1 概述
对阴极保护有效性的评价，主要有断电电位（极化电位）负于-850 mV、-100 mV极化两个判据。满足两个判据中的任何一个，管道的阴极保护即为达标［1］。无论使用哪个判据，都需要对管道的电位进行正确测量，否则会造成误判。土壤的电位梯度、杂散电流等，会对电位测量结果产生很大影响。试片法能够有效降低外界环境对电位测量的影响，是目前最直接有效的方式。近几年来，新建的燃气管道一般都会在测试桩的下方埋设试片，在测量试片电位的同时，还能够监测管道的腐蚀状况。
2 电位测量技术原理
电位测量时，万用表的负极与参比电极（一般为铜/饱和硫酸铜参比电极，CSE）相连，正极与管道相连，参比电极与土壤充分接触，此时万用表的读数为管道的电位。该电位表示的是参比电极附近埋地管道防腐层破损点的综合电位，并不代表管道的整体电位，在管道不同的位置，测得的结果不同。
管道施加阴极保护后，阴极保护电位测量见图1。电位测量回路中，除防腐层破损点的电位V外，还包含阴极保护电流在土壤中产生的电压降Vdrop，计算式为：
图1 阴极保护电位测量
参比电极与管道的距离、阴极保护电流大小、土壤电阻率、防腐层破损点面积等直接影响IR。
为了得到管道的真实电位，由式（2）可知，需要降低IR。最常用的方法为断电测量法。通过断开阴极保护的输出电流，使IR（I=0）变为零，断开瞬间的电位Voff（一般称为断电电位）与管道的真实电位V是相等的。
在很多情况下，管道不具备断开阴极保护电流的条件，不能使用断电测量法。为此，可以在管道上连接一个试片，用试片来模拟管道上防腐层的破损点，用试片的断电电位代表管道的断电电位。试片法测量时，通过断开试片与管道的连接，断电的瞬间读取试片的电位，该电位为试片的断电电位，该电位即为管道的断电电位。
3 试片法的应用
①牺牲阳极保护方式的电位测量
a.试片法提出背景
在城镇燃气中，管道分支、管道规格较多，不能形成良好的电连续性，所以多采用牺牲阳极阴极保护方式，为了使管道表面的阴极保护电流分布均匀，会安装多组牺牲阳极。测量断电电位时，所有牺牲阳极无法进行同步通断，断开一组阳极的连接，其他未断开的牺牲阳极仍会在土壤中形成IR降，无法获得管道的断电电位。虽然可以使用GPS同步通断器对多组牺牲阳极进行同时通断，但通断器一般采用晶体闸，断开时的电阻不是无穷大，如果管道防腐层的质量较好，管道的接地电阻与晶体闸的电阻接近，同步断开时，仍会有阴极保护电流通过，不能实现断电测量。目前，城镇燃气管道的阴极保护电位测量，很多业主、检测单位都直接采用通电电位，存在很大的不合理性。
b.试片法测断电电位方法
试片法可以解决以上不能有效通断的问题。试片法测断电电位方法见图2。在管道上方埋入试片，试片的埋深尽量接近管道的埋深。在测试桩里引出管道连接线，通过开关与试片连接，试片连接线与万用表正极相连，万用表负极与参比电极相连。接通开关，阴极保护电流使试片发生阴极极化，试片的电位开始负向偏移，极化15~30 min后，关闭开关的瞬间，万用表的读数为试片的断电电位。
图2 试片法测断电电位方法
c.天津某管道的电位测量
管道采用牺牲阳极保护，管道规格DN 200 mm，管道防腐层的类型为3PE，管道材质Q235，牺牲阳极直接焊接在管道上，管道每1 km安装测试桩，测试桩中只有管道连接线。天津某管道的电位测量结果见表1（表中参比电极为CSE）。
表1 管道电位测量结果
从表1可以看出，A3测点、B3测点，虽然管道的通电电位比-850 mV更负，但断电电位不达标，两个测点所在的管段处于欠保护的状态，管道面临腐蚀风险。
d.采用试片法测量的必要性
由阴极保护电流产生的IR降，通电电位一般都会偏负；如果管道受到直流杂散电流干扰，杂散电流的方向由管道进入土壤，此时杂散电流产生的IR降会使通电电位偏正。实际上，通电电位的结果中包含了复杂的IR降，目前对IR降的测算、研究还处于起步阶段，所以在不能提前已知IR降的情况下，采用通电电位是不合理的。
牺牲阳极的电压场也会对测量结果产生一定的影响。在测试桩下方，会有牺牲阳极与管道相连，在测量电位时，如果不关注牺牲阳极的具体位置，很容易把参比电极放在牺牲阳极的电压场范围内，造成通电电位异常偏负，而试片法基本不受牺牲阳极电压场的影响。
