摘要：分析了管道阴极保护电位测量误差的原因，论述了极化探头的结构和使用方法。结合工程实例，考察了采用Cu/饱和CuSO4参比电极的极化探头在埋地天然气钢质管道阴极保护参数测量中消除IR降方面的实际效果。与其他方法的测量结果相比，在管道阴极保护正常运行状态下，用极化探头法可以使电位测量误差最小，可以测到最接近真实值的管道阴极保护电位。
关键词：阴极保护；保护电位；极化探头；极化电位；IR降；极化探头法；试片断电法；管道瞬间断电法
Application of Polarized Probe to Cathodic Protection of Buried Steel Pipeline
YANG Yi-jun，LI Wen-yu，WANG Zhi-fang，DU Yan-xia
Abstract：The reasons for measurement error of pipeline cathodic protection potential are analyzed. The configuration and use of polarized probe are expounded. Combined with an engineering example of parameter measurement，the actual effect of the polarized probe with Cu/saturated CuS04 reference electrode in terms of eliminating IR drop during measurement of cathodic protection parameters of buried natural gas steel pipeline is investigated. Under the normal operation of pipeline cathodic protection，the polarized probe method has the smallest potential measurement error compared to other measurement methods. This method can measure the pipeline cathodic protection potential that is the closest to the true value.
Key words：cathodic protection；protection potential；polarized probe；polarization potential；IR drop；polarized probe method；test block power interruption method； instantaneous power interruption method
1 管道保护电位的测量误差原因
在运行的阴极保护系统中，将参比电极置于管道附近土壤中测量管道和参比电极之间的电位差，得到通电状态下的保护电位，称为通电电位Von。根据参比电极与管道的距离不同，其测量又分为地表参比、近参比等不同方法。一般情况下，Von不等于管道真实极化电位Vt。采用断电法即切断阴极保护电流Ic后测量，可消除部分误差。但在某些情况下，断电电位Voff仍和管道真实极化电位Vt有较大误差。这些误差就是IR降造成的，IR降是根据欧姆定律由于电流的流动在参比电极与金属管道之间电解质(土壤)上产生的电压[1、2]。把各种误差△V统称为IR降，假如将各种误差△V简单划分为可用断电法消除的IcR和不能用断电法消除的V0两部分，那么存在以下关系：
Von=Vt+△V=Vt+IcR+V0 (1)
Voff=Vt+V0 (2)
可消除的I尺降是由参比电极和管道电位测量点之间的阴极保护电流Ic(即整流器或牺牲阳极输出电流)、土壤电阻和管道表面膜或绝缘层电阻造成的，属于直流欧姆压降，是纯阴极保护电流造成的欧姆压降，称作纯欧姆压降，它在阴极保护电流中断瞬间立即消失。
不能用断电法消除的误差V0是各种杂散电流、二次电流造成的地电位梯度引起的，是非阴极保护电流造成的欧姆压降，称作非欧姆压降。杂散电流是在非指定回路中流动的电流[1]。二次电流是因被保护金属极化程度不同造成的在极化差异部位之间流动的电流[2]。这两种电流都不会因保护电流中断而立即消失。
除了介质电阻、涂层电阻外，某些非欧姆因素也可能造成电位测量误差。
工程上近年来推出管道瞬间断电法、试片断电法、极化探头法等消除IR降的测量技术。
2 管道瞬间断电法
管道瞬间断电法要求管道上所有相连的接地保护、牺牲阳极均须断开，管道上多个阴极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，测量仪应使用响应速度极快的自动记录仪。该测量方法的缺陷是某些时候不便于断开阴极保护电流及其他电连接，而且该方法无法消除由杂散电流和二次电流导致的非欧姆压降。
