1、管道阴极保护 (四) 阴极保护的电气测量 王 元 教授西南石油大学石油工程学院,概述 (1),电气测量的目的是判定管道阴极保护的水平；以及保护设备的运行状态;并评估涂层针孔的发展情况；以及与外部结构之间的相互影响情况。,概述 (2),通过检测管道的电势、电流和电阻这样一些电气参数，我们就能够深入了解管道保护的物理意义和化学反应情况。以便我们能够及时地采取必要的措施，以减轻或消除管道的腐蚀，并延长它的寿命。,概述 (3),本章将描述测量电势、电流和电阻的方法和步骤(程序)。它们将保证阴极保护系统的成功试运行；以及管道投产后的正常运行。,目的（1）,完成本章的学习你将能够： 1. 掌握CP电势值的
2、测量方法； 2. 掌握影响CP断开电势值的因素； 3. 掌握CP电流值的测量方法； 4. 掌握CP接地电阻值的测量方法；,目的（2）,5. 掌握电势的测量方法； 6. 在有外部管道的情况下,掌握它们相互电气干扰的测量方法； 7. 掌握绝缘接头的电势的测量方法。,概 述 (1),对埋地管道进行现场巡检时,可以使用各种检测、测试方法和技术。阴极保护电气管道的巡检内容一般有： 1.电势巡检:管道与环境之间的电势测量; 2.管道电流巡检:流经管道的电流测量;,概 述 (2),3. 接地电阻的测量； 4. 管道与金属结构之间相互影响的测量； 5. 绝缘接头的电势测量；,概 述 (3),在本章我们将讨论现
3、场使用的典型测量设备，以及所进行的这些现场测试程序(步骤、过程)。这些测试程序将与巡检方法一起加以使用，来评估管道和阴极保护（CP）的状态；以及CP设备的运行状况。,1. 管道-土壤间电势的测量 （1）,通过与管道连接的测试桩把一个电压表和硫酸铜参考电极（CSE）串连后，再与管道周围的土壤紧密接触就形成一个回路。这种电势测量是腐蚀巡检中，最经常进行的电势测量。对沿着管道的每个测试桩都将进行这一电势值的测量。其目的是检查管道阴极保护的水平。见下图4-1。,测,Figure 4.1 图4.1 管道对土壤的电势测量图,1.1. 管道对土壤接通电势的测量 （4）,1.管道-土壤间电势的测量 （2）,一
4、般地说，该电势的读数比-0.85V更负则表明管道的保护水平是满意的。相反，如果任何一个测试桩的测试电势比-0.85V更正，此管道的间隔中，测试桩两端的管道都处于保护不足的状态。,1.管道-土壤间电势的测量 （3）,这时，应当提高变压整流器的输出电压值，直到相对于硫酸铜参考电极的电势值比-0.85V 更负为止。,1.1. 管道对土壤的接通电势测量 （1）,事先用水湿润埋地管道上方的土壤，再把一个铜/硫酸铜参考电极尽可能放置到埋地管道的上方土壤中，从而完成接通CP条件下，管道对土壤的电势值测量。,1.1. 管道对土壤的接通电势测量 （2）,参考电极的正接线电缆应当接与电压表的正极端子相连接；来自管
5、道测试桩的电缆应当接到电压表的负极端子上。,1.1. 管道对土壤的接通电势测量 （3）,此时，电压表上的读数就是管道对土壤的、CP接通时的电势测量值。它是一个关于参考电极的、用单位伏特，或毫伏特表示的负值。它就是管道对土壤的电势值。,1.2. 管道对土壤的断开电势测量 （1）,当CP保护电流流过一个已极化的界面后，立刻切断电流。此时测量到的电势值就是CP断开时管道与土壤（极化界面）间的电势值。这是因为穿过该极化界面的电势差的变化比穿过一个电阻时的电势降（也就是IR降）的变化要慢的多。,1.2. 管道对土壤的断开电势测量 （1-1),阴极极化 阴极的极化：由于电流通（穿）过电极和电解液之间的界面
6、，而在激活（负的）方向上，使阴极出现的电势变化。一般地说，穿过该极化界面的电势差的变化，比穿过一个电阻时的电势降（也就是IR降）的变化要慢的多。因此，我们可以通过断开阴极电流的方法测量管道对土壤的电势。,1.2. 管道对土壤的断开电势测量 （1-2),瞬时断开电势：同时断开所有阴极保护电源后，立刻测量出的管道与土壤之间的电势。,1.2. 管道对土壤的断开电势测量 （2）,所以先通电，紧接着就断电，此时，由于电阻产生的电势差很快就溃散（消逝）了。测量得到的电势值就是管道对土壤的断开电势。,1.2. 管道对土壤的断开电势测量 （3）,因此，在保护电流同时被切断之后，如果立刻就测量管道/土壤之间的电
