「乾貨分享」幾種陰極保護參數測試方法探討

2021-01-21 海驕壓力管道專家

本文選自《理化檢驗—物理分冊》 Vol.55 2019.8。作者：王振嘉，高級工程師，中石油長慶油田 第一採氣廠。經微信公眾號腐蝕與防護（ID：）原發授權轉載，如需轉載請聯繫原發，侵權必刪！

前言

在埋地鋼質管道陰極保護系統運行維護及故障診斷過程中，需要對陰極保護系統的各種參數進行測試。 例如，通過絕緣性能測試，可以排查因絕緣接頭(法蘭)故障引起的陰極保護電位不合格問題；通過測試管內陰極保護電流大小，可以了解陰極保護系統中電流在各管道間的分配情況及管道的受保護情況等。以上兩項參數是需要經常測試的重要項目。

目前，國內對這些參數的測量，主要參照GB/T 21246-2007埋地鋼質管道陰極保護參數測試方法執行。但是，在現場測試工作中經常出現由於測試條件不足等原因，即使按照國標方法操作也很難得到準確數據的情況，顯示出GB/T 21246-2007中部分方法的局限性。

編者按：根據《TSGD7004-2010壓力管道定期檢驗規則—公用管道》的規定，燃氣管道定期檢驗需要對其陰極保護系統、管道電性能進行測試。《TSGD7004-2010壓力管道定期檢驗規則—公用管道》中附件A、附件B規定，如下：

A4 電性能測試(適用於有陰極保護的鋼質管道)

(1) 測試絕緣法蘭、絕緣接頭、絕緣短管、絕緣套、絕緣固定支墩和絕緣墊塊等電絕緣裝置的絕緣性能；

(2) 對採用法蘭和螺紋等非焊接件連接的閥門等管道附件的跨接電纜或者其他電連接設施，測試其電連續性。

A5 陰極保護系統測試 (適用於有陰極保護的鋼質管道)

(1) 管道沿線保護電位，測量時應考慮IR(注A-2)降的影響；

(2) 犧牲陽極輸出電流、開路電位(當管道保護電位異常時測試)；

(3) 管內電流(當管道保護電位異常時測試）；

(4) 輔助陽極床和犧牲陽極接地電阻(犧牲陽極接地電阻應當在管道保護電位異常時測試)；

(5) 陰極保護系統運行狀況，檢查管道陰極保護率和運行率、排流效果，陰極保護系統設備及其排流設施。

B1.2.3 管道陰極保護有效性檢測

對採用外加電流陰極保護或者可斷電的犧牲陽極陰極保護的管道，應當採用相應檢測技術測試管道的真實陰極保護極化電位；對陰極保護效果較差的管道，應當採用密間隔電位測試技術。

本文主要介紹了通過電性能測試反應陰極保護效果。就讓我們一起就上述問題進行分析討論吧！

絕緣接頭(法蘭)絕緣性能測試方法探討

1、測試方法介紹

GB/T 21246-2007共推薦了4種測量在役絕緣接頭(法蘭)絕緣性能的方法，分別為電位法、漏電電阻法、埋地管道防腐層檢測儀(PCM)漏電率法和接地電阻測量儀法。

圖1 電位法的基本原理及接線示意圖

如圖1所示，先測試通電前非保護側的管地電位Va1，再測試通電後非保護側和保護側的管地電位Va2，V。若Va1和Va2基本相等，則認為絕緣接頭(法蘭)的絕緣性能良好；若|Va2|＞|Va1|且Va2接近Vb值，則認為絕緣接頭(法蘭)的絕緣性能可疑。若輔助陽極距絕緣接頭(法蘭)足夠遠，且判明與非保護側相連的管道沒同保護側的管道接近或交叉，則可判定為絕緣接頭(法蘭)的絕緣性能很差(嚴重漏電或短路)；否則應用其他方法進一步測量。

圖2 漏電電阻法的基本原理及接線示意圖

如圖2所示，測試絕緣接頭(法蘭)兩側電位差ΔV、輸出電流I及管內陰極保護電流I1，利用如下公式可分別計算漏電電阻RH和漏電率η

若RH＜10MΩ，η＞15％，表明絕緣性能差，會明顯影響陰極保護效果。

圖3 PCM漏電率法的基本原理及接線示意圖

如圖3所示，測試絕緣接頭(法蘭)兩側的信號電流(I1和I2)，並按下式計算漏電率

若η＞15％，表明絕緣性能差，會明顯影響陰極保護效果。

圖4 接地電阻測量儀法的基本原理及接線示意圖

如圖4所示，測試絕緣接頭(法蘭)兩側的接地電阻(Ra和Rb)及迴路總電阻(Rr)，並按下式計算

若R＜10MΩ，表明絕緣性能差，會明顯影響陰極保護效果。

2、測試結果

採用4種方法對靖邊5條集輸管道上的絕緣法蘭進行現場測試。結果如表1~4所示。

表1 絕緣性能現場測量數據(電位法)

