蘇俊華，孫海礁，高立群，李燦雷，楊相鋒

(1.寧波中科腐蝕控制工程技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040;2.中國石油化工股份有限公司西北分公司，新疆烏魯木齊 830011;3.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽 110015)

關(guān)于陰極保護標(biāo)準(zhǔn)及工程測量方法的探討

蘇俊華1，孫海礁2，高立群3，李燦雷1，楊相鋒1

(1.寧波中科腐蝕控制工程技術(shù)有限公司，浙江寧波 315040;2.中國石油化工股份有限公司西北分公司，新疆烏魯木齊 830011;3.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽 110015)

研究表明，在陰極保護實際工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)的通電12 s后斷電3 s的測量方法并不能得到準(zhǔn)確的斷電電位數(shù)據(jù)。IR降的正確測量可以通過專業(yè)儀器得到，也可在工程現(xiàn)場用萬用表進行簡單測量后進行修正得到。另外，在正常情況下，－100 mV極化可以將電化學(xué)腐蝕速率降低到原來的2%;極端情況下也可以降低到原來的1/7。因此應(yīng)該重視－100 mV的極化標(biāo)準(zhǔn)，并將此準(zhǔn)則同樣視為陰極保護工程驗收的一條重要標(biāo)準(zhǔn)。

陰極保護 IR降 斷電測試 保護電位B值

1 陰極保護電位設(shè)定

在陰極保護實際工程應(yīng)用中，如果沒有條件測量斷電電位，可以設(shè)置通電在－1 100 mV左右為宜。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般情況下IR降在300 mV左右。所以，不應(yīng)該設(shè)置通電電位僅在－850 mV，因為IR降一定會存在。從NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0497-1997《埋地或浸泡金屬管道系統(tǒng)的陰極保護準(zhǔn)則相關(guān)的測量技術(shù)》(以下簡稱TM0497)里可以看出，通電電位中包含電壓表、測試導(dǎo)線、參比電極、電解質(zhì)、涂層、管道和管道金屬(電解質(zhì)界面)電位的疊加。電壓表、測試導(dǎo)線、參比電極、電解質(zhì)、涂層和管道電位是指測量回路中電阻性質(zhì)的電位，即IR降。管道金屬(電解質(zhì)界面)電位指的是金屬極化后的電位，即真實保護電位，是一個電容或電感性質(zhì)電位。因為電壓表、測試導(dǎo)線、參比電極、電解質(zhì)、涂層、管道電位是電阻性質(zhì)的，而真實保護電位是電容或電感性質(zhì)的，因此可以通過斷電的方式(即瞬間電流為零的方式)來獲得IR降的信息。通電測量電位為IR降與真實電位之和，當(dāng)斷電瞬間，電流為零，IR降亦為零，此時測量的斷電瞬間的電位就是真實電位，也就是斷電電位。

需要說明的是IR降為零的情況基本不存在。因為測量回路中測量導(dǎo)線，管道電阻，涂層電阻必然會造成IR降，如果通電電位和斷電電位沒有差別，并不能說明系統(tǒng)工作情況良好，應(yīng)該檢查系統(tǒng)是不是存在其它電源供電或電源是否有漏流情況。

2 工程中如何測量IR降

關(guān)于測量斷電電位，中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)有些偏差。在SY/T 0023-1997《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測試方法》中規(guī)定了陰極保護系統(tǒng)各種參數(shù)的測試方法，其中規(guī)定斷電法測保護電位采用陰極保護站處于向管道供電12 s，停電3 s。停電3 s期間用地表參比法測得的電位，即為參比電極安放處的管道保護電位。即“12 s，3 s”測量方法。這種規(guī)定給實際操作帶來了很大的困難，因為在停電3 s期間的前0.5 s和后0.5 s測量的數(shù)據(jù)可能會大不相同。

由于對這個標(biāo)準(zhǔn)的機械理解，有些恒電位儀生產(chǎn)商設(shè)置了通電12 s后斷電3 s，在3 s內(nèi)任取一讀數(shù)作為斷電電位的錯誤測試方法。

