【应用研究】一种新型的极化试片电流测试技术

2021-07-02 13:28:44 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

腐蚀是埋地钢质管道安全运行所面临的最大风险之一。阴极保护与涂层的联合应用是国际上公认的埋地钢质管道的防腐蚀技术。根据现行国家标准，管地界面极化电位是判断阴极保护有效性的准则，在现场应用中，经常采用断电电位作为评价阴极保护效果的指标。随着我国城市基础建设的大力发展，城市周边埋地管道受到强烈的直流杂散电流干扰，已经成为影响管道安全运行的重大风险。其中较为突出的就是地铁动态直流杂散电流干扰。由于杂散电流的存在，造成密间隔电位测试（CIPS）已经不具有实施的意义；即使采用试片断电法来测试断电电位，也因无法彻底消除参比与试片之间的IR降而导致数据判读的困难。导致管道管理单位无法准确的评价管道阴极保护的有效性。这是目前业界对于动态直流杂散电流干扰下管道受干扰程度的评价以及腐蚀风险评估的一个难点。在动态杂散电流干扰的治理研究中，已有研究的重点主要放在断电电位的测试方法、极化试片的设计等方面，少见关于埋地试片吸收或排放直流杂散电流的研究。

本文介绍了一种新型的极化试片电流测试应用研究，该技术采用高精度数据记录仪监测受到动态直流杂散电流干扰的极化试片中流进、流出的直流电流。该结果可以用于埋地钢质管道直流杂散电流干扰的评价，为查找直流杂散电流干扰腐蚀风险点提供依据。

1 极化测试探头技术

埋地钢质管道采用阴极保护后，因电流在土壤介质中的IR降及杂散电流的影响使得真实极化电位很难准确测量。目前消除IR降的常规测试方法是瞬间断电法。

所谓瞬间断电法是指瞬间断开阴极保护电流（此时电流I值为零）而测得的断电电位值。瞬间断电法测得的断电电位近似等于极化电位，但瞬间断电法的准确测试需要具备以下三个基本条件：

①多套阴保系统要实现同步断开；

②所有与管道相连的均压线均应断开；

③没有杂散电流的干扰。

在管线的实际现场测试和管理中，特别是在存在动态直流杂散电流干扰的情况下，很难将测试得到电位里面的IR降消除掉，这给阴极保护效果的准确评价造成一定的困难。

近年来极化试片测试技术得到越来越多的关注和应用。极化试片采用与待测管道相同的材料制作，埋设在管道附近，以模仿管道防腐蚀层上的破损点。如果该试片的断电电位满足阴极保护的准则要求，那么管道防腐层上同等尺寸或者更小的破损点也会得到足够的阴极保护。

在现场使用中，应令极化试片与参比电极尽可能接近。在所测量得到的试片断电电位中，阴极保护电流及其它电流（杂散电流、平衡电流及大地电流）的影响会被尽量消除。但是在动态直流杂散电流的干扰情况下，该杂散电流引起的IR降很难被彻底消除。在这些情况下继续使用试片断电电位来判断管道的阴极保护水平和腐蚀风险，具有一定的不准确性。

判断金属结构物是否达到足够阴极保护的另外一个参数是电流密度。在阴极保护设计中，保护电流的需求就是根据保护电流密度来计算和确定的。如果能对流经极化试片的直流电流进行连续测定，那么就有可能在极化试片吸收、排泄直流电流量的基础上，发展出一种新的杂散电流影响严重程度以及阴极保护有效性的评价方法和准则。

2 在成品油管道中的应用

某成品油管道受到地铁动态直流杂散电流严重干扰。在地铁运行期间，管道的通电电位在-10~10V之间波动；在地铁停运时，管道的通电电位恢复正常。

在本次所开展的杂散电流测试与研究项目中，采用新型数据记录仪与极化试片对管道的通电电位、直流杂散电流等参数进行长时间监测。所使用的数据记录仪按照以下示意图进行接线，记录流经试片的直流电流以及试片通电电位。

数据记录仪与极化试片测试接线图

测试中所用试片的形状为平面圆盘状，面积为5平方厘米。当测试的极化试片直流电流为正值时，表明电流由土壤流入试片表面，试片和管道可得到阴极保护；测试的极化试片的直流电流为负值时，表明电流由试片流入土壤，试片和管道将有腐蚀风险。

由于管道受到动态杂散电流影响，试片瞬间的直流电流的方向会不断变化，下图为测试点的试片电流长时间连续监测记录。

测试点极化试片电流、电位对比图

该数据记录仪在配合参比电极使用时，也可以对极化试片的通电电位进行监测。从上图中可以看到，当测试的极化试片直流电流为正值时，表明电流由土壤流入试片表面，管道的通电电位较负；测试的极化试片的直流电流为负值时，表明电流是由试片流入土壤，管道的通电电位向正方向偏移。在所测量得到的通电电位里面包含有直流杂散电流引起的IR降，所以出现上述试片电流与通电电位的对比关系。

在后期数据处理中，将测试点的试片直流电流取平均值后发现，有11处测试点的极化试片直流电流平均值为负值，表明极化试片处于排泄电流的状态。

当管道防腐层破损点处有大量的氢氧根离子时，电流自管道流出时一个可能的氧化反应如下：

该反应不消耗金属，不会导致腐蚀。但是前提条件是管地界面存在足够的氢氧根离子。

关于受地铁动态直流干扰的管道表面排泄电流造成的腐蚀与动态变化的直流电流的关系的研究，目前还没有成熟的理论。所以如果有电流从管道经过管地界面进入土壤，我们只能初步判断管道在此处可能有腐蚀风险。目前急需将动态直流杂散电流的流出对埋地钢质管道的腐蚀影响进行定量化研究，以确定上述干扰情况下管道是否会发生腐蚀以及腐蚀量的大小。

3 结论

采用数据记录仪结合极化试片，对动态直流杂散电流干扰情况下流经试片的直流电流的大小与方向以及试片的通电电位进行同步监测。现场监测数据表明流经极化试片的直流电流的方向与大小都在发生剧烈的变动，管道的通电电位也随之波动。

通过进一步计算各点的极化试片直流电流的平均值，可以找到杂散电流排泄区，即管道腐蚀风险较大的区域。但是由于目前尚没有成熟的理论和应用经验将动态变化的直流电流用于量化评估腐蚀风险和评价阴极保护有效性，所以上述数据的进一步解读有待继续深入研究。

此外，在动态直流杂散电流干扰的情况下，极化试片的电流方向无明显规律变动，尚需对其波动性进行长期跟踪测试总结统计学规律，其对金属表面的电化学反应的影响也有待进一步研究。

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