导读
埋地钢质管道的防腐层电阻率是评价防腐层绝缘性能的重要指标，也是管道阴极保护设计的重要参数。今天就让我们通过刘国博士的一篇文章，走近防腐层电阻率（电导率）。感谢您的阅读！
1.防腐层电阻率（电导率）的定义及测试方法
埋地钢质管道的防腐层电阻率是评价防腐层绝缘性能的重要指标，也是管道阴极保护设计的重要参数。管道防腐层绝缘性能涉及到防腐层本身的电阻以及管道对远地的电阻这两个概念。防腐层本身的电阻，即防腐层内外侧之间的电阻，取决于防腐材料的体积电阻率（ ρc,Ω·m）、防腐层的厚度（t, mm）以及防腐层的表面积（A, m2），可用以下公式计算：Rc=ρc*t/A。而管道对远地的电阻是指电流在管道与远地之间流动时遇到的阻力。
在国内外的诸多标准中，表征防腐层绝缘性能的参数是一致的，即防腐层电阻率（Ω·m2）或防腐层电导率（S/m2），这两者互为倒数关系。但是在各标准中，上述参数的命名是有区别的，比如：
在GB 50424-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》[1]中使用防腐层电导率（S/m2）或防腐层绝缘电阻（Ω·m2）表征防腐层的绝缘性能；
在SY/T 0036-2000[2]中的相关术语是覆盖层电阻（Ω·m2）；
在GB/T 21246-2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》[3]中使用的术语是“防腐层电阻率”，具体定义为：防腐层电阻和防腐层表面积的乘积；
在NACE TM0102-2002[4]中使用特定防腐层电导（Specific Coating Conductance，S/m2）评价防腐层对地绝缘性能，它等于埋地管段的对地电导除以该段管道的表面积；
在ISO 15589-1-2015[5]中使用的术语是防腐层平均电阻（average coating resistance，Ω·m2）
在下文中为方便讨论，暂用防腐层电阻率（Ω·m2）或防腐层电导率（S/m2）来进行防腐层绝缘性能测试的讨论。
多个标准中都推荐使用电流电位法测试外防腐层电阻率或电导率[6]，以对防腐层的绝缘性能进行评价（见图1）。在测试中向管道施加直流信号，测量由所施加电流（ΔI）引起的平均电位变化（即IR降或电位迁移ΔV），然后计算管道对地平均电阻（ΔV/ΔI）或平均电导（ΔI/ΔV），管道对地平均电阻乘以管道表面积即为防腐层电阻率，管道对地平均电导除以管道表面积即为防腐层电导率。
电流电位法在国内外管道业界广泛用于新建管道防腐层质量的评价，也用于埋地管道防腐层性能的长期跟踪监测。
在国内外标准中，防腐层电阻（率）的内涵是不同的。在GB/T 21246-2007[3]中规定的防腐层电阻是指涂敷有防腐层的金属构筑物和电解质（土壤）之间的电阻。该定义中没有明确防腐层电阻是构筑物至防腐层外的远地之间的电阻，还是构筑物与防腐层外表面电解质（近地）之间的电阻。如果将它理解为构筑物至防腐层外表面电解质之间的电阻，即防腐层内外两侧之间的电阻（图2中Rc），则不含防腐层外表面至远地之间的电阻。ISO 15589-1-2015[5]提出防腐层电阻是构筑物与远地之间的电阻（图2中Rc+Re）。而NACE TM0102-2002[4]提出：（电流电位法测试中）参比电极与管道的距离至少应为1倍管径。如果在土壤中流向其他结构物的直流电流不影响电位测量，则参比电极可以放置在被测管道的远地位置。
图2 管道至远地电阻组成部分示意图
本文分析了防腐层电阻率（电导率）的测试原理，对防腐层电阻率（电导率）的本质进行了探讨，并对影响防腐层电阻率的参数进行了讨论。
2. 防腐层电阻率（电导率）的实质
2.1 多孔渗透性防腐层
管道业界早期使用的有机防腐层（石油沥青、煤焦油瓷漆以及环氧煤沥青等）大多属于吸水率高的多孔渗透性防腐层，在服役较长的年限后发生老化，出现微孔通路（针孔），在通路中填充了电解质。对于多孔渗透性防腐层，管道的对远地电阻是经过防腐层微孔通路至远地的电阻与防腐层破损点处裸露金属对远地电阻的并联值。
