毛 麗，黃 志，劉 曼，孫銀娟，高 耘

長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安 710018

1 智能樁應(yīng)用存在的問題

2022 年10 月，長(zhǎng)慶氣田智能陰極保護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)（見圖1）上線試運(yùn)行，各采氣單位已將549 套智能陰保測(cè)試樁有關(guān)數(shù)據(jù)接入平臺(tái)。目前管道保護(hù)電位正常的智能樁為314 個(gè)，整體正常率僅57%，異常智能樁235 個(gè)，其中欠保護(hù)220 個(gè)，過保護(hù)8個(gè)，掉線7 個(gè)，整體不合格率達(dá)到43%，欠保護(hù)率高達(dá)40%，見表1。目前報(bào)警頻繁，報(bào)警率超高，導(dǎo)致平臺(tái)整體使用率較低。

圖1 長(zhǎng)慶氣田管道智能陰極保護(hù)管理平臺(tái)

表1 長(zhǎng)慶氣田智能測(cè)試樁使用統(tǒng)計(jì)

2 智能樁報(bào)警率過高的影響因素

在使用中發(fā)現(xiàn)，智能測(cè)試樁不僅報(bào)警率過高，而且測(cè)得的自然電位普遍在-0.82～-0.75 V 之間，嚴(yán)重偏離實(shí)際自然電位，針對(duì)智能樁目前存在的問題，經(jīng)過初步調(diào)查和研究，對(duì)以下影響因素進(jìn)行了分析[1-6]。

2.1 通電電位控制法的影響

判斷管道陰極保護(hù)是否保護(hù)充分，依據(jù)的是管道的斷電電位。通常采用恒電位儀同步中斷法，其測(cè)量過程中，需要同時(shí)中斷與所測(cè)管道相關(guān)的所有有關(guān)電源。長(zhǎng)慶氣田管網(wǎng)縱橫，為節(jié)省投資和管理費(fèi)用，站外管道通過跨接方式形成區(qū)域陰保的模式，區(qū)域內(nèi)陰極保護(hù)的相互關(guān)聯(lián)性導(dǎo)致牽一發(fā)而動(dòng)全身，根本無法做到同步中斷所有恒電位儀，因此采用斷電電位控制成為不可能，實(shí)際管理中普遍采用通電電位-1.15～-0.85 V 控制法，除去IR（I 為電流、R 為電阻）降后，極大可能導(dǎo)致欠保護(hù)，造成智能樁報(bào)警[7]。

2.2 高含氧量和高土壤電阻率的影響

影響腐蝕有兩個(gè)重要因素，即土壤電阻率以及氧的擴(kuò)散和滲透。土壤電阻率是表征土壤導(dǎo)電性的指標(biāo)，常用作判斷土壤腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于長(zhǎng)慶氣田所轄的靖邊氣田及蘇里格氣田，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，靖邊氣田土壤電阻率多數(shù)集中在100～200 Ω，蘇里格氣田則集中在200～500 Ω。氧作為一種去極化劑，含氧量越高，管道表面越難以極化，極化電位越正。長(zhǎng)慶氣田所處區(qū)域大多為砂質(zhì)土壤，透氣性強(qiáng)，含氧量高，極化困難。同時(shí)，由于土質(zhì)疏松，管道與土壤的有效接觸面積變小，流入管道表面的電流減少，保護(hù)電流密度變大，恒電位儀輸出電流偏高，IR 降中的I 必然變大。因此長(zhǎng)慶氣田在I 和R 雙高的情況下，IR 降問題格外突出，比如蘇里格氣田桃2-4 站IR 降甚至高達(dá)0.5 V 左右。而長(zhǎng)慶氣田統(tǒng)一將最高保護(hù)電位控制在-1.15 V，除去如此高的IR 降后，OFF 斷電電位很難到達(dá)陰極保護(hù)判斷標(biāo)準(zhǔn)（-0.85 V），因此造成智能測(cè)試樁欠保護(hù)報(bào)警。

2.3 試片斷電電位讀取時(shí)刻的影響

獲得準(zhǔn)確的斷電電位，對(duì)于評(píng)價(jià)管道的陰極保護(hù)是否滿足規(guī)范要求至關(guān)重要。斷電電位的確定，與電位采集頻率、測(cè)試儀表、測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)等息息相關(guān)，對(duì)于一條達(dá)標(biāo)的陰極保護(hù)管道，采用不同的儀表或由不同人員進(jìn)行測(cè)量，甚至可以得出完全相反的結(jié)論。

GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中斷電電位定義為“為測(cè)試無IR 降電位，在回路電流中斷短時(shí)間延遲后瞬間所測(cè)的電位”。那么到底哪個(gè)瞬間才對(duì)應(yīng)真正的斷電電位，目前防腐界對(duì)斷電電位的定義、測(cè)量方法、讀取頻率并無統(tǒng)一的定義和方法。

