小议试片断电法在管道阴极保护的应用

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极化探头法在通电电位测量时，由于其内置参比电极的特殊性，通电电位与采用便携式参比电极的试片断电法测量结果会有所不同，然而在断开试片与管道连接的断电测量过程中，电流降为0使得便携式参比电极与试片之间的IR降消失，因此，试片断电法与极化探头断电法在断电测量中的原理相同，不同的只在于极化试片面积的大小。考虑到试片制作容易且面积可以随意定制，因此，仅针对试片断电法和恒电位仪瞬时同步断电法开展消除IR降的电位测量方法对比，有关结论同样适用于极化探头断电法。

现场试验和结果分析

1试验1

2008年，对东北管道进行外检测期间进行了两处试片断电法的对比试验（测试过程中只中断试片而不中断恒电位仪）。试验发现试片断电法的断电电位测量值与恒电位仪瞬时同步断电法（中断相邻的数个阴极保护恒电位仪）测得的断电电位基本一致，验证了基于极化试片的试片断电法可以测量到与恒电位仪瞬时同步断电法一致的结果。两次测量的对象都为运行多年的东北原油管道，测量点处管道防腐层为石油沥青，采用的试片电极面积为1cm2，参比电极位于探头一侧。对比试验结果表明，当埋地极化试片与管道通过测试桩进行电连通之后，极化试片与管道成为一个整体，达到相同的极化程度，因此试片断电法测得的断电电位与恒电位仪瞬时同步断电法测得的断电电位相同。

2试验2

2010年，对秦京线进行了埋地管道阴极保护系统状况及防腐层性能评价，期间对部分测试桩进行了试片断电法的对比试验，分别采用恒电位仪瞬时同步断电法和试片断电法测量断电电位（表1）。其中1#测试桩和49#测试桩分别位于两个相邻的阴极保护站阳极地床附近。该测试管段的防腐层包括石油沥青和聚丙烯冷缠带（大修段）两种。采用的极化试片电极面积为1cm2，参比电极位于探头一侧。试片断电法测量的断电电位在阴极保护站阳极地床附近负于恒电位仪同步瞬时断电法测量的断电电位，而在两个阴极保护站的中间则正于恒电位仪同步瞬时断电法的断电电位。该试验为在一个站间距的范围内对沿线管道测试桩进行的试片断电法和恒电位仪瞬时同步断电法对比，显然比2008年在东北管道两个独立的测量点进行的对比试验更具代表性。

3试验3

2011年，对部分管道站场开展了区域阴极保护检测与有效性评价工作，于某站场进行了试片断电法评价储罐阴极保护有效性的试验。试验中同样采用1cm2的极化试片埋于罐基础外土壤中，罐基础外边缘距罐边缘约2.5m，对同一个测试点进行4组不同通电周期的试验（表2），每次测量前等待15min以待试片进行充分极化，即测量最后一组12s的通电周期时，试片已经极化1h。试验完毕后再次等待15min，以1.8s通、0.2s断的周期重新测量，发现断电位升至994mV，说明试片在测量过程中一直处于极化状态，并且试片断电在充分极化后较为接近通电电位。恒电位仪瞬时同步断电法测量储罐周围通断电位的IR降均在100mV以上。值得注意的是，在管道干线进行试片断电法测量时每个测量点均极化半个小时以上，并未发现随着极化时间延长，断电电位负向偏移的现象。

试验结果讨论

2008年进行的对比试验中发现，试片断电法可以测得与恒电位仪瞬时同步断电法一致的断电电位时，从阴极保护极化的角度进行分析，认为极化试片处于管道阴极保护的环境下会产生与管道“漏点”相同的极化，此处“漏点”指管线钢接触到渗透涂层的土壤电解质而并非完全意义上的涂层破损点。因此，认为试片断电法测得的极化电位与消除涂层IR降和土壤IR降后的恒电位仪瞬时同步断电法测得的管道断电电位一致。然而，2010年和2011年进行的对比试验结果并不支持以上结论，仍需从原理上重新探讨基于极化试片的辅助试片断电法所测量到的断电电位的真实意义，静电场理论则可以很好的解释该现象。为了便于分析，讨论过程中不考虑杂散电流的干扰影响。对于采用便携式参比电极测量的辅助试片断电法，假设测量时便携式参比电极位于参比电极1，而在试片表面存在无限接近的参比电极位置（参比电极2）（图1），由此可以测得理论上的极化电位。由于断电电位消除了参比电极1和参比电极2之间的IR降，那么试片断电法在两个位置得到的断电电位应该一致。如果极化试片的电极面积较小，那么试片极化所需要的电流较小。当极化试片的面积足够小以至于极化试片连接到测试桩后试片的极化电流对于土壤电位梯度造成的影响可以忽略时，参比电极1和参比电极2处的土壤电势保持原样，即U'1soil=U'2soil，此时，试片断电法测得的断电电位与通电电位相同，即Von=Upipe－U'1soil与Voff=Upipe－U'2soil相同。实际上，此时试片断电法测得的断电电位与连接极化试片前测试桩的管/地通电电位相同，管/地通电电位即是试片断电法测量断电电位的负极限。如果极化试片的电极面积较大，那么试片极化所需要的电流较大。当极化试片的面积足够大以至于测试桩附近管道的阴极保护电流不足以对试片产生多少极化时，试片断电法测量的断电电位正极限为极化试片的自然电位，类似于管道防腐层破损面积过大导致无法保护的情况。因此，对于特定面积的极化试片采用试片断电法测量的断电电位介于管/地通电电位和试片自然电位之间。当试片面积不太大时，试片断电法测量的断电电位将介于通电电位与恒电位仪瞬时同步断电法测量的断电电位之间，即负于恒电位仪瞬时同步断电法测量的断电电位；试片断电法测量的断电电位随着试片电极面积的不断增大而正移，当试片面积大到一定程度时，试片断电法测量的断电电位将正于恒电位仪瞬时同步断电法测量的断电电位。