图3 防腐层上的微孔示意图
如图3所示，假定某多孔渗透性防腐层的厚度为t，电解质电阻率为ρs，防腐层上的微孔为圆柱形，直径φ。管道经过该微孔至远地的电阻R由两部分组成，一部分是微孔内电解质路径电阻（下式中第一部分），另一部分是微孔外表面对远地的电阻（下式中第二部分）。计算方法如下：
假定防腐层厚度4mm，微孔直径为0.01mm，则上式中第一部分与第二部分的数值比为1019:1，即微孔内的电解质路径电阻远大于微孔外表面对远地电阻。
又假定一定长度的上述管道防腐层上尺寸如上的微孔数量为N，且管道上有一个直径为28.77mm的圆形防腐层破损点（面积为6.5cm2）。则所有微孔路径的并联电阻与破损点对远地电阻的比值关系如下图所示。当防腐层中微孔通路数量远大于防腐层破损点数量时，微孔路径的并联总电阻远小于破损点对远地电阻。
图4 微孔路径的并联总电阻与破损点对远地电阻的比值关系
由以上讨论可知，当多孔渗透性防腐层中微孔通路数量远大于防腐层破损点数量时（这种情况对于老化的有机防腐层是常见的），管道对远地电阻近似等于微孔路径的并联总电阻；且经过微孔通路至远地的电阻的绝大部分位于防腐层两侧之间。
电流电位法利用欧姆定律计算防腐层电阻（ΔV/ΔI）或电导（ΔI/ΔV）。ΔV是由测试电流ΔI所引起的管道至远地间的电压降。对于多孔渗透性防腐层管道，当参比电极附近没有较大的防腐层破损点时，管道至远地的电压降主要由防腐层两侧的电压降构成。防腐层电阻测量结果反映的主要是防腐层两侧之间的电阻。防腐层的绝缘性能取决于土壤电阻率以及微孔的数量和尺寸。
以上针对多孔渗透性防腐层的防腐层电阻率概念，在管道阴极保护的数值模拟计算、阴极保护电位和电流的衰减计算以及阴极保护电流需求的计算等方面，都有广泛的应用。比如在北美管道界阴极保护发展的早期，曾在实践中总结出300mV电位迁移（Voltage Shift）准则[7]，即在通电的瞬间管地电位变化量达到300mV就认为管道会得到有效保护。这里的300mV是指位于远地的参比电极与管道之间的IR降，不涉及管道的极化。基于该准则可对管道的阴极保护电流密度（icp）进行设计计算：
在上述公式中，r'c即为防腐层电阻率。
2.2 非多孔渗透性防腐层
对于绝缘性能优异、渗透性很低的防腐层管道，不能采用上述方式阐释防腐层电阻率。
当较短的非多孔渗透性防腐层管道的表面有多个破损点时，管道对远地的总电阻等于管道经防腐层至远地电阻与所有破损点对远地电阻的并联值。由于防腐层材料本身的电阻率很高，所以在计算管道对远地总电阻时通常可以忽略防腐层路径的电阻。单个破损点的对地电阻可以用下式计算：
从上式可以看到，“防腐层电阻率”取决于土壤电阻率和单位面积上的破损点直径和。此时“防腐层电阻率”所表征的是防腐层破损点的数量和尺寸情况，与防腐层本体的电阻没有关系，防腐层的破损点数量越多、尺寸越大，“防腐层电阻率”越低。从以上讨论来看，“防腐层破损点对地电阻率”是比“防腐层电阻率”更恰当的术语。
对于非多孔渗透性防腐层管道，防腐层破损点的对地电阻远低于防腐层本体电阻；而对于多孔渗透性防腐层管道，情况是相反的。以下举例说明：假定管道长度L=1000m，管径D=660mm，防腐层厚度t=4mm，土壤电阻率ρs=100Ω·m，管道上有一个直径d=28.77mm的圆形破损点（面积为6.5cm2），防腐层材料的体积电阻率ρc。则经防腐层至远地的电阻与破损点对远地电阻的比值近似为：
非多孔渗透性防腐层（如聚乙烯）的ρc都非常高，比如选值为2.6*1010Ω·m，则以上公式计算的比值为27.76，即防腐层路径电阻大于破损点对地电阻。多孔渗透性防腐层的ρc取值较小，比如取2.5*108Ω·m，以上比值计算结果为0.2776。基于以上前提，对于非多孔渗透性防腐层，大部分阴极保护电流通过防腐层破损点导通；而对于多孔渗透性防腐层，阴极保护系统的电流会有很大部分通过防腐层导通。
