深井阳极地床设计的实例分析

胡亚博,赵 君,李建军,庞 笑

(1. 中石油管道沈阳龙昌管道检测中心,沈阳 110034； 2. 中石油管道科技研究中心，廊坊 065000)



深井阳极地床设计的实例分析

胡亚博1,赵 君2,李建军1,庞 笑1

(1. 中石油管道沈阳龙昌管道检测中心,沈阳 110034； 2. 中石油管道科技研究中心，廊坊 065000)

强制电流阴保系统是油气站场内埋地管道防腐蚀系统的重要组成部分。以山东某输气站场内区域阴保系统深井阳极地床的设计过程为例，首次将CDEGS软件应用到阳极接地电阻和地表电位梯度的计算过程中，旨在为以后深井阳极地床的设计提供借鉴。

深井阳极地床;接地电阻;地表电位梯度;CDEGS

随着完整性管理理念的提出，对埋地长输油气管道站场区域阴保系统的设计和管理提出了更高的要求。在近几年中石油召开的各种防腐蚀技术会议上，来自业内的领导和专家多次呼吁加强对站场区域阴保的重视[1]。目前国内各管道运营公司正投入大量的人力物力对原来的站场进行改造，安装区域阴保系统。阳极地床的设计优劣往往关系着整个阴保系统设计的成败。强制电流阴保系统常用的阳极地床主要包括：柔性阳极地床、浅埋阳极地床和深井阳极地床。柔性阳极地床动土面积大，在已建站场中应用时容易造成站内设施损坏；浅埋阳极地床容易产生屏蔽和干扰，保护电位分布不均匀；深井阳极地床具有施工区域小且保护电位分布相对均匀的特点，得到了广泛的应用。

在进行深井阳极地床设计和日常维护管理时，有两个重要的参数：接地电阻和地表电位梯度。SY/J 4006-1990[2]中规定，接地电阻不宜大于1 Ω。GB/T 21448-2008[3]中规定，地床的远地电阻值应与所选择阴保设备的输出功率相匹配，由需要的最大保护电流与地床远地电阻计算得到的电压值应不超过阴极保护设备额定电压值的70%。阳极地床附近的地表电位梯度应小于5 V/m。美国防腐蚀工程师协会(NACE)标准SP 0572-2007[4]中也明确规定，阳极地床选址时应考虑土壤电阻率情况，不能对附近的外部构筑物产生杂散电流干扰。当阳极地床在外部结构物附近引起的地电位升高超过0.6 V时，容易产生干扰。Rogelio以地电场分布理论为基础，给出了多支并联浅埋阳极地床可能产生的地表电位梯度计算公式，但没有考虑土壤电阻率分层的影响。CDEGS软件可以进行任意水平均匀分层土壤的参数、接地电阻、地表电位梯度的求解，是当前应用最广泛和最权威的。本工作以山东某输气站场区域阴保系统的设计为例，首次将CDEGS软件的模拟引入到阳极地床的设计中，并取得了良好的效果。

1 土壤分层结果

在计算阳极地床的接地电阻前，首先应测试现场土壤在不同深度位置的土壤电阻率情况。目前，现场土壤电阻率的测试主要包括钻井取岩心测试方法和Wenner's四极法。钻探测井取岩心能够清楚地确定地下的地质条件和土壤电阻率分布，但耗费较大，而且在多数的设计过程中不具备实施条件。Wenner′s四极法的数学模型为两个电流极在土壤中形成电流场，在两个电位极(内电极)之间形成电位差，这个电位差与电流极入土的电流量以及周围的土壤电阻率成一定数学关系，测试原理如图1所示[5]。从地表至深度为a的土壤电阻率为：

(1)

式中:ρ为从地表至深度a土层的平均土壤电阻率；a为相邻两电极之间的距离；R为接地电阻仪示值。

图1 土壤电阻率测试示意图Fig. 1 Illustration of measurement of soil resistivity with Wenner′s four pole method

Wenner′s四极法现场操作方便，而且测试结果能够反映地下不同地层的分布，在地质物探方面得到了广泛的应用。综合考虑各方面因素，此次工程前期采用Wenner′s四极法测试了地表以下40 m范围内不同深度的土壤电阻率。但测试得到的土壤电阻率均为视在土壤电阻率，是多层土壤平均作用的结果。美国防腐蚀工程师协会(NACE)推荐采用巴恩斯方法计算分层的土壤电阻率：

(2)

式中:s为分层厚度；Ri-1为前i-1层的平均电阻；Ri为前i层的平均电阻。

根据现场测试结果，采用巴恩斯方法得到的土壤电阻率分层结果见表1。按照巴恩斯方法，在8 m以下土壤电阻率波动较大，而且出现负值。根据以往钻勘探井的经验，负值位置多可能存在岩石层等高电阻率介质[6]。如果依旧采用常用的公式计算接地电阻，如何选择合适的土壤电阻率值进行计算就成为了一个问题。CDEGS软件采用反演的方法对土壤进行分层，具有很高的精度。采用CDEGS软件可以将土壤分为2层：表层0～10 m厚度的土壤电阻率较小，10 m以下土壤电阻率较高。分层结果与实测结果的吻合程度较好，相对偏差仅为5.532%。分输站内原有的138 m水井竣工资料中的地质勘探结果显示：地下0～13.5 m为粉质粘土、13.5 m以下为破碎岩石层，30 m以下含水。两者吻合较好，说明CDEGS软件模拟结果具有可信性，在以后的计算过程中更具可操作性。