3 试片断电法
在测试点处埋设一个裸试片，其材质、埋设状态要求与管道相同，试片和管道用导线连接，这样就模拟了一个覆盖层的缺陷，由管道提供保护电流进行极化。测量时，只需断开试片和管道的连接导线，就可以测得试片断电电位，由试片电位代表管道电位，从而避免了切断管道主保护电流Ic及其他电连接的麻烦。本方法对工程应用较为实际，使用中应对测试桩的功能加以补充，并设置埋设试片接线柱，平时与管道接线柱用铜导线连接并易于断开，以供测试。应注意试片极化时间要足够长。
由于用试片电位代表管道电位，因此仅分析参比电极与试片间电解质(即土壤)上产生的IR降即可。当采用地表参比电极对试片进行断电电位测量时，仍存在杂散电流干扰的问题，只有当参比电极与试片距离较近时，才可以在一定程度上减小杂散电流的影响。因此，试片断电法也不能消除V0，这可以用图1来解释。
图1中，试片与管道连接断开，使试片的阴极保护电流Ic=0，则IcR=0。因为杂散电流、二次电流仍然存在，所以V0仍然存在。由于存在的IR降份额较大，因此电位测量误差大。杂散电流、二次电流的方向以图示为例，也可能有其他方向。当杂散电流、二次电流的方向与阴极保护电流方向相同时，则试片电位负向偏移；相反时，试片电位正向偏移。
4 极化探头结构
为克服上述两种断电法电位测量误差大的缺陷，需要采用极化探头法。极化探头是把参比电极和填充介质封闭在绝缘外壳内，被测试片与绝缘外壳适当连接，试片外表面不被绝缘外壳包封而接触探头外部环境，内表面与探头内部绝缘。参比电极只通过探头底部多孔塞子渗透膜上的小孔与外界构成测量通路，参比电极与试片尽量接近，试片用和管道相同的材质制作。参比电极可分为液态参比电极(如Cu/饱和CuSO4、饱和甘汞)、固态参比电极(如Zn、MnO2等)，根据测量对象采用不同参比电极。
下面以Cu/饱和CuSO4参比电极探头结构为例进行说明，探头结构见图2。该极化探头分为上、下两个腔室，上腔室为参比电极安装室，下腔室安装有极化试片、自腐蚀试片、保湿剂，上腔室与下腔室、下腔室与极化试片通过导电盐桥连接[3]。极化探头有3根导线分别与参比电极、极化试片、自腐蚀试片相连接。极化试片的连接导线既用作试片的极化线又兼作电位的测量线。
5 极化探头法
极化探头法类似试片断电法。采用极化探头进行电位测量，极化试片平时用导线与管道相连，使试片受到与管道同样程度的极化。测量时断开试片与管道的连接，切断试片的阴极保护电流Ic，立即进行电位测量，得到极化试片断电电位Voff。此即为极化探头法[2]，见图3。
图3中，极化试片与管道连接断开，使极化试片的阴极保护电流Ic=0，则IcR=0。探头的塑料外壳与周围环境隔离，可以避免外界电流的进入，消除了部分非欧姆压降。虽然杂散电流、二次电流仍然存在，但是探头下部的导电盐桥与极化试片非常靠近，从而使非欧姆压降最小。把极化探头法未消除的非欧姆压降记作V0,min，与试片断电法没有消除的V0比较，V0,min的绝对值小于V0的绝对值。因此，极化探头法测量的电位误差最小，而且有：
Voff=Vt+V0,min (3)
若没有杂散电流、二次电流的干扰存在，则极化探头法与试片断电法测量的断电电位应是相同的，电位测量误差也应是相同的。但实际上杂散电流、二次电流总是或大或小以各种方向存在的。
虽然V0,min本身的绝对数量存在，但极化探头法未消除的V0,min的绝对值比试片断电法未消除的V0的绝对值小，即极化探头法比试片断电法测量的电位误差小。因此，与其他测量方法相比，极化探头法可以测到最接近真实值的管道阴极保护极化电位。
极化探头法最适用于杂散电流区域的电位测量，它可以测到管道由阴极保护电流应该达到的最接近真实值的阴极保护极化电位。杂散电流是导致埋地管道腐蚀的有害电流，应该排除。当确认存在杂散电流干扰时，采取干扰防护措施后，用其他测量方法得到的Voff与极化探头测得的Voff相比较，当两者很接近时，则说明排除干扰后杂散电流对管道的影响小了。极化试片通电时其电位关系如下：
Von=Vt+IcR+V0,min (4)
6 极化探头法的使用
极化探头法的安装、接线、测量见图4。
① 安装：Cu/饱和CuSO4参比电极极化探头多用于埋地管道的测量，与管壁水平净距为100mm，埋深与管道中心相同。
② 接线：极化试片及自腐蚀试片导线分别引入测试桩各自接线柱上，被保护管道导线引入测试桩接线柱上，参比电极导线引入测试桩接线柱上，平时极化试片接线柱与被保护管道接线柱之间用导电铜片相连，意味着极化试片受到与管道相同的极化。
