IR降，斷電測量過程中試片斷電法與極化探頭斷電法相差不大，除非是雜散電流影響下試片表面與便攜式參比電極所處位置的地電位梯度較大時(shí)，兩種測量方法才會(huì)有所差別。

（4）陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)可以有效地驗(yàn)證現(xiàn)場測量結(jié)果的規(guī)律性，在現(xiàn)場試驗(yàn)前通過合理的數(shù)值模擬可以更好地來指導(dǎo)現(xiàn)場試驗(yàn)。（本文作者：張豐、薛致遠(yuǎn)、王維斌、金宏、劉迎春、侯浩 單位：中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)運(yùn)重點(diǎn)試驗(yàn)室、中國石油管道公司鄭州輸油氣分公司、中國石油管道公司蘭成渝輸油分公司）