NACE TM 0497：2022《埋地或水下金屬管道系統(tǒng)陰極保護(hù)準(zhǔn)則的測(cè)量技術(shù)》規(guī)定斷電電位測(cè)量時(shí)間以0.5～3 s 為宜。GB/T 21246—2020《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》規(guī)定“應(yīng)使用脈沖示波器或高速記錄儀進(jìn)行測(cè)量，核實(shí)影響大小和持續(xù)時(shí)間”“讀取平緩的斷電電位，同時(shí)應(yīng)避免過度去極化”。李自力[8]等認(rèn)為采用試片斷電法測(cè)量埋地管道的斷電電位時(shí)，斷電電位應(yīng)在50～100 ms之間讀取，國內(nèi)其他研究人員也建議將試片斷電后50 ms 或100 ms 作為斷電電位的讀取時(shí)刻。目前智能測(cè)試樁不確定是否采用高速數(shù)據(jù)記錄儀，也幾乎不會(huì)有人去核實(shí)影響大小和持續(xù)時(shí)間，其OFF 斷電電位的讀取時(shí)刻一般統(tǒng)一設(shè)置為300 ms，這極有可能過度去極化，造成智能樁讀取的OFF斷電電位比實(shí)際OFF 斷電電位偏正，從而造成智能樁因欠保護(hù)而報(bào)警。

2.4 測(cè)試試片的影響

智能樁采用裸露的鋼試片模擬管道防腐層破損點(diǎn)，通過測(cè)試樁引線與管道相連。其電位代表的是在相同土壤環(huán)境下，管道上與試片面積相同的防腐層破損點(diǎn)處的管道電位。如果試片的斷電電位能夠滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則要求，那么管道上小于試片面積的防腐層漏點(diǎn)也能得到有效保護(hù)[9]。但實(shí)際應(yīng)用中，智能樁試片斷電法的使用和極化電位的測(cè)試還存在很多不確定的影響因素，例如試片材質(zhì)、形狀、規(guī)格及埋設(shè)環(huán)境等[10]。

1）試片材質(zhì)的影響。電極電位是指金屬離子進(jìn)入電解質(zhì)溶液后，在金屬表面形成雙電層時(shí)的電極特性。電極電位和金屬的本性和介質(zhì)特性有關(guān)，每一種金屬都有自己的電極電位。長(zhǎng)慶氣田管道根據(jù)工藝需要，多選用L245N、L245NS、L360 等不同材質(zhì)的管道，而目前氣田安裝的智能測(cè)試樁，基本上統(tǒng)一選用了A3 材質(zhì)的試片，且打磨光滑，不管是材質(zhì)元素含量、金相組織還是表面粗糙度等，只與實(shí)際管道相近而不完全相同，必然造成電極電位產(chǎn)生一定差異，其具體影響程度還有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

2）試片面積的影響。試片面積將影響試片表面的電流密度。試片面積越大，表面電流密度越小，試片極化程度越低，極化電位越正。SY/T 0029—2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：“單個(gè)陰極保護(hù)電位檢查片裸露面積尺寸應(yīng)與調(diào)查區(qū)域中可能產(chǎn)生的防腐層最大缺陷接近，裸露面積宜為6.5～100 cm2，三層PE 防腐層管道宜取下限，對(duì)裸露和防腐層較差的管道宜取上限”。實(shí)際上，管道防腐層最大漏點(diǎn)的面積很難確定；而且采用大面積試片進(jìn)行評(píng)價(jià)也過于保守，經(jīng)濟(jì)上不可行。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，試片大小的選擇應(yīng)考慮管道防腐層實(shí)際漏點(diǎn)面積大小，選取試驗(yàn)段開展防腐層破損點(diǎn)面積評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)不同面積防腐層漏點(diǎn)所占比率，選擇占比最大的破損點(diǎn)面積作為適合管道測(cè)試試片的面積。針對(duì)環(huán)氧粉末和3LPE防腐管道，可以選擇不同面積的試片。

3）形狀對(duì)試片極化電位的影響。由于邊緣效應(yīng)，試片周圍的電流密度較中心位置更大，極化電位會(huì)更負(fù)。數(shù)據(jù)采集器和參比電極無法采集到試片各個(gè)點(diǎn)的電位，只能采集到整個(gè)試片的混合電位。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在相同環(huán)境條件下，30 cm2試片比6.5 cm2試片電極電位可以偏正0.2 V左右，因此試片的形狀和采集位置也可能造成測(cè)試電位的一定偏差。

4）埋設(shè)位置的影響。試片埋設(shè)深度不同造成土壤含氧量及土壤疏松程度差異而導(dǎo)致電極電位不同，埋深較深的試片較埋深較淺的試片的極化電位應(yīng)偏負(fù)，但差別不會(huì)太大；當(dāng)試片與管道或試片與試片之間距離過近時(shí)，因陽極和陰極電壓場(chǎng)的影響，也可能使測(cè)試數(shù)據(jù)偏正或偏負(fù)。

3 結(jié)束語

長(zhǎng)慶油田近年來逐步實(shí)施智能測(cè)試樁評(píng)價(jià)埋地管道陰極保護(hù)的有效性，目前在智能樁應(yīng)用中還存在一些問題，后期需結(jié)合氣田自然條件、工況，進(jìn)一步開展科學(xué)研究，以期使存在的問題得到根本解決。