7、势。就获得了极化界面之间，断开电势的读数。这个读数也是一个阴极保护程度的指标。它能够指出：在目前所采取的CP方法下，管道是否已经获得了良好的保护。,1.2. 管道对土壤的断开电势测量 （4）,穿过界面的电势差的衰减速度取决于诸如土壤的特性（如土壤电导率等等）、CP保护结构已被极化的时间长短（也就是阴极保护已经操作的时间长短）等这些因素。,1.2 管道对土壤的断开电势测量 （5）,因此，在切断电流之后，这些因素就决定了电势衰减时间的长短。在现有的保护水平上，过度衰减的结果是由于去极化的结果引起的。为了测量断开CP之后的电势值的准确性，这一时间间隔一般取为0.1s 到 3s 为好。,1.2 管道对
8、土壤的断开电势测量 （6）,这一测量是在阴极保护电流被切断之后，等一个很短的时间间隔后进行的。在大多数情况下，接通时间与切断时间的比例为： 4 : 1 (：接通为4；切断为1)。采用这一比例，将不会引入太大的去极化问题。如果电源多于一个，几个电源的接通和断开操作应当同步。,1.2 管道对土壤的断开电势测量 （7）,管道对土壤的断开电势的测量，除了在负端输出电缆中接入一个开关装置。用它来切断来自TR/CPVCM的输出电流之外，其它都与接通CP下测量接通电势的设备及方法相同。见图4-1。,1.2 管道对土壤的断开电势测量 （8）,由于每台TR/CPVCM都向一个固定的管段供应电流。因此，巡检时在每
9、段管道的CP回路中都应安装一个断电器；以便同时断开各管段后，进行断开电势的测量； 当使用固态电子断电器时，应当避免反向极化情况的出现。并应与其它的断路器同步操作。,1.2 管道对土壤断开电势的测量 （9）,设置的开、关CP电源接通和断开的时间循环不应小于4:1。例如，12秒接通；而3秒断开。当以此比例为断电器设置开（接通）、关（断开）的循环时间时，一般可避免由于开、关的延缓时期间内，出现管道的去极化问题。,1.2 管道对土壤断开电势的测量 （10）,测量时，当电压表的读数移动到一个更加负的位置时，此时就应记录“断开”电势（绝对值最大时）。“接通”电势应当在断路器刚要转换为断开之前时加以记录（接
10、通时间的最后时刻）；也就是正好电势变得更负之前加以记录。要注意的是这个值也可能包括了开、关转换后可能产生的再极化电势。,1.2 管道对土壤断开电势的测量 （11）,与测量设备一起使用的便携式、具有微处理器的阴极保护电流切断装置，具有高精度和同步、高速的特点。它所使用的计算机化的数据储存设备可以完全保证数据的可重复性和保存的精确性。,2. 管道电流的测量 （1）,在管道巡检中，通过电阻降方法来测量管道上的电流是十分有用的。此种方法用于确定阴极保护下的管道沿线的电流分布情况。它对于测定杂散电流等也十分有用。测量时使用沿管道设置的永久固定测试桩。此时，测试电极通过测试桩的连线与被检测的管道表面金属紧
11、密地接触。,2.管道电流的测量（2）,对于4线测试桩，在每个电流测量管段的每端测试桩上都有两条彩色的代码线。它们对于精确地测量管段的电流值十分有用。因为每条这种有间隔彩色条纹的代码线，在安装之前就已对它的电阻值精确地进行了标定（测定）。从而保证电流值测试的精确性。,2.管道电流的测量（3）,这就避免了应用其它方法测量管道上的电流值时可能因管段长度的不同；接到测试桩上的导线（长度）电阻的变化而引起的电流测量值的误差。管道电流测量的一般回路图如图4.2所示。,图4.2 管道电流测量简图,1,2,3,4,2. 管道电流的测量 （3）,V,R,2.管道电流的测量（4）,测试步骤（程序）如下: 1. 回
