摘  要：在有阴极保护系统的埋地管道保护电位的测量时，通常用CuSO₄参比电极和万用表在地面测量的管/ 地电位低于-850mv，把包含土壤IR降的管地电位认作是管道极化电位（即有效保护电位），当管道的防腐层发生破损缺陷时，在土壤IR降数值较大，表观上测得的保护电位并非缺陷处真正有效的保护电位，要有正确的测量方法和补救措施。

关键词：腐蚀  阴极保护  电位  测量方法

     埋地钢质管道的性能会随着时间延长而逐渐降低，最终导致报废。导致管道应用性能下降的因素有多种，如腐蚀、损伤、磨损、老化等等，其中电化学腐蚀是最主要的因素之一。为防止或减少电化学腐蚀的发生，常用的方法就是给埋地管道加防腐绝缘层，然后再进行阴极保护。根据《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2003的规定，阴极保护系统的保护效果应达到下列指标之一：

     1、施加阴极保护后，使用CSE参比电极测得的极化电位应达到-850 mv或更负，测量时必须考虑IR降的影响。

     2、采用断电法测得管道相对于CSE参比电极的极化电位应达到-850 mv或更负。

     3、在阴极保护极化形成或衰减时，测得被保护管道表面与接触土壤的、稳定的CSE参比电极之间的阴极极化电位值不应小于-100 mv。

     达到以上条件之一，可使管道避免发生电化学腐蚀，得以安全运行。但是当管道的防腐层出现缺陷，会使阴极保护电流在管道缺陷点局部极化达不到有效保护标准（-850mv），或者是管道防腐缺陷点处土壤环境特殊，均会使管道在有阴极保护且表观保护电位（V_{o n}）小于等于-850 mv时，发生电化学腐蚀穿孔。形成这种现象的原因可从下面作进一步的探讨和分析。

     首先从阴极保护防腐的机理进行分析，阴极保护防腐就是通过一个外加电流产生来抑制电化学腐蚀原电池腐蚀电流的产生。即向被保护的管道外加一个与腐蚀电流方向相反且大于等于腐蚀电流的电源，来抑制管道自然电化学腐蚀反应的电流的发生。常用阴极保护系统有外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种。从电化学腐蚀反应的原理分析，外加电流的电位（阴极保护电位）需要多高的电位值才能阻止腐蚀反应的发生，使腐蚀电流为零呢?根据电化学反应方程式：

     阳极反应（腐蚀）Fe—2e→Fe²⁺     （1）

              Fe²⁺—e→Fe³⁺                   （2）

     阴极反应：O₂+4e→2O^2-

     总反应4Fe+3O₂→2Fe₂O₃ （最终产物）

     由腐蚀反应的方程式得知，管道腐蚀电流大小与反应式（1）中腐蚀产物中Fe²⁺离子的活度有关，而Fe²⁺离子的活度又与周围环境中土壤的PH值有关（见图1） ^〔1〕。当土壤的PH值为6-8时，管道的第一步腐蚀产物Fe²⁺的活度约为10^-4mol.L^-1左右 ^〔2〕（腐蚀反应平衡时），这时抑制腐蚀反应发生的最小保护电位，根据Nernst公式为：

     E = E₀ + RT / nFLnα

式中：

     E₀—铁的标准电极电位其值为-0.44V（SHE）

     R—气体常数

     F—法拉第常数

     T—绝对温度

     n—电化学反应中电子得失数

     α—溶液中离子的活度

     由Nernst公式计算得知，抑制腐蚀电流发生的最高阴极保护电位值为E=-0.532V（相对于氢电极）=-0.850V（相对于饱和CuSO₄电极）。这个值就是阴极保护最低保护电位标准的理论依据。在工程实践中往往还要根据实际的地理环境条件和实验数据选取合适的阴极保护电位值，一般情况下保护电位的合理范围是-0.850V—-1.50V。在含有硫酸盐还原菌的土壤中，考虑到微生物腐蚀的影响保护电位要负移-100mv，即保护电位要达到-0.95V。

     阴极保护对地下管道的防腐起着非常重要的作用，特别是当管道的防腐层出现小的缺陷时阴极保护电流可使管道免遭腐蚀。阴极保护电流在阻止有防腐层缺陷的管道发生腐蚀时，所需保护电流的大小与防腐层缺陷的严重程度有关，缺陷越大越严重需要的保护电流也就越大。而当防腐层缺陷很严重，虽然有阴极保护系统，但破损点局部保护电流极化电位达不到最低保护标准要求时，缺陷处管道就会发生腐蚀。判定保护电流密度是否达到最低保护标准要求，采用的是阴极保护电流对管道的极化电位（即管/地电位）理论值，一般情况下认为极化电位低于-850mv时，达到了最低保护标准要求管道不会发生腐蚀，极化电位高于-850mv，管道就会发生腐蚀。