3. 防腐层电阻率测试的一些影响因素
3.1 衰减效应
对于很长的管道，防腐层上的破损点总数量逐步累积增加时，根据公式（5）防腐层电阻率会逐步降低直至接近于零。这个结论显然是不正确的。公式（5）仅针对较短或衰减效应较小的管道，在它的推导过程中忽略了管道的衰减效应。
利用电流电位法测量较长管道的防腐层绝缘性能时须考虑沿管道的衰减效应。电流电位法利用通电电位与断电电位之差所确定的管道表面至远地之间的IR降，即由外部直流电流引起的电位迁移ΔV（Potential Shift），来计算管道对远地的电阻。理论上来说，管道上所有的破损点都对该电位迁移ΔV值有影响，但破损点距离参比电极越远，它对电位迁移ΔV的影响就越小。图5展示了电位迁移ΔV测试的原理。在图5中，参比电极放置在远地测量管道的通电电位和断电电位。在馈入测试电流恒定的情况下，管道的长度越长（破损点越多），通过参比电极测算出来的电位迁移ΔV越小，但是当管道长度达到临界值后，继续增加管道长度对电位迁移ΔV不再有影响。
图5 电位迁移的示意图
以上所描述的衰减效应可以借助传输线衰减公式进行计算研究。假定钢质管道外径660mm，壁厚7.1mm，钢材电阻率18μΩ·cm，土壤电阻率50 Ω·m。将参比电极固定在管道左侧起始端测算电位迁移ΔV（见图5）。根据以下设定的不同工况，计算防腐层破损面积大小对所测算电位迁移ΔV的影响：
管道沿线均布防腐层破损点，每1km有一个面积为100cm2的防腐层破损点
管道沿线均布防腐层破损点，每1km有一个面积为5000cm2的防腐层破损点
图6展示的是通过计算确定的防腐层破损面积对电位迁移ΔV的影响。图中横坐标是管道的长度，考察的起始长度为10km；纵坐标是不同破损情况下参比电极测算电位迁移ΔV与管道长度只有10km时的电位迁移ΔV的比值。由图中曲线可以看到，当管道的长度达到某临界长度后，再增加管道的长度，电位迁移ΔV几乎不再发生变化；且防腐层的绝缘性能越差，该临界长度越短。这意味着参比电极测算电位迁移ΔV的采样范围是有限度的。对于涂敷良好的管道，该采样范围可能达到上百公里。
图6防腐层破损点尺寸对测量IR降的影响
管道防腐层绝缘性能越差，破损点越多，则电流、电位的衰减越严重，衰减系数越大。这也是图6中防腐层破损严重情况下参比电极测算电位迁移的采样范围较短的原因。同样的，土壤电阻率对上述采样范围也有重要影响，土壤电阻率越低，管道的衰减系数越大，采样范围越短。
考虑了衰减效应的电流电位法可以对较长的管段的防腐层绝缘情况进行定性评估。如图7所示，在阳极地床的位置，管道的电位迁移ΔV是最大的。自阳极地床位置往管道的远端方向，电位迁移逐渐变小。在阳极地床对应的管道位置测量电位迁移（单点测量法），计算得到的防腐层电阻率是很长范围内管道防腐层绝缘性能的整体反映。
图7 管道沿线电位迁移的衰减
对较长的、衰减明显的管道的某一管段的防腐层进行评价时，应使用两点或多点测算电位迁移，此时应使用多点的数据绘制电位迁移曲线，然后用积分的方法计算防腐层电阻率；也可以假定两点之间的电位迁移衰减曲线为线性，用两点的平均电位迁移来计算防腐层电阻率。
图8所示即为使用两点法进行防腐层电阻率测算的原理图，在①和②位置分别测量管中电流、电位迁移，然后对两处的电位迁移求平均值，进而可以得到管道相对于远地的防腐层平均电阻率。为便于对敷设于不同电阻率环境中的管道防腐层的绝缘性能进行比较，可利用防腐层电阻率与土壤电阻率呈正比的特性，将测量得到防腐层电阻率进行归一化处理，即转化为土壤电阻率为1000Ω·cm时的防腐层电阻率。
图8 管段防腐层电阻率测算（两点法）的原理图
在NACE TM0102-2002中还提供了采用电位或电流衰减计算防腐层电导率的方法。电位衰减和电流衰减计算管道的衰减系数公式如下：
