阴极保护与防腐层联合保护是目前埋地钢质管道常用的防腐蚀措施。管道防腐层在运输、施工以及埋地运行中不可避免地会出现破损、缺陷，导致金属裸露，带来腐蚀风险。为维护埋地钢质管道的完整性以及对管道防腐层进行及时修复或增强阴极保护，需要对埋地钢质管道防腐层的破损情况以及阴极保护的有效性定期地进行检测评价。

直流电位梯度法(DCVG)在埋地钢质管道外腐蚀直接评价(ECDA)中有广泛的应用^[1~4]。该方法用于定位埋地钢质管道防腐层破损点的位置、指示防腐层破损点面积大小、识别破损点的腐蚀状态。在SY/T 0087.1-2018和NACE SP0502-2010等国内外ECDA相关标准中将DCVG作为间接检测的推荐方法，NACE TM0109和BS EN 13509-2003等标准详细地介绍了该技术的操作方法。

密间隔电位检测(CIPS)与DCVG的联合应用是一种常见的做法^[5~7]。密间隔电位测试方法可以以较小的测量间距(如3~5 m)获得管道全线的通电电位和断电电位数据，它与DCVG结合可以对防腐层破损点的大小及严重程度进行定性分类。

在NACE RP0502-2002标准中提出了%IR的概念，%IR数值越高意味着防腐层破损越严重。%IR的概念和用途最早是由Leeds和Grapiglia^[8]基于现场实践经验提出的。在GB/T 21246-2007、SY/T 0087.1-2018、GB/T 19285-2014中都引用了%IR的概念，并基于%IR的数值提出了防腐层破损严重程度的分级方法。

%IR方法是基于实践经验总结出来的，缺乏完善的理论支持，在科学依据和准确性方面一直存在争议，这也导致该方法在现场应用中存在诸多误解^[9]，比如测试电流的大小和通断周期的选取有误、在评价时未考虑土壤电阻率和埋深等影响因素等。在GB/T 19285-2014中也提出了%IR的计算方法，但它与NACE RP0502-2002中的方法有别，这给从业者带来了困惑。

在使用DCVG检测管道防腐层破损点时，往往需要临时加大直流电源的输出，以便获取足够的信号强度来发现较小的防腐层破损点；DCVG检测中直流电源的通断周期也有特殊的要求。但在现场应用中，这些要求往往被忽略，导致检测结果的准确性降低。

有鉴于业界在DCVG方法的应用和%IR的理解方面均存在误区，有必要对使用DCVG的前提条件和%IR的计算方法进行探讨，助益管道企业更好地完成管道的外腐蚀直接评价工作。

在对埋地钢质管道开展DCVG检测时，需要给管道施加直流检测电流，这可以利用现有的强制电流阴极保护电源，也可以使用临时安装的直流馈电装置。当直流电流经土壤流入防腐层破损点时，在管道周围的土壤中出现以破损点为中心的电场，土壤中形成直流电位梯度，且距离破损点越近电位梯度越大，如图1所示。沿管道进行DCVG测试的间隔一般为1~3 m。在测试时，测试人员手持两只参比电极，一只参比电极始终放置在管道正上方，另一只参比电极在管道正上方或在管道的侧方位放置，两只参比电极之间保持固定间距(1~2 m)。利用连接在两只参比电极之间的电压计可以读取直流电源通/断状态时两只参比电极之间的电位差，计算得到直流电位梯度。

如图1所示，当检测人员接近破损点时，两只参比电极之间的电位梯度逐渐增大；当检测人员跨过这个破损点后，电位梯度的极性发生逆转且其幅度会随着远离破损点而逐渐减小。在管道正上方调整两只参比电极的位置找到电位梯度为零的位置后，绘制参比电极之间连线的中垂线；然后在与管道走向垂直的方向测量电位梯度，找到电位梯度为零的位置后再次绘制两只参比电极之间连线的中垂线。防腐层破损点就位于这两条中垂线交叉位置的下方。

DCVG方法利用地表电位梯度查找防腐层破损点，所以该方法对于电流被屏蔽的情况不适用，比如套管内管道防腐层破损点未被电解质淹没、剥离的防腐层下方的管体金属与外界没有电导通、夹克保温层下的破损等。