     在目前实际工作中，有些人往往把用普通万用表和CuSO4参比电极在地面测量的管地电位，认作是保护电流对管道的极化电位，这是一个误区，在管道的防腐层完好电阻率比较大时，测得的电位值与极化电位值差别不大。但是当管道的防腐层存在缺陷电阻率就非常小，测得保护电位由于土壤IR降的作用就与极化电位差别较大。地面测得保护电位低于-850mv，而实际极化电位高于-850mv，这时防腐层破损点处管道就会发生了腐蚀甚至穿孔。出现这样的情况不是保护标准不合适，而是对阴极保护电位认识模糊所致。是把包含土壤IR降的管地电位误认作是管道极化电位（即有效保护电位）。

     下面用一个实验的方法说明管/地电位IR降的影响，实验装置如图2。用一般万用表和CuSO₄参比电极测量阴极保护电位的方法是在地面测量，这样测得电位实际包含有两部分，一个是阴极保护电流与土壤电阻的电压降（即IR值）V土，另一个是保护电流对管道的极化电位VP（即有效保护电位），万用表的读数为V：

V=V_土 + VP

     在管道防腐层未发生破损时（或破损点较小），保护电流将管道极化到有效保护状态（≤-850mv）需要阴极保护电流比较小，一般只有几十微安到毫安级/m²，而土壤的电阻率通常只有几十至上百欧姆，这时土壤的IR降是几毫伏至几十毫伏。此时在地面用万用表测量的管 / 地电位，与阴极保护电流对管道的极化电位差别就是几毫伏至几十毫伏。但当管的防腐层发生破损，特别是严重破损点管铁裸露时，情况就有很大的不同。破损点处要极化到有效保护（≤-850mv），需要有很大阴极保护电流一般是十几—几十毫安 / m²，这时土壤将产生很大的IR降，可达几百个毫伏。这时用万用表在地面测得的管地电位假设为-850mv，在减去土壤的IR降之后，保护电流对管道的极化电位就达不到-850mv（V_P =V_表-IR≥-850mv），这时管道就会发生腐蚀。图3是一条有阴极保护管道实际测量的极化电位（Voff）与地面电位（V_on）的关系曲线图，从图上可以看出地面测量管/地电位与极化电位存在一定的差别。

     从上面的实验分析得知，有阴极保护的管道当防腐层发生破损时，随着破损程度的逐步加重，破损点处达到有效保护需要电流的密度也会逐渐增大，阴极保护电流在土壤产生中的IR降随之增大，在地面测量用一般万用表测量得到的极保护电位小于-850mv，而管道的极化电位要大于-850mv，这时管道就会发生腐蚀。

     测量管道阴极保护极化电位的有效方法是用瞬时断电法，测试时在阴极保护电流输出端串接电流断续器，使阴极保护站处于向管道供电12s，停电3s的间歇工作状态，因为保护电源切断时阴极保护电流为零，土壤的IR降也是零，地面测量结果不含IR降，因此停电3s的期间用地表参比法测得的电位即为管道有效保护电位。

     在2006年10月施工的广州火村分输站出口中压D529钢管，有500米长度与次高压相距2米平行敷设，采用了外加电流阴极保护，用电缆将次高压管与中压管跨连接在一起，刚施工此管段时进行了预验收测试，采用了地表参比法和断电法两种测试方法，测得结果基本一致为－980mV，说明土壤的IR降非常小，两种测试结果不受IR降的影响。但在正式验收测试时，地表参比法的测量结果为－1060mV，而断电法的测量结果为－910mV，说明土壤的IR降很大，经沿线检查发现不远处有其他的管线施工单位作业，把煤气管的约5cm2防腐层破损，并被泥浆泡浸，经防腐层修复后，地表参比法和断电法两种测试结果基本一致为－980mV，说明土壤的IR降影响消除，防腐层完好；也说明了断电法测得的数值更可靠。

     通过上述理论分析及实践说明，有阴极保护系统的管道防腐层出现严重破损点时，应要采取办法进行修复，否则会消耗流失大量的保护电流，严重时管道可能会发生腐蚀穿孔。检测与评价埋地管道的阴极保护有效状况，如果采用的测量评价方法不够科学，可能会使阴极保护达不到有效保护标准的管段误认为达到了保护标准要求，从而使管道发生腐蚀。有阴极保护的管道在分析保护效果时应考虑多种因素影响，采用测量方法尽量科学，这样才能确保管道不会发生电化学腐蚀穿孔，长期安全运行。

［1］   火时中：《电化学保护》，化学工业出版社

［2］   美H.H.尤里克等《腐蚀与腐蚀控制》石油工业出版社

［3］   《地下管线管理》建设部主办1998.2