其中，L是测点a与b之间的距离（m）；是所测管段的衰减系数。和是测点的电位迁移（V）和管中电流（A）。
所测管段的防腐层电导：
其中，r是单位长度管道的纵向电阻（Ω）；是所测管段的防腐层电导（S）。
得到防腐层电导后，就可以计算该段管道的防腐层电导率。
图9所示为某长输管道受特高压直流输电工程（HVDC）单极大地回线运行干扰时的通电电位分布情况。HVDC接地极距离管道里程60km处的测试桩最近，当接地极阳极性放电1200A时，接近接地极的管段受阳极干扰，管道通电电位负向偏移；而远端管道排放直流干扰电流，电位正向偏移。管道上电位为-0.6Vcse左右的位置即为阳极干扰和阴极干扰的分界点。在本案例中受阳极干扰的管段长度为97.4km，即两个分界点之间的管道长度为97.4km。利用事先安装在两个分界点附近的霍尔效应电流环测算得到分界点之间管段吸收的直流干扰电流为43A。在管道吸收电流的管段，由于管道沿线的大部分测试点的通电电位中的IR降（电位迁移ΔV）都远远大于极化电位绝对值，所以可认为通电电位近似等于电位迁移。使用数学工具对管道受干扰状态时沿线的IR降进行曲线拟合和积分计算，得到该段97.4km的管道的3LPE防腐层电阻率为2.46×105 Ω·m2。
该防腐层电阻率数值的测算案例，可能是至目前为止“测试”管段长、“测试”电流最大的一组现场数据。该测试结果受沿线土壤电阻率、参比电极放置位置等因素的影响，仅可作为定性的参考值。
图9 HVDC单极大地回线方式运行对管道沿线通电电位的影响
3.2 土壤电阻率的影响
由上文中的讨论可知，无论是多孔渗透性防腐层还是非多孔渗透性防腐层，其防腐层电阻率都受土壤电阻率的直接影响。当管道埋设环境土质均匀时，使用均一的土壤电阻来计算防腐层电阻率是可行的。但对于定向钻穿越管道，管道的埋深较深、可能穿越电阻率迥异的地层（如，粘土、砂土、卵石或岩石层等），此外定向钻孔中的管道被电阻率很低的泥浆包覆，如果使用在地表测量得到平均土壤电阻率来计算定向钻管道的防腐层电阻率，将带来不可预测的误差。
3.3 参比电极位置的影响
在国内的几个标准中的电流电位法中，均没有明确测试中参比电极的放置位置是远地还是近地；在ISO 15589-1-2015中使用的是远地参比电极方法。
无论在阴极保护的数值模拟计算、阴极保护电位和电流的衰减计算，还是阴极保护电流需求的计算时，都需要使用管道相对于远地的电阻（率）。因此在使用电流电位法测算防腐层电阻率时，应将参比放置在远地的位置。
在现场实践中，如果参比电极未放置在远地，那么通过参比电极测算得到的电位迁移（IR降）就会偏小，进而会得到较实际值偏小的防腐层电阻率。在对定向钻管道开展电流电位法测试时，还应注意参比电极要远离入土和出土段管道上的破损点，以避免测量数据受到影响。
3.4 管道极化时间和程度的影响
现有的研究表明，管道防腐层破损点在发生阴极反应时，金属与电解质界面会呈现碱性，在土壤中特定离子的影响下，破损点周边电解质的局部电阻率可能出现显著下降或上升。这意味着在开展电流电位法测试时，如果管道的通电时间过长或电流过大，可能造成防腐层破损点周边的电阻率发生变化，进而令测算得到的防腐层电阻率出现误差。
下图所示是阴极极化对试片接地电阻的影响。在考察极化对试片接地电阻的影响时，首先使用三极法测试与管道未电连接的试片的接地电阻，然后将试片连接至管道，令其发生阴极极化，在极化一段时间后再次测试其接地电阻。在图10所示6个测试地点的数据中，有5处的接地电阻在极化后出现明显的下降。这是阴极极化令试片周边局部土壤电阻率下降导致的。
图10 阴极极化对试片（1cm2）接地电阻的影响
此外施加临时直流电流对一段管道进行电流电位法测试时，随着通电时间延长，防腐层破损点的极化增大，即便局部土壤电阻率没有发生变化，破损点对远地IR降也往往会逐步下降。这样测算得到的防腐层电阻率也会逐步降低。