直流电位梯度法还可以判断在通电和断电状态下防腐层破损点与周边土壤介质之间的电流流动方向，进而识别防腐层破损点的腐蚀活性。通常对破损点腐蚀活性状态的评价，NACE RP0502-2002定义为：阴极/阴极(C/C)、阴极/中性(C/N)、阴极/阳极(C/A)和阳极/阳极(A/A)4种类型。C/C：即当阴极保护系统接通时，电位梯度测试结果表明电流从电解质流入防腐层破损点，破损部位管道是阴极(保护状态)，在阴极保护中断或断开时，破损处管道仍然保持极化。它消耗阴极保护电流，但不具备活泼的腐蚀性。C/N这类破损点在阴极保护系统接通时似乎处于保护状态，而在阴极保护中断时，电位梯度表明破损点既不吸收电流也不排放电流，破损处管道恢复到自然状态。这类破损点消耗保护电流，并且在阴极保护系统不正常时可能发生腐蚀。C/A这类破损点在阴极保护系统接通时似乎处于保护状态，而阴极保护断开时电位梯度表明电流从破损点流向电解质，破损点处于阳极状态。即使阴极保护系统运行正常，这类破损点也可能发生腐蚀。这类破损点消耗阴极保护电流。A/A指的是不管阴极保护系统是否接通，防腐层破损处管道都没有受到保护。它可能正在发生腐蚀。它不一定消耗保护电流。

在以上4种状态分类中，没有提及管道的保护电位是否达标。事实上，如果管道的阴极保护电位不达标，即使破损点处于C/C状态，也不能判定在阴极保护系统接通时破损点处于受保护状态。A/A是最严重的状况，它的活性腐蚀倾向最大。在阴极保护有效的情况下，处于其余3种状态的破损点的腐蚀被有效抑制，但如果阴极保护系统不正常，这3种状态的破损点也可能发生腐蚀。

在使用DCVG方法判别防腐层破损点的腐蚀活性时，阴极保护直流电源的输出电流或电压须与日常运行状态时的输出值一致，否则所判定的结果不能代表日常运行状态下的腐蚀活性。此外还需注意的是，在阴极保护断电后，因管道沿线极化情况不一致可能会出现循环电流，这对腐蚀活性的判断会造成影响。

目前有一些专业检测设备可以同时执行CIPS和DCVG测试。CIPS用于对管道阴极保护有效性进行全面评价，该方法可以较短的测量间距测得管道沿线的通电电位和断电电位，结合直流电位梯度测试可以全面评价管线阴极保护系统状况和查找防腐层破损点及识别腐蚀活性。CIPS与DCVG联合测试方法将原本分别进行的测试合并执行，节约了检测作业时间、提高了检测工作效率，但是这种联合测试方法在很多情况下是不适用的。

NACE SP0502-2008提出，使用模拟电压计进行DCVG测试时，中断器的设置为快速循环模式，通电的时长要小于断电的时长，比如通1/3 s，断2/3 s。在这种中断设置下，可借助模拟电压计实现快速的电位梯度测试。在AS 4827.1-2008和BS EN 13509-2003中对中断器的设置提出了类似的要求，比如AS 4827.1-2008中提到：通断循环的频率为1 Hz左右，通电时长约为断电时长的一半。

在进行DCVG测量时，在很多情况下地表两只参比电极之间的电位差仅有数个毫伏(比如管道埋设很深、破损点很小的情况)，难以进行识别。此时应临时增大直流电源的输出，令远离电源的地方有足够的DCVG信号强度，从而可以发现远离电源处的管道上的小破损点。一些标准中明确提出了对检测信号强度的要求。NACE TM0109中要求土壤环境中典型的DCVG信号强度介于100~1500 mV；在混凝土或沥青表面测试时，典型的DCVG信号强度要求为800 mV或更大；并且测试人员应核实被测管段两端的DCVG信号强度，确保满足以上的信号强度要求。AS 4827.1-2008提出，在土壤环境中DCVG典型信号强度应约为1000 mV，如果信号强度低于400 mV左右，应重新安置测试直流电源，否则测试的灵敏度将降低；检测员应在能与被测结构物直接连接的所有位置测量DCVG信号强度，以确保在整个测试过程中保持足够的信号强度。

在北美某CIPS/DCVG设备厂家的说明书中提出DCVG测试对信号强度的要求：进行DCVG测量时，通常测量点的通电与断电电位之差至少要达300~500 mV，根据这个要求应相应地调整整流器的电流输出。Nicholson^[10]提出在某些情况下无法进行CIPS/DCVG的联合测试，这主要是因为测试位置的IR降太小，不足以获得有效的电位差读数，为获得明显的电位差读数，需要让测试位置的IR降达到200~300 mV。当通电电位与断电电位之间的差异非常小时，例如在低电阻率土壤中，有必要在增强直流电流信号后进行测试。通常可以通过增加阴极保护电源的输出和/或安装临时的直流馈电装置来实现。但是增加额外的直流电流将影响管道的极化，导致测试中采集的阴极保护电位不能反映日常保护状态。

在DCVG测试中如使用临时增大的直流测试电流，可能会造成防腐层破损处出现剥离、析氢等问题^[11]。为避免过度阴极保护造成的损害，可以调整电流中断器的设置，令断电的时长大于通电时长。在使用阴极保护恒电位仪作为DCVG测试电源时，恒电位仪在由关断转为导通状态后，输出电流可能不会快速恢复，在这种情况下应将电源设置为恒电流或恒电压输出模式。