表2 絕緣性能現場測量數據(漏電電阻法)

表3 絕緣性能現場測量數據(PCM漏電率法)

表4 絕緣性能現場測量數據(接地電阻測量儀法)

結合現場其他測試數據發現，這5個絕緣法蘭的絕緣性能均良好。由此可見，電位法最為準確，PCM漏電率法次之，另外兩種方法均不準確。

3、誤差分析及改進措施

(1) 電位法

誤差分析：經分析發現，該項目中未設置絕緣法蘭測試樁，在測試時萬用表壓接到管道上，容易產生測量誤差。這是該方法的主要誤差來源。

改進方法：對同一地區而言，管道的自然腐蝕電位比較接近。因此可以省去通電前非保護端管地電位的測量，只測量通電後絕緣接頭(法蘭)兩側的管地電位。部分檢測工程的現場測試結果也證明該方法更加簡便、實用。此外，也有資料提出採用通斷電電位法來避免陽極床地電場、區域陰極保護及絕緣法蘭兩側管道的幹擾，測試更為準確。

(2) 漏電電阻法

誤差分析：根據現場測試發現，I在1.5~3.6A，ΔV在0.3~0.93V。按照漏電電阻不低於10MΩ的要求，根據式(1)反推出(I-I1)的值在1×10-7~1×10-8A。現場陰極保護機櫃電流表(測試I值)的精度僅為0.1A，因此陰極保護機櫃電流表精度不足是該方法的主要誤差來源。

改進方法：通過提高陰保機櫃電流表的測量精度可以減少誤差。此外，也有資料提出採用電流環來測量管內電流，可以提高電流測量精度。

(3) PCM漏電率法

誤差分析：該項目中非保護端管道(站內管道)存在管道露空、分叉與接地極相連等情況，使用PCM測試管內電流難以準確測量，這是該方法的主要誤差來源。

改進方法：將PCM發射機接在距絕緣接頭(法蘭)有較長距離的站外管道測試樁上，分別測試接入點兩側管道上的信號電流，並以此計算漏電率。採用該方法可在一定程度上避免在站內測試造成的誤差。

(4) 接地電阻測量儀法

誤差分析：根據現場測試數據，(Ra＋Rb)在1.8~763Ω。按照絕緣電阻不低於10MΩ的要求，根據式(4)反推出Rr-(Ra＋Rb)的值在1×10-3~1×10-9Ω。ZC-8接地電阻測量儀的測試精度僅為0.01Ω，因此接地電阻測量儀精度不足是該方法的主要誤差來源。

改進方法：可以通過提高接地電阻測量儀的測量精度來降低該測試方法的誤差。

管內電流測試方法探討

1、測試方法介紹

在GB/T 21246-2007中共推薦了兩種管內電流測量方法，分別為電壓降法和標定法。

如圖5所示，測試a，b間的管長Lab及電壓降Vab，在已知管徑D、壁厚δ及管材電阻率ρ的情況下，用歐姆定律可計算管內電流I

圖5 電壓降法的基本原理及接線示意圖

如圖6所示，分別測試外接迴路電流為0(斷路)、I1和I2時c，d間的電壓降V0，V1，V2，用歐姆定律計算管內電流I

圖6 標定法的基本原理及接線示意圖

2、測試結果

該項目中的管道只設置了電位測試樁，而未設置電流測試樁，因此只採用電壓降法對靖邊4條集輸管道進行現場測試研究。現場測試數據如表5所示。

經過與現場陰保機柜上的電流測試數據對比發現，兩者較為接近。因此該方法測試結果較為準確。

表5 管內電流現場測量數據(電壓降法)

3、誤差分析及改進措施

(1) 電壓降法

誤差分析：分析發現，因埋地管道存在起伏、轉向等情況，在地面測量其長度難以達到精確。這是該方法的主要誤差來源。

改進方法：用PCM準確定位管道的走向，減少測量誤差，也可以從竣工圖資料中獲得管道的準確長度，提高測量精度。

(2) 標定法

誤差分析：研究顯示，當被測管道直徑較大(線電阻率變小)或管道防腐層較新(需要的陰保電流較小)時，在被測管道上的電位差就有可能小於50μV，從而超出該方法所用儀器的測量精度，導致測量誤差。

改進方法：可以通過提高儀器的測量精度來降低測量誤差。此外，也有文獻提出採用測試精度更高的電流環來測試管內電流。

結論

電位法和PCM漏電率法適用於在役絕緣接頭(法蘭)的絕緣性能測試，兩者結合使用可以提高測量的準確性。因儀器測量精度不夠，漏電電阻法和接地電阻測量儀法不適用於絕緣接頭(法蘭)的絕緣性能測試。電壓降法和標定法適用於管內陰保電流的測量。

通過上述分析討論可知，GB/T 21246-2007中推薦的測試方法存在一定的局限性。因此除了儘量完善測試樁等陰保測試輔助設施外，研究這些測試方法的改進措施或替代技術也是十分必要的。

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