②杂散电流干扰时的电位测量
交直流输送线路、城市轨道交通、高速铁路是油气管道的主要杂散电流干扰源。管道受到杂散电流干扰后，易造成管道电位异常、恒电位仪输出异常等问题，使阴极保护系统不能有效地为管道提供保护。
a.管道电位异常
管道电位测量时，管道与参比电极之间相当于一个电容和一个电阻组成的串联电路，通过测量串联电路两端的电压，就可获得管道的电位。当管道受到杂散电流干扰后，杂散电流会在电容上形成充放电过程，同时会在电阻上形成电压降，导致电位出现上下波动，波动的大小与杂散电流的强度相关。
试片的面积一般较小，杂散电流对试片电位的影响要小于对管道的影响。由杂散电流引起的IR降绝大多数集中在土壤的水平方向上，在测量过程中，参比电极与试片的相对位置容易调整，当参比电极放在试片的正上方时，土壤中水平方向的杂散电流对试片电位测量的影响很小，在垂直方向上不会有IR降的存在。所以在管道受到干扰时，试片法能够极大地降低杂散电流的影响。试片的通电电位由于与管道直接相连，电位也会出现明显波动，但试片与管道断开后，试片不再受管道中流动的杂散电流影响。
b.恒电位仪输出异常
采用强制电流阴极保护时，恒电位仪的电位采集直接影响着管道的阴极保护效果。电位的采集，是恒电位仪控制输出的基本前提，如果电位的采集出现问题，管道的阴极保护效果会受到影响。恒电位仪在安装时，一般会管道上方埋设参比电极，参比电极用来采集管道的电位，通过电位信号的反馈控制阴极保护电流的输出。就目前国内的恒电位安装情况来看，电位的采集主要是采集管道的通电电位。
管道受到杂散电流干扰后，管道的电位会发生明显波动，恒电位仪采集的电位会偏离管道的真实电位，导致恒电位仪的输出异常。如果参比电极的位置是杂散电流的流入点，采集的电位会明显偏负，甚至能达到-1 200 mV以下。对于恒电位仪来说，采集的电位满足判据时，恒电位仪将处于关机或无输出的状态，而此时管道上并没有阴极保护，管道处于腐蚀风险之中，如果杂散电流较强，管道很容易发生腐蚀穿孔。
在管道电位出现明显波动时，恒电位仪可以采集试片的电位。试片的抗干扰能力较强，恒电位仪通过采集试片的电位，能够有效降低杂散电流对采集信号的影响，保证恒电位仪的正确输出。
4 试片法的影响因素分析
①土壤含氧量的影响
对于新建工程，试片会与牺牲阳极一起埋设，试片所处的土壤环境与管道保持一致，在阴极保护投产后，试片的极化状况与管道基本相同。但对老旧燃气管道，试片没有与牺牲阳极同时安装，测试桩内没有试片引线。此时需要将试片埋入土壤中进行测量。
试片的极化曲线测量结果见图3（所用参比电极为CSE）。由极化曲线可知，试片在土壤的阴极反应过程为氧的扩散控制，氧的含量和扩散情况，直接影响试片的断电电位。试片表面电化学反应过程中，氧的还原过程需要环境（土壤）中的氧通过扩散进入到反应表面，在所有反应步骤中，氧的扩散速度最慢，就整个反应过程而言，氧的扩散速度决定了腐蚀速率。当阴极保护电流到达试片表面后，氧的还原过程需要的时间较长，不能迅速消耗阴极保护电流，导致电位快速变负。从极化曲线来看，只需要很小的阴极保护电流，试片的电位就能出现显着的负向偏移。试片周围的氧浓度越低，越容易发生阴极极化。
图3 试片的极化曲线测量结果
试片与管道断开后，试片表面的双电层所带的电荷不会迅速消失，而是通过反应逐渐消耗，在断电瞬间，双电层附近的电荷使试片电位不会过快地正向偏移。
对一段牺牲阳极保护的管道进行电位测量，极化时间20 min，测量过程中改变试片的土壤环境，不同土壤环境对试片电位的影响见表2（表中参比电极为CSE，环境条件从上往下含氧量逐渐增大）。
表2 不同土壤环境对试片电位的影响
由表2可以看出，试片所处的环境对试片断电电位影响较大，而对试片通电电位影响相对较小。这是因为试片的面积要远远小于管道的表面积，牺牲阳极提供的阴极保护电流足以使试片发生阴极极化，试片周围的含氧量对通电电位影响不大。
浅埋后浇入H2O2溶液（稀）条件下，试片断电电位随时间的变化曲线见图4（所用参比电极为CSE，从断电瞬间开始计时）。在浇入H2O2溶液的条件下，氧的扩散速度明显增加，扩散控制步骤减弱，试片表面的Fe迅速转变成离子态Fe2+，电位正向偏移。随着时间的延长，H2O2的氧化能力逐渐减弱，试片的电位逐渐负向偏移。