表1 土壤电阻率分层结果

2 阳极地床的设计

2.1 接地电阻计算

阳极拟采用预包装的MMO管状阳极，阳极周围为焦炭包裹。计算时，阳极井直径选定为300 mm，单支阳极的长度为6 m，最上面一支阳极距离地表15 m。分别计算了安装2支、3支、4支、5支阳极时的接地电阻值，如图2所示。随着阳极支数的增加，接地电阻降低。按照图2中的计算结果，每增加一支阳极，阳极井深度增加6 m，阳极接地电阻值降低17%～29%不等。阳极接地电阻降低，恒电位仪在后期运行过程中的耗电量降低，但施工期间的安装费用会相应增加。因此，在进行阳极地床的设计时，应综合考虑当地的地质条件和供电条件，力求达到最高的经济效益。

2.2 地表电位梯度计算

根据该输气站场的规模，参考相似站场的输出和软件模拟结果，将所需的阴保电流大小确定为3 A。在不考虑阳极周围其他埋地结构造成的电场畸变的条件下，采用CDEGS软件计算了阳极地床周围的地电场分布情况。图3是计算得到的不同阳极支数条件下的地表电位梯度结果。随着阳极数量和阳极井深度的增加，地表电位梯度降低。按照图3(d)中的计算结果，安装5支MMO阳极时，距离阳极地床50 m×50 m模拟范围边缘的地电位升高<0.6 V。为了减少阳极地床可能对干线管道产生的干扰，阳极地床位置在选址时应远离干线管道25 m以上。

图2 接地电阻随阳极支数的变化Fig. 2 Calculation of grounding resistance with different numbers of anodes installed

(a) 2支阳极 (b) 3支阳极

(c) 4支阳极 (d) 5支阳极图3 CDEGS软件计算得到的地电场分布Fig. 3 Calculation of earth potential gradient with CDEGS(a) 2 anodes installed (b) 3 anodes installed (c) 4 anodes installed (d) 5 anodes installed

参考阴极保护手册中的计算公式，可以按照下式计算地表电位梯度分布:

(3)

式中：Ur为阳极周围的地电位升高值；I为阳极输出电流；ρ为土壤电阻率；l为阳极长度；t为阳极顶端埋深；r为距离阳极中心的距离。

以阳极地床周围半径10 m范围内的地电场计算为例，公式计算与CDEGS软件模拟结果的对比如图4所示。CDEGS软件的模拟结果比公式计算结果明显偏低，相对偏差在56%～62%之间，主要是考虑了土壤分层造成的。表层土壤电阻率较低，电位梯度在表层土壤的分布也会较低。

图4 地表电位梯度计算结果对比Fig. 4 Comparison of earth potential gradient calculated with 2 methods

2.3 保护效果模拟

为了验证深井阳极地床的保护效果，采用边界元的方法对实际站场的保护效果进行了模拟。模拟时的电化学边界条件均为现场实测，阳极地床选定为深井阳极地床，阳极井直径300 mm、井深39 m，井内阳极长度为24 m，阳极顶端距地表15 m。阳极地床输出3A电流时的站内埋地管道电位分布如图5所示。模拟结果显示，站内埋地管道均达到了良好的保护效果，且电位分布较均匀。局部地方电位偏正主要是由于站内接地网材质的差异造成的。

图5 保护效果的模拟结果Fig. 5 Results of cathodic protection simulation with BEM method

3 结论

采用CDEGS软件对Wenner′s四极法数据进行土壤分层时，能够得到与实际吻合较好的效果；CDEGS软件计算了接地电阻和地表电位梯度分布，考虑了不同深度土壤电阻率的差异，比采用阴极保护手册中公式计算的结果更接近实际情况；通过边界元算法对保护效果的模拟结果，验证了选定阳极地床的有效性。建议在以后的阴极保护系统设计时，可尝试采用CDEGS和边界元算法相结合的方式进行，以提高设计过程的精确性。

[1] 黄留群. 国内长输油气管道站场区域阴极保护技术概况[J]. 防腐保温技术，2009,17(3):20-25.

[2] SY/J 4006-1990 长输管道阴极保护工程施工及验收规范[S].

[3] GB/T 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].

[4] NACE SP0572-2007 Design,installation,operation and maintenance of impressed current deep anode beds[S].

[5] GB/T 21246-2007 埋地钢质管道阴极保护参数测量方法[S].

[6] 茅斌辉，彭世尼. 深井阳极地床设计中沿深度方向土壤电阻率的测试与分析[J]. 天然气与石油，2011,29(1):48-53.

A Design Example of Deep Well Anode Bed

HU Ya-bo1, ZHAO Jun2, LI Jian-jun1, PANG Xiao1

(1. PetroChina Pipeline Shenyang Longchang Pipeline Survey Centre, Shenyang 110034, China; 2. Pipeline Research Center of PetroChina, Langfang 065000, China)

Design of deep well anode bed has great effect on the operation of impressed current cathodic protection system. The design process of a deep well anode bed for regional cathodic protection system of a natural gas distribution station in Shandong was taken as an example. CDEGS software was firstly used to calculate the grounding resistance and earth potential gradient. The results will provide the reference for designing deep well anode bed in the future.

deep well anode bed; grounding resistance; earth potential gradient; CDEGS

2013-03-28

胡亚博(1988-)，助理工程师，硕士，从事油气管道的腐蚀控制技术的研究,13909838986,gdsyhyb@petrochina.com.cn

TG174; TE8

B

1005-748X(2015)03-0268-04