12、路中使用一个直流电池，它的电流值IB已知。通过外接线端子1和4来标定测量间隔内流过的电流值I。通过接线端子2和3 来测定电流流过的间隔内，当电流接通Up和断开Vo时，电势降的变化率V = VpVo 。,2.管道电流的测量（5）,用毫伏表示的电势降测量值除以安倍表示的电流值K=IB/V（注意：V/IB=R，K=1/R）。这个以每毫伏下的安倍值就是该管道的标定系数K。正常情况下，如果一条管道的操作温度稳定，对此管道，该标定系数应该是一个常数。并不需要在以后的管段测量中再次加以标定。,2.管道电流的测量（6）,但是，在管道温度变化很大的情况下（伴随着电阻的很大变化），可能需要更加频繁的进行标定。,2
13、.管道电流的测量（7）,2. 使用接线端子2和3,测量通过电流的管子间隔之中，以毫伏表示的电势降VM。它是由管道电流所引起的正常电势降。通过将测量的电势值乘上在第二步中确定的标定系数K，就可以计算出流过管道的实际电流值IM=KVM。此时，应特别注意电流的方向（正、负）。,2.管道电流的测量（8）,例如: 步骤1：有10安倍的直流电池的电流已经流过了接线端子1和4。校正后的测量电势降值分别为：接通时5.08mV；断开时0.17 mV。电势降的变化率为： (V) = 4.91 mV。标定系数为： 10 A/4.91 mV = 2.04 A/mV。,2.管道电流的测量（9）,步骤2：电流通过测量间隔
14、（接线端子2和3）时的电势降为： 0.17mV (已校正)，此时西端的接线柱为正（+）。管道电流为： 0.17 mV2.04 A/mV = 0.346 A (346 mA);电流流动方向是由西向东。,2.管道电流的测量（10）,测量管道电流的另一种方法是使用零位安倍测试回路。它是基于温讷尔（Werner）描述的一种过程。回路使用四线测试桩。把一个高阻抗的电压表连接到一对内部接线之间。来自测量回路电池的电流以与测量管道上流动电流相反的方向流动，然后再流过外部的一对接线。,2.管道电流的测量（11）,由于加了这一反相电流，测量回路中的电压值将向零的方向移动。当电压读数等于或十分接近零时，在安倍（电
15、流）表上所测到的最后反向电流就代表了所测量管段中流动的阴极保护电流的实际值。,2.管道电流的测量（12）,应当记住的是：测出的反向电流的流动方向是与管道上实际流动电流的方向相反。在测试记录文档资料中应当明确记载管道上电流流动的实际方向。而不是这个测出的反向电流的流动方向。,3. 阳极地床的电阻测量（1）,使用两个分离的电极来测试流进阳极地床电流值的大小；同时也用它测量在此电流流动中的电势降。通常使用两个钢钎作为分离的电极。在测量电势时，通过改变强加电流的大小来避免电极处的极化。并不通过改变管道电流频率的办法避免因电极处的极化而产生的相互干扰。,3. 阳极地床的电阻测量（2）,通常，使用电阻仪(
16、兆欧表)直接测出土壤到阳极地床的电阻值。在测量土壤到电极电阻的情况下，所测到的电阻是电极电阻和一定距离的土壤之间的总电阻值。这一距离就等于测量电势的钢钎与电流钢钎之间的距离。,3. 阳极地床的电阻测量（3）,既然正常情况下，需要知道电极到远处土壤之间的电阻值。那么，钢钎与阳极的间距应当足够大。这一点十分重要。在对一个阳极地床进行测量时，当把这一间距与要测量的阳极系统的最大尺寸相比时，也应当足够的大。,3. 地床电阻的测量（4）,测量阳极地床电阻时，应当注意以下问题：1.对于水平地床，测电势的电极（EV）和测电流的电极（EA）都必须放在与阳极地床垂直 的位置处；2.两电极离开阳极地床的距离L，应
17、当 按照下述规则加以确定：,3. 地床电阻的测量（5）,L=20 米 (当第一次读数时）；为了获得可靠的电阻值，应读几次值（至少3次）。每次读值的距离增量为5米；当后一次的读数与先前的读数误差不超过5%时，可以认为测量的数值是可靠的； 各电极都应该用1.5-2.5mm2铜导线连接。,4. 电气的相互干扰（1）,阴极保护系统所保护的管道与相邻的埋地金属结构将会产生相互的电气干扰。在这些地方必须进行下列的检测调查： 1. 当CP 站工作时（电流接通时），测量外部管道（或金属结构）到土壤的电势；,4.电气的相互干扰（2）,2. 当CP站不工作时（电流切断时），测量外部管道（或金属结构）到土壤的电势；