上述讨论针对的是极化试片电极面积变化时，远离阳极地床的同一个管道测试桩位置试片断电法所测量断电电位的变化情况。而在秦京线的对比试验中，采用面积同为1cm2的极化试片在管道沿线不同位置的测量结果呈现出不同的趋势，说明即便是同一条管道，对于不同类型的防腐层、不同的防腐层状况（平均漏点和防腐层电阻率等情况）以及管段所处不同位置（靠近阳极地床，阴极保护电流密度大），要想测量得到与瞬时同步断电法相同的断电电位，所需要的极化试片的电极面积也不同。因此，采用电极面积同为1cm2的极化试片进行试片断电法所得到的结果与恒电位仪同步瞬时断电法的测量值所呈现趋势不同。为了验证上述静电场理论的分析和结论，采用数值模拟技术对试片断电法测量断电电位的基本规律进行计算。

数值模拟

数值模拟采用目前阴极保护领域应用较为广泛的边界元软件BEASYCP进行计算，影响计算结果最关键的参数是电位与被保护结构/土壤界面上的电流密度的对应关系即极化曲线。由于管道常用涂层渗透率较低，可以认为涂层未渗透部分符合欧姆定律以及涂层渗透部分符合电流密度减小系数校正后的裸钢极化曲线进行组合处理得到新的极化曲线，该方法随漏点面积的增大逐渐影响新极化曲线的形状，直到100%破损面积与裸钢极化曲线重合。上述极化曲线为通常而言的通电电位极化曲线，根据NACE标准TM0102《埋地管道防腐层电阻率的测试方法》所述，长输管道断电电位与通电电位的差值即IR降主要是由该段管道的阴极保护电流密度和防腐层的面电阻率造成，由此可以根据通电电位极化曲线得到断电电位极化曲线或者在建立数值模拟计算后以通电电位计算结果和电流密度计算结果反推管道的断电电位。对于极化裸试片而言，数值计算得到试片表面的电位即为极化电位，不包含任何IR降。假设管道涂层为目前主流的三层PE涂层，以往的数值模拟研究已经验证软件计算结果和常规阴极保护设计参数的一致性[6]。因此，为简化模型，计算中仅考虑一段5km长的管道，阳极地床为10根1m长、距离管道100m的浅埋硅铁阳极地床。采用相同的参数，如通电点电位-1.2V、涂层面电阻率104•m2等分别计算未连接试片、连接小面积辅助试片0.1cm×0.1cm和连接大面积辅助试片30cm×30cm等3种情况下管道的通电电位和试片极化电位（图2～4）。计算结果显示的规律与之前的分析推论一致，即试片面积较小时，辅助试片断电法测得的极化电位约-1006mV，接近管道的通电电位-1091mV；试片面积较大时，辅助试片的极化电位约-696mV，接近管道的自然电位。通过数值模拟计算可以验证现场试验结果得出规律的可靠性，同时测试前进行的模拟计算也可用以指导现场试验。

结论

（1）从现场试验结果、分析讨论和数值模拟验证可知，试片断电法或极化探头断电法所测量的断电电位介于管道的通电电位和极化试片的自然电位之间。

（2）为使得试片断电法所测断电电位与恒电位仪瞬时同步断电法所测断电电位一致，不同的管道涂层类型和涂层状况以及不同的测量点位置所对应的电极面积需求尚不可知，特定大小电极面积的试片或极化探头无法适用于所有条件下的测量，试片断电法或极化探头断电法应用于管道断电电位测量还需要进一步的研究。

（3）试片断电法消除的IR降是便携式参比电极与试片表面之间的IR降，断电测量过程中试片断电法与极化探头断电法相差不大，除非是杂散电流影响下试片表面与便携式参比电极所处位置的地电位梯度较大时，两种测量方法才会有所差别。

（4）阴极保护数值模拟技术可以有效地验证现场测量结果的规律性，在现场试验前通过合理的数值模拟可以更好地来指导现场试验。（本文作者：张丰、薛致远、王维斌、金宏、刘迎春、侯浩 单位：中国石油天然气集团公司油气储运重点试验室、中国石油管道公司郑州输油气分公司、中国石油管道公司兰成渝输油分公司）