關(guān)于斷電3 s，NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0497中9.3.2條規(guī)定:為避免管道明顯的去極化，斷電時間必須限定在僅夠作出準(zhǔn)確的電位測量的時間。通常，斷電時間不能大于3 s。同時，9.6.2條又補充說明:關(guān)于這種測試方法的具體過程，在所有電源安裝必需的斷路器，在測試過程中同步“關(guān)”和“開”?！瓣P(guān)”的過程應(yīng)當(dāng)保持在越短越好，但要能準(zhǔn)確讀數(shù)。

根據(jù)對NACE標(biāo)準(zhǔn) TM0497的理解，IR降的測量應(yīng)該在最短的時間段內(nèi)取得，只要能準(zhǔn)確讀數(shù)，整個過程不能超過3 s。而不應(yīng)該是在3 s內(nèi)取得任一讀數(shù)都可以作為斷電電位。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測量IR降是越快越好。快的程度在NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0497中規(guī)定:“存在于管道-電解質(zhì)電位測試過程中的電壓降(IR降)的影響可以通過中斷所有明顯的電源得到并進行檢測。這個測量結(jié)果被指為“瞬間斷電”電位(instnag-off)。這種測量必須在電流中斷后立即進行，不能有任何可觀察到的延遲現(xiàn)象以避免去極化過程未能記錄，測得的電位被作為測量點的極化電位。因為中斷電流可能造成一個電位脈沖，應(yīng)避免將電脈沖的電位記錄為極化電位”。同時，標(biāo)準(zhǔn)指出，這個脈沖的時間寬度一般不超過0.5 s。

因此認(rèn)為真實瞬時斷電電位應(yīng)在1 s內(nèi)取得。這樣，由于普通的萬用表記錄數(shù)據(jù)的時間間隔是每秒2～3次，所以用普通萬用表很難準(zhǔn)備記錄斷電瞬間數(shù)據(jù)。一般采用專用的電位記錄儀來進行斷電測試。專用電位記錄儀的記錄過程見圖1。

從圖1可以看出，斷電電位在斷電后200 ms左右就出現(xiàn)了，如果不用專用的儀器，很難進行斷電測試。

在實際工程測量中，由于野外工作條件限制，也可以使用萬用表進行簡單的斷電測試，即將萬用表兩端接在測試樁或電源的陰極和陽極上，同時由其他人配合斷電操作，記錄斷電后萬用表顯示的第一個和第二個數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)一般比準(zhǔn)確的斷電電位稍低，根據(jù)經(jīng)驗稍加修正后可以作為有效的斷電測量數(shù)據(jù)使用。

3 －100 mV標(biāo)準(zhǔn)的使用和意義

在SY，NACE和API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都提到了陰極保護的另外一個準(zhǔn)則，即最少有100 mV的陰極極化。

在實際工程應(yīng)用中，經(jīng)常有技術(shù)人員把這條標(biāo)準(zhǔn)理解為－850 mV標(biāo)準(zhǔn)的補充，即在不能達到－850 mV標(biāo)準(zhǔn)的情況下，才使用這條準(zhǔn)則。最近，有研究人員提出不同的看法，即此標(biāo)準(zhǔn)決不是對－850 mV的補充，而應(yīng)視為一條正常的驗收標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)仔細(xì)查核國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也未發(fā)現(xiàn)有將此條標(biāo)準(zhǔn)作為－850 mV標(biāo)準(zhǔn)補充的依據(jù)。

國內(nèi)有陰極保護專家給出了關(guān)于此標(biāo)準(zhǔn)的理論推算:

假設(shè)某一體系未施加陰極保護時，其腐蝕電位Ecorr為－550 mV，腐蝕電流密度為Jcorr 1;施加陰極保護之后，其保護電位Ecp為－650 mV，于是，其陰極極化值 △E為 －650與 －550之差(－100 mV)。設(shè)在－100 mV極化值條件下，被保護對象的腐蝕電流密度為Ja1，由腐蝕電化學(xué)原理可知:

