深井阳极地床在西北地区的设计与应用

胡亚博，田宏革，王沂沛，周 桐，张海龙，王洪志

（沈阳龙昌管道检测中心，辽宁沈阳110000）

深井阳极地床在西北地区的设计与应用

胡亚博，田宏革，王沂沛，周 桐，张海龙，王洪志

（沈阳龙昌管道检测中心，辽宁沈阳110000）

鉴于国内西北地区多风沙、土壤干燥的特点，结合工程设计和应用实例，研究了深井阳极地床在西北地区某长输管道阴极保护工程中的适用性，重点分析了深井阳极地床的设计流程。采用深井阳极地床对原有浅埋阳极地床进行替换，减小了风沙侵蚀对阳极接地电阻可能产生的影响。

深井阳极地床 油气管线 阴极保护

深井阳极地床是指阳极顶端距离地表大于15 m，以提供阴极保护的阳极地床形式。1986年，JF Tatum在青岛国际腐蚀控制研讨会上首次向国内介绍了深井阳极地床技术，同年华东电力设计院在某区域阴极保护工程中设计应用了23眼40～45 m的深井阳极地床［1］。近年来深井阳极地床技术不断发展，为了克服深井阳极地床维修困难的特点，LORESCO公司研发了可更换深井阳极地床技术。MATCOR公司的Durammo深井阳极地床技术被称为“20世纪阴极保护工业最重要的发明”。国内近年来在深井阳极地床方面也出现了大量专利，几乎涵盖了各种地床形式。据报道，国内技术人员自主研发的分段预制式阳极井体［2］的性能指标已经超过LORESCO公司的同类产品。深井阳极地床具有占地少、接地电阻小、电流分布均匀、干扰小和工作稳定等优点，但对地质条件要求高并且单井施工成本也相对较高。

某输油站场位于中国西北地区，地处中温带干旱气候区，雨雪稀少、气候干燥、风大沙大，年平均降水量200 mm以下，年平均蒸发量1 584.9 mm。该站场同时兼具阴极保护站的功能，最初采用浅埋的石墨阳极地床为干线管道提供阴极保护电流，但阳极接地电阻常常过高导致恒电位仪电压超限报警。采用降阻剂在地床附近降阻后也仅能维持几天，风沙过后阳极电阻又会变得很高。为此，拟采用深井阳极地床对原来的浅埋地床进行替换。以地质钻探结果和土壤电阻率测试结果为基础，详细介绍了此次工程中深井阳极地床的设计过程。

该阴极保护站所保护管道投产于2001年，管径273 mm，采用PE防腐层。电流需求参考地床降阻后恒电位仪正常运行时的输出参数（见表1），管道沿线电位均能满足要求。为了保证一定的裕量以适应后期防腐层的老化和破损，在后面的计算中，将电流需求设定为4 A。

1 地质勘查和土壤电阻率测试结果

按照 GB／T 21448—2008［3］和 SY／T 0096—2013［4］中的要求，在深井阳极地床设计前进行了地质条件勘查和不同深度土壤的电阻率测试。

1.1 地质勘查结果

地质勘查采用钻机钻孔，勘查结果显示，除填土外，勘查深度范围内均为第四系黄河冲积和冲洪积相地层。地层自上而下可分为5层，依次为填土、卵石、粉土、卵石和细砂。各层的厚度及埋深如表1所示。φ273 mm的阳极井成井位于1～3层的填土、卵石和粉土层，在施工过程中容易塌孔，成井性能差；位于4～5层的卵石和细砂较密实，土层较稳定，成井性能较好。在深井阳极地床施工过程中，应采用泥浆护壁以防止出现塌孔。该地区地下水属第四系松散孔隙潜水类型，主要含水层为位于第4层的卵石和第5层的细砂层。地下水补给以大气降水为主。勘察期间为丰水季节，实测稳定水位埋深为18.2 m，年变化幅度为0.5～1.0 m。地下水层属单一潜水含水层，在勘察范围深度60 m内不存在地下含水层串层的可能性。根据现场调研结果，该地区最大冻结深度为0.8 m。