图4 浅埋后浇入H2O2溶液（稀）条件下试片断电电位随时间的变化曲线
试片周围的含氧量对试片的断电电位影响极大，从表2可以看出，随着试片周围含氧量的升高，试片断电电位逐渐向正向移动。管道在敷设过程中，一般都会经过夯实处理，管道周围的土壤中氧的含量较低，更容易发生阴极极化。所以在使用试片过程中，应控制试片周围的土壤环境，降低含氧量的影响。
②土壤pH值的影响
根据电位与pH值的关系可知，腐蚀介质中的pH值越小，金属的电位越容易向正向偏移。因为介质中的H+越多，金属表面会有更多的H+参加反应，H+是很强的去极化剂，同时H+很容易到达反应表面，不会有明显的控制步骤。
大量H+的存在会使阴极极化曲线变得平滑，极化阻力降低，当阴极保护电流不能够抵消H+的还原过程时，阴极保护是无效的。实验表明，当管道周围土壤的pH值<4时，阴极保护一般很难达到预期效果。
试片周围土壤的pH值较低时，试片的断电电位会偏正。遇到该种情况时，应增加试片的极化时间，使试片周围土壤H+不断消耗。目前国内绝大多数的土壤pH值为6.4~9.5，不会对试片的电位测量产生较大影响。但如果在化工厂、炼厂等区域进行阴极保护评价时，应先对土壤的pH值进行测量。
③交流杂散电流的影响
管道受到交流杂散电流干扰后，管道腐蚀加快，防腐层破损点周围的离子浓度增加，导致破损点位置附近的土壤电阻率降低。由欧姆定律可知，破损点位置的电阻降低，会有更多的阴极保护电流流向破损点位置，阴极极化程度增强。阴极极化过程中，由于还原反应，破损点附近土壤中的OH-离子增多。OH-的增多会降低土壤电阻率，阴极保护电流进一步增大。所以交流杂散电流的干扰，往往会在防腐层破损点位置形成强碱性环境。
由于试片模拟管道的防腐层破损点，阴极保护电流的增大，会使试片的电位出现明显的负向偏移。如果极化时间比较短，试片周围不能形成稳定碱性环境，在断电的瞬间，由于电流的不平衡性，电位会出现一个正向的脉冲峰，该值为-600~-100 mV，如果使用该值对管道的阴极保护状况进行判断，明显是错误的。所以在遇到较强的交流杂散电流后，应使试片极化足够时间，在断电瞬间约200 ms后，再进行读数。
另外，在受到杂散电流干扰后，可以采用环形试片，最大限度地降低杂散电流在土壤中流动形成的电位梯度。
④试片面积的选择
根据试片法的电位测量原理，试片的面积应该与防腐层破损点的面积接近，但埋入地下的管道是无法得知破损点面积的。试片面积还与管道防腐层的类型有着直接关系。管道防腐层的质量越好，出现破损的概率越低，破损点面积的期望值也越低。根据多年的检测经验，试片面积应该在6.5~50 cm2，对于3PE防腐层，试片面积在4.0~6.0 cm2，试片的材质应与被测管道的材质接近。
⑤阴极保护判据的选择
利用试片的断电电位对管道的阴极保护效果进行评价，选择-850 mV判据是没有任何问题的。-100 mV极化的判据，目前存在很大争议。笔者认为，-100 mV极化的判据是无法使用的，一方面，试片与管道的自然电位差别很大，试片周围土壤比较干燥、埋深较浅时，-100 mV极化的判据无法保证管道的断电电位能达标；另一方面，如果试片的表面状态倾向于使电位正向偏移时，例如表面氧化、杂散电流干扰等，-100 mV极化的判据也不能使用。
5 结论
①试片模拟管道防腐层的破损点，通过测量试片断电电位，对管道的阴极保护进行评价。试片法解决了复杂情况时，不能进行管道断电电位测量的难题，就阴极保护判据而言，利用管道通电电位对阴极保护进行评价是不合理的。试片法可有效降低杂散电流的干扰，恒电位仪可以采集试片的电位，有效保证恒电位仪的输出。
②使用试片法时，应注意试片周围土壤的状况。在化工区、炼厂区等特殊区域，土壤会呈现酸性，使用试片时，应对土壤的pH值进行测量，试片应充分极化，降低H+对断电电位的影响。
③在遇到交流杂散电流干扰时，断电的瞬间后，应该延迟200 ms再进行读数，降低交流杂散电流去极化作用对测量的影响。
④试片的面积应该在6.5~50.0 cm2，对于3PE防腐层，试片的面积取4.0~6.0 cm2，试片的材质应与被测管道的材质接近。在使用试片法时，可使用-850 mV判据，尽量不要使用-100 mV极化的判据。