从以上讨论的情况来看，在使用DCVG方法定位防腐层破损点时，可能需要临时增大直流电源的输出电流，令DCVG信号有足够的强度以发现较小的防腐层破损点；为了提升电位梯度检测的效率，通常需要设置较短的通断周期且令断电时长大于通电时长。这些设置都导致检测过程中获取的阴极保护电位与日常运行状态的电位不同，这意味着在此情况下不能进行CIPS和DCVG的联合测试，应分别执行CIPS和DCVG测试。

出于节省成本和提高效率的考虑，目前很多管道的外腐蚀直接评价工作中CIPS与DCVG都是同时进行的，未充分考虑CIPS与DCVG联合测试的前提条件是否满足。这导致防腐层破损点的检出率下降，远离直流电源的小破损点可能被漏检。

DCVG检测还可以对管道防腐层破损点的大小和严重程度进行定性的评价，确定修复防腐层缺陷的优先级别，这依赖于%IR值的计算。该方法是基于大量防腐层破损点开挖的数据总结出来的。

在计算%IR前需要确定SOL和SCD这两个参数。当防腐层破损点吸收直流电流时，在防腐层破损点的地表垂直对应点至远地之间的电压降即为SOL，而从破损点至远地之间的电压降就是SCD。SOL和SCD都是土壤路径上的电压降，它们的物理意义见图2所示。%IR即为SOL与SCD的比值：

在定位了防腐层破损点的地表垂直对应点后，可以从该点向管道的水平侧方位移动参比电极，测量得到一系列电位梯度值。在远离管道的方向，电位梯度值呈现衰减的规律，当间距为1~2 m的两个参比电极之间的电位差降低到1 mV时，即认为到达了远地的位置。从防腐层破损点的地表垂直对应点至远地之间的总电压降即为SOL，见图3所示。

SCD是从破损点至远地之间的电压降(IR降)，也被称为是DCVG检测的信号强度。管道的断电电位与将参比电极放置在远地位置测量得到的通电电位相减，所得到的值即为SCD。

假定图3中测量得到的电位差值情况为：V1 = 25 mV，V2 = 15 mV，V3 = 6 mV，V4 = 4 mV，V5 = 1 mV；管道至远地的电压降SCD = 400 mV。则可以计算得到：

依据%IR的数值可以评估防腐层破损点大小及严重程度，NACE标准将破损点分级为4类，即：I类，1%~15% IR；II类，16%~35% IR；III类，36%~60% IR；IV类，61%~100% IR。

属于I类的防腐层破损点尺寸较小，通常不需要修复，维持合适的阴极保护水平即可。属于II类的防腐层破损点危害性不太严重，并有可能通过合适的阴极电流得到充分的保护。属于III类的防腐层破损点通常是阴极保护电流主要的漏失点，并且预示着可能存在严重的防腐层损伤。根据这类破损点接近地床或与其他重要构筑物的程度，通常建议对这些缺陷有计划地进行修复。属于IV类的防腐层破损点应立即进行修复，这样的缺陷不但是阴极保护电流主要的漏失点，同时防腐层还可能存在非常严重的问题，并对管道的总体完整性造成危害。

DCVG和CIPS的数据可以绘制在以管道里程为横坐标的同一个数据图中，在图中可以同时展示管道的通电与断电电位(对应左侧纵坐标)、DCVG电位差(对应右侧纵坐标)以及%IR数值，有助于腐蚀控制人员对防腐层破损点的严重程度进行评估(见图4)。

上述防腐层破损点严重程度的分级方法本质上是经验性的。有许多因素会影响现场测量，影响%IR的计算结果，导致%IR和防腐层破损尺寸之间缺乏相关性。典型的影响因素包括：管道的埋深、破损点的管周方位、破损的形状和方向、土壤分层情况、破损点处土壤电阻率局部变化、破损点表面的钙质沉积物、土壤的潮湿/压实程度、直流杂散电流干扰以及屏蔽效应等。

在图3中，假定防腐层破损点的埋深为H，平均土壤电阻率为ρ，破损点吸收的直流电流为Icp，则可以借助半球型电极的接地电阻公式近似地计算SOL的数值：

式中，SCD是破损点至远地路径上的电压降，为求解得到SCD，应首先获取破损点至远地的电阻值。该电阻值可以使用平面圆盘接地电阻公式估算。假定防腐层破损点的等效圆半径为r，破损点周边局部土壤电阻率为ρd，则计算得到：