③ 测量：测量采用的仪表为数字万用表，直流电压档为2V，黑表笔接参比电极，红表笔接极化试片接线柱。测量时断开导电铜片使极化试片断开阴极保护电流，立即进行极化试片的电位测量，得到负值电位。关于断电电位测量时间，当极化试片中断阴极保护电流后被保护试片对地电位随时间的变化曲线称为断电衰减曲线，断电瞬间电位下降很快，之后开始极化衰减。在阴极保护电流中断后不同瞬间测到的断电电位值不同，用响应时间更快的示波器很容易测到。断电时间太长可导致过度极化衰减，断电时间太短可能落入电压冲击范围。按文献数据，断电测量时间以0.5～3.0s为宜。
自腐蚀试片用于自腐蚀电位测量。
7 工程应用实例
2009年9月，我们对某天然气二期工程高压管道镁牺牲阳极保护效果用极化探头进行现场测试。该管道规格为Ø508×9.5，长度为14km，材质为L290，采用3层PE加强级防腐，沿线土壤电阻率为20～30Ω·m，镁阳极每组2支，单支阳极质量为22kg，阳极间距为330m左右。用市售极化探头(外形尺寸规格为Ø75×300)和便携式数字万用表进行测量。平时极化试片与被保护管道在测试桩用导电铜片相连，测量断电电位时，第1次测量时断开连接铜片在第2s时读数。重复测试时将极化试片通电12s、断电3s、在断电2s时读取断电电位值。现场用极化探头试片与便携式参比电极测量的电位列于表1。从现场测试数据结果可以看出：
① 极化探头试片的通电电位与断电电位之差较小，原因是极化探头内装导电性良好的饱和硫酸钠并且探头下部的盐桥与极化试片非常靠近，探头又紧靠管道，因此IR降小。测量的10个点中，有6个点的试片通电电位与断电电位差的绝对值超过100mV，与断电电位比较，通电电位包含的IR降份额较大。因此推荐采用试片断电电位作为管道阴极保护电位。
② 用便携式参比电极测得的管道通电电位与极化探头测得的断电电位存在较大电位差，这是土壤IR降造成的，本管道沿线土壤电阻率为20～30Ω·m，属强腐蚀等级，说明土壤含盐量、含水量高，导电性好，导致两种方法测量的电位误差较大。与极化探头法测量的断电电位比较，便携式参比电极测量的通电电位包含的IR降份额更大。
③ 用极化探头测量的断电电位，与其他电位比较，包含的IR降份额最小。
表1 现场用极化探头试片与便携式参比电极测量的电位比较
|
里程/km
|
极化探头试片
|
便携式参比电通电电位/V
|
便携式参比电极通电电位与极化探头试片断电电位之差/V
|
||
|
断电电位/V
|
通电电位/V
|
通电电位与断电电位差值/V
|
|||
|
0.760
|
-1.250
|
-1.298
|
-0.048
|
-1.368
|
-0.118
|
|
1.625
|
-1.154
|
-1.184
|
-0.030
|
-1.327
|
-0.173
|
|
4.100
|
-1.305
|
-1.320
|
-0.015
|
-1.477
|
-0.172
|
|
6.575
|
-0.970
|
-1.094
|
-0.124
|
-1.440
|
-0.470
|
|
8.225
|
-1.186
|
-1.374
|
-0.188
|
-1.477
|
-0.291
|
|
8.860
|
-1.267
|
-1.444
|
-0.177
|
-1.501
|
-0.234
|
|
11.580
|
-1.246
|
-1.419
|
-0.173
|
-1.492
|
-0.246
|
|
12.529
|
-1.326
|
-1.349
|
-0.023
|
-1.497
|
-0.171
|
|
13.020
|
-1.285
|
-1.394
|
-0.109
|
-5
|
-0.220
|
|
13.340
|
-1.305
|
-1.441
|
-0.136
|
-1.521
|
-0.216
|
8 结论
极化探头法为测量管道阴极保护真实极化电位提供了较理想的手段，与其他测量方法相比，它能最大程度地消除IR降。在高电阻率土壤介质中也能得到更准确的极化电位。在有杂散电流干扰的情况下，使用近参比电极断电法测量会有较大的电位误差，而极化探头法使误差最小，可以测到最接近真实值的管道阴极保护极化电位。
参考文献：
[1] GB/T 21448—2008，埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].
[2] GB/T 21246—2007，埋地钢质管道阴极保护参数测量方法[S].
[3] 胡士信，熊信勇，石薇，等.埋地钢质管道阴极保护真实电位的测量技术[J].腐蚀与防护，2005，26(7)：297-301.
(本文作者：杨义军1 李文玉2 王芷芳3 杜艳霞4 1.中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074；2.港华投资有限公司 广东深圳 518026；3.天津大学材料学院 天津 300072；4.北京科技大学 北京 100083)
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