基于电流电位法的测试原理，应使用在通电的瞬间测量得到电位迁移（IR降）来计算防腐层电阻率，此时测试电流的大小对测试结果不会有影响。但是这种测量方式只能得到没有阴极保护或阴极保护电流密度很低情况下的防腐层电阻率。长期受到良好阴极保护的管道，在阴极电流的影响下其防腐层电阻率可能与阴极保护投运初期时的数值有明显不同。
4.讨论与结论
多孔渗透性防腐层和非多孔渗透性防腐层的“防腐层电阻率”的实质是完全不同的。对于多孔渗透性防腐层，防腐层电阻率表征的主要是防腐层两侧之间的电阻与防腐层面积的乘积；而对于非多孔渗透性防腐层，防腐层电阻率表征的是管道防腐层破损点的并联对地电阻与防腐层面积的乘积。
对于非多孔渗透性防腐层， “防腐层电阻率”表征的是防腐层上破损点的数量与尺寸的大小等因素。不过这并不妨碍使用“防腐层电阻率”这个参数来评价管道防腐层的性能，防腐层上破损点的多少及尺寸的大小，也可以反映管道的防腐层的绝缘有效性。优异的防腐层（如3LPE）上的破损点较少、面积也较小，它的破损点混合并联电阻值较大，计算得到的防腐层电阻率也较大。
环境介质电阻率对电流电位法测算得到的管道防腐层电阻率有直接的影响。鉴于管道可能穿越不同土质的地层、阴极极化可能令破损点周边局部电阻率发生变化、定向钻穿越管道往往被电阻率很低的泥浆包覆，使用电流电位法测算得到的防腐层电阻率仅可以作为一个定性指标，无法定量的评价防腐层的绝缘性能。
进行电流电位法测试时，通电测试的时长对测试结果也存在影响。随着通电时间延长，破损点处管道的极化增大，破损点对远地IR降会逐步下降。这样测算得到的防腐层电阻率也会逐步降低。
在进行电流电位法测试时，应将参比电极放置在管道的远地位置，且要避免近邻破损点对测量结果造成影响；对于较长的、衰减效应明显的管道，在测试时需要考虑管道的衰减效应。
防腐层电阻率参数在当前管道界有广泛的应用，虽然该方法存在缺陷，测量结果有很大的不确定性，但就目前技术的现状来看，尚没有更好的方法可以替代它。业界需要开展更多的工作，深入研究土壤电阻率、极化等因素对防腐层电阻率测试的影响，进一步优化该测试方法。
参考文献
[1] GB 50424-2015. 油气输送管道穿越工程施工规范[S].
[2] SY/T 0036-2000. 埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范[S].
[3] GB/T 21246-2007. 埋地钢质管道阴极保护参数测量方法[S].
[4] NACE TM0102-2002. Measurement of protective coating electrical conductance on underground pipelines[S].
[5] ISO 15589-1-2015. Petroleum, petrochemical and natural gas industries — Cathodic protection of pipeline systems —Part 1: On-land pipelines[S].
[6] DOU Hongqiang, MA Xiaocheng, GUO Juanli, DING Jie. Research Status of Evaluating Method for Anti-Corrosion Coating Quality of Horizontal Directional Drilling Through Pipeline[J]. Corrosion & Protection, 2020, 41（8）： 56
[7] NACE RP0169-69. Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems[S].
作者简介
刘国博士
北京凯斯托普科技有限公司
法国里尔科技大学工学博士
NACE国际认证阴极保护专家（CP4）
NACE国际阴极保护课程讲师
NACE国际亚太区技术协调联络员