18、 3.为了方便分析和比较，在进行上述测量应多测几次，并记录每次的读数。,4.电气的相互干扰（3）,电气相互影响的测试应当包括所有的穿越管道。假定在初始时，已经完成了所有穿越位置处的”接通“-”断开”条件下的相互影响测试。那末，以后的相互干扰测试就应当确定是否需要采取在两者之间加入高电阻的电气隔离（断）措施。,4.电气的相互影响（3-1）,如果在此后的检测中，并如果没有探测到任何的相互影响，这些位置就应当保持原先的打开（断开）状态。,4.电气的相互干扰（4）,在所需要的高电阻隔离物已经安装好之后，应当重复进行相互电气干扰的测试。如果一个被穿越的外部管道是已经安装了CP的系统等等这些细节都应当都应
19、详加记录。,4.电气的相互干扰（5）,对于外部金属结构，在CP电流接通时，管道到土壤最大正电势偏差不应当超过50mV；否则，就应当设法降低两者电气之间的相互干扰。,5. 绝缘接头的测量（1）,管道与场站、接地仪表系统之间在电气上应当相互绝缘。通常使用各种绝缘接头来完成这一电气上的相互隔离（断）。绝缘接头的隔离能力在一段时期之后，应当加以检测。以保证阴极保护系统的正常工作。,5. 绝缘接头的测量 （2）,在绝缘接头安装之后，要测定绝缘接头的电阻值十分困难。但是，当提高或保持被保护管道一边的电势时，绝缘接头另一边，没有被保护端的电势值就能够被测量出来。,5.绝缘接头的测量 （3）,如果提高或保持被
20、保护管道一边的电势；而在绝缘接头另一边没有被保护端的电势差值变化很小，我们就可以认为绝缘接头的绝缘能力是好的； 如果这一电势差很大，我们就认为该绝缘接头的绝缘能力已经变差。,6 、电气测量复习题 （1）,1. 当测量管道与土壤之间的电势时,我们必须十分注意 _。a) 使参考电极适当地与土壤接触b) 每次都应使参考电极离开管道的距 离相同c) 使用万用表时，应选择相同的档位。d) 以上所有,6 、电气测量复习题 （2）,2. 检测管道与土壤之间的断开电势，其周期性应是 _。a) 在切断开关之后, 任何时间都可以进 行测量b) 在切断开关之后, 0.1s 时间内都可以进行测量。c) 在切断开关之后
21、,从0.1s到0.3s之间都可以进行测量。d) 在切断开关之后, 0.3s内都可以进行测量。,6 、电气测量复习题 （3）,3、下图是当阴保系统接通和断开时的电势-时间图。E1E3 代表：a) E1:_b) E2:_c) E3:_,CP System Turned Off,6 、电气测量复习题 3 用图,6 、电气测量复习题 （4）,4. 当测量断开电势时，强加电流的开关接通时间和断开时间的比应为_。a) 4s 接通 : 2s 断开b) 12s 接通 : 3s 断开c) 27s 接通 : 3s 断开d) 12s 接通 : 1s 断开,6 、电气测量复习题 （5）,5. 在下图中，当开关切断时，
22、电压表的读数为0.20 mV；当开关接通时，电压表的读数为4.87 mV，电流表读数为10安倍。通过此管段的电阻和电流分别是 _。a) 0.487; 0.411Ab) 0.467; 0.411Ac) 0.487; 0.428Ad) 0.467; 0.428A,1,2,3,4,6 、电气测量复习题 5 用图,V,6 、电气测量复习题 （7）,6. 当阴极保护开关是断开或接通时，外管道的电势分别为0.89V 和0.88V。本管道与外管道之间的关系必定是 _。a) 不连接的b) 连接在一起的,7 、电气测量复习题答案,1. d 4. b2. c 5. d 6. a 3. E1: 自然电势 E2: 接通电势E3: 断开电势,