进一步计算%IR：

从以上公式可见，%IR与破损点半径r成正比关系，管道所敷设环境土壤电阻率、破损点周边局部土壤电阻率以及埋深H都对%IR有影响。在现实情况中，管道沿线土壤的分层情况和电阻率是变化的，破损点周边的局部土壤电阻率与平均土壤电阻率可能有很大的区别，管道沿线的埋深也不是一成不变的，这些因素都影响了使用%IR评估防腐层破损点大小的准确性。

由 公式(5)可以看到，%IR的计算值与破损点吸收的电流Icp没有关联，即测试电流的大小不影响%IR的计算。但实际上阴极保护的水平对%IR是有影响的。阴极保护即可能令管体破损点表面产生钙质沉积物，增大破损点对地电阻，也可能在特定离子环境中令局部土壤电阻率有显著的下降，从而影响了%IR。

在GB/T 19285-2014中提出了一种不同于 式(1)的方法计算%IR，其计算公式为：

式中：ΔVon为通电状态测得的地表直流电位差(破损点正上方到侧向1~2 m处)；ΔVoff为断电状态测得的地表直流电位差(破损点正上方到侧向1~2 m处)；Von为破损点位置处的通电电位；Voff为破损点位置处的断电电位。

图5展示的即为这种%IR计算方法的原理图。图中，假定防腐层破损点的埋深为H，地表两个参比电极的间距为L，平均土壤电阻率为ρ，防腐层破损点的等效圆半径为r，破损点周边局部土壤电阻率为ρd，破损点吸收的直流电流为Icp。由此可以推导得到：

进而得到%IR：

该计算方法中%IR的值与两个参比电极之间的间距L相关，它与NACE标准中的计算方法(公式(1))的物理意义是不同的，计算得出的%IR数值也往往小于 公式(1)的计算结果。按照GB/T 19285-2014中方法计算得到的%IR不能使用NACE RP0502中给出的破损点严重程度分级方法进行分级。

%IR的影响因素众多，难以用纯理论的方法考虑所有因素的影响程度。随着数值模拟技术的发展，使用数值模拟软件研究埋地管道周边电场的分布成为一种可能^[12~14]。董亮^[15]采用BEASY软件构建模型研究了多个参数对%IR的影响，得到一些规律性的总结：

(1) %IR与防腐层缺陷直径呈现近似线性的关系；

(2) 缺陷面积相同，形状不同时，其%IR的数值也不同。%IR与缺陷形状的长宽比正相关，即缺陷形状的长宽比越大，%IR越大，圆形缺陷的%IR是最小的；对于长宽比相同的缺陷来说，长度方向与管道垂直时，其%IR相对较大；

(3) 随着防腐层缺陷由位于管道顶部转移至底部时，%IR呈现明显减小的趋势。这是由于缺陷位于管道底部时，缺陷的埋深增大，且管道对缺陷的阴极保护电流有阻碍作用，导致其在地表产生的电位梯度显著降低，从而%IR降低的更为明显；

(4) 在均匀土壤模型中，土壤电阻率的变化对%IR的影响很小。但当土壤分层时，%IR会随顶层与底层土壤电阻率之比及顶层土壤的深度的变化而发生明显变化。当顶层与底层土壤电阻率之比为100时，%IR基本趋于最大值，达到均匀土壤条件下%IR的两倍；当顶层与底层土壤电阻率之比为0.1时，%IR不到均匀土壤条件下%IR的1/5。

由以上讨论可见，%IR的影响因素众多。在利用%IR对防腐层破损点的大小和严重程度进行分级时，所得结论很可能与实际情况不符。目前尚难以发展出涵盖所有影响因素的准确的%IR分级方法。

使用DCVG方法定位防腐层破损点时，因需要确保有足够的信号强度，可能需要临时调大直流测试电源的输出。在没有足够的DCVG信号强度的情况下进行破损点的检测，往往会导致检测的灵敏度不够，造成防腐层破损点漏检。在进行DCVG测试时，对电源的通断周期有特殊的要求，周期应很短且断电时长大于通电时长。这些要求限制了CIPS与DCVG方法的联合测试应用，很多情况下需要分别进行CIPS和DCVG测试。

利用%IR对防腐层破损点大小和严重程度进行分级的方法是基于实践经验发展起来的经验性方法。%IR的影响因素众多，目前尚难以发展出涵盖所有影响因素的准确的%IR分级方法。在使用现有分级方法前，应充分考虑管道埋深、破损点方位、土壤结构分层、土壤电阻率以及阴极保护水平等影响因素。

为获取%IR需要在管道的侧方位进行多次地电位梯度测试直至到达远地位置，并获取破损点处的DCVG信号强度。该测试的流程较繁琐，对于破损点较多的管道，检测工作的效率低。

在GB/T 19285-2014中提出的%IR计算方法有别于NACE TM0109-2009中的计算方法。NACE RP0502中提出的破损点严重程度4级分类方法对于按照GB/T 19285-2014中方法计算得到的%IR不具有适用性。