式中:βa1為被保護對象陽極溶解反應(yīng)的塔菲爾斜率。

通常在活性區(qū)金屬陽極溶解反應(yīng)的塔菲爾斜率約為幾十毫伏。前蘇聯(lián)著名的腐蝕科學(xué)家托馬曉夫的研究結(jié)果表明:鐵在不同濕度和不同結(jié)構(gòu)的土壤中，其常用對數(shù)的塔菲爾斜率ba為0.06 V，由于 ba=2.303βa，故 βa1=26 mV，于是:

上式表明:對被保護對象施加了陰極保護、并且陰極極化值達到－100 mV時，被保護對象在這一陰極極化值下，其腐蝕速度降低了98%，只有未施加陰極保護時的腐蝕速度的2%。

從腐蝕速率變化的百分比看，－100 mV極化值所達到的保護效果是顯著的。

以上的推論可知，βa1是一個關(guān)鍵因素。曹楚南指出B 值(即 βa1)一般在 13～30 mV［1］。而有的文獻指出 b值(即 ba值)一般取 0.06～120mV［2］。根據(jù)換算，B 值在26～52 mV。綜合上述兩個文獻，假設(shè)B值取13～52 mV，則計算的Ja1/Jcorr1值(即腐蝕反應(yīng)抑制程度)見表1。

表1 陰極極化后腐蝕抑制程度 %

從表1可以看出，在正常情況下，－100 mV極化可以將電化學(xué)腐蝕速率降低到原來的2%;極端情況下，也可以降低到原來的1/7。如果極化達到－150 mV，即使在極端情況下，腐蝕也降低到原來的1/20。

因此應(yīng)該重視－100 mV的極化標(biāo)準(zhǔn)，并將此準(zhǔn)則同樣視為陰極保護工程驗收的一條重要標(biāo)準(zhǔn)。

需要說明的是，使用這條準(zhǔn)則也必須重視IR降的影響，從上面的計算公式也可以看出，用來計算△E的保護電位應(yīng)去除IR降，指的是結(jié)構(gòu)的真實極化電位，并不是指通電電位。

4 結(jié)語

(1)工程應(yīng)用中，應(yīng)測量斷電電位，正確設(shè)置陰極保護電位;如無條件測量，則陰極保護系統(tǒng)的通電電位可以設(shè)置在－1 100 mV左右。

(2)陰極保護系統(tǒng)中一定會存在IR降。IR降的正確測量可以通過專業(yè)儀器得到。在工程現(xiàn)場，可采用萬用表進行簡單測量后進行修正。

(3)根據(jù)理論計算，－100 mV標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)作為一條重要準(zhǔn)則在陰極保護工程中應(yīng)用。

［1］曹楚南.腐蝕電化學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1994:59.

［2］H.H.尤里克.腐蝕與腐蝕控制［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1985:62.

Study on Cathodic Protection Standard and Engineering Measurement

Su Junhua1，Sun Haijiao2，Gao Liquan3，Li Canlei1，Yang Xiangfeng1
1.Ningbo Zhongke Corrosion Control Engineering Technology Co.，Ltd.(Ningbo，Zhejiang 315040)2.SINOPEC Northwest Oil Field Company(Urumqi，Xinjiang 830011)3.Institute of Metal Research of Chinese Academy of Sciences(Shenyang，Liaoning 110015)

The research has shown that，in project application of cathodic protection，the accurate electric potential data can not be got by conventional measures，i.e.measurement after power on for 12 s and power off for 3 s.The correct measurement of IR drop can be obtained by special instrument or by universal meter after correction.In normal conditions，－100 mV polarization can reduce the electro－chemical corrosion rate to 2%of the original and 1/7 of the original in extreme case.Great attention shall be paid to －100 mV polarization standard，which shall be regarded as an important standard in the inspection and acceptance of cathodic protection project.

cathodic protection，IR drop，power－ off testing，protection electric potential，B value

TG174.41

A

1007－015X(2011)03－0025－03

2010－09－ 29;

2011－03－24。

蘇俊華(1972－)，男，高級防腐蝕工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)在寧波中科腐蝕控制工程技術(shù)有限公司從事腐蝕與防護技術(shù)開發(fā)工作，主要研究領(lǐng)域為陰極保護和涂層防護。E－ mail:18917134111@189.cn