表1 地层统计

1.2 土壤电阻率测试结果

在勘探钻孔位置附近选择4处进行土壤电阻率测试。测试时采用WDDS-1数字电阻率测试仪，测试深度60 m，通过软件模拟进行土壤分层，测试结果如表2所示。由表2可知，6 m以上土层的电阻率较高且变化范围较大，其值为70～437Ω·m，不适宜采用浅埋阳极地床；6 m以下土层电阻率较低且较稳定，其值为20～40Ω·m。

表2 土壤电阻率测试结果

2 阳极地床设计

深井阳极地床在使用过程中，在电渗透和电解水的作用下表面趋于干燥，而且电解反应产生的氧气和氯气等在阳极表面及阳极井内聚集也会导致气阻效应。因此，深井阳极地床都会附带排气管，并控制阳极的电流输出。阳极在不同环境中输出电流的上限值如表3所示。当阳极位于地下水以下时，允许的电流密度为3.22 A／m2。以预包装的MMO金属氧化物阳极为例进行计算，需要的阳极长度为2 m。市场上的深井用预包装MMO阳极多为6 m长度，内部串联的3支MMO阳极周围以焦炭填充。导线绝缘效果的好坏会直接影响深井阳极地床的使用寿命，一旦导线绝缘层破损，暴露的金属导线很快就会因电解腐蚀而断裂［5］。考虑到闭孔深井阳极地床后期更换困难，为了降低电缆断裂对地床使用寿命的影响，拟在阳极地床中安装2支6 m长的预包装MMO阳极。

表3 阳极输出电流的上限值

阳极地床的接地电阻是设计过程中应该关注的另一个主要因素。根据现场勘查和土壤电阻率的测试结果：6 m以上土层的电阻率较高且变化范围较大，其值为70～437Ω·m；6 m以下土层电阻率较低且较稳定，其值为20～40Ω·m；18 m以下开始出现地下水。阳极地床接地电阻随阳极埋深的变化而变化（见图1）。随着阳极埋深的增加，接地电阻降低，但整体变化不大，维持在1.3 Ω左右。按照 GB／T 21448—2008［3］5的规定，地床的远地电阻值应与所选择设备的输出功率相匹配，通过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%。现场安装恒电位仪的额定电压为50 V，预估的保护电流为4 A，阳极1.3Ω的接地电阻值已可以满足该要求。阳极拟设定在稳定地下水位以下，埋深18 m。

图1 阳极接地电阻随阳极埋深的变化

深井阳极地床的一个典型特点就是通过深度方向的延伸，使阳极地床相对于被保护对象成为远阳极。既可以减少屏蔽，还可以减少对外部结构可能产生的干扰。Morgan［6］研究表明，当外部埋地结构附近的土壤与远地点电位差为1.5 V时，外部埋地结构上出现明显干扰；电位差为0.3 V时，干扰不明显。目前NACE通常认为，接地电位变化超过0.5 V时，才会产生干扰。当外部埋地结构附近的土壤与远地点电位差占阳极顶端土壤与远地点电位差的5%时，可以认为外部埋地结构相对于阳极地床为远方大地，不易出现干扰。基于安全考虑国标中也要求阳极地床区域的地表电位梯度低于5 V／m［3］6。阳极地床在不同埋深条件下产生的地表电位梯度变化见图2。阳极埋深18 m时在地表产生的地电位梯度更小，更适合安全和远地的使用要求。

图2 阳极地床附近的地电位梯度变化

3 结论与建议

以地质勘查和土壤电阻率测试结果为基础，详述了深井阳极地床的设计过程。在国内西北地表土壤以砂石为主的地区，土壤电阻率大且易随风沙天气波动，采用深井阳极地床比浅埋阳极地床更具优势。不仅接地电阻随天气变化小，而且阴极保护电流分布更加均匀，保护距离更长，可能产生的干扰也较少。

［1］ 武烈，路江安，马新民，等.中国大庆地区三种不同类型深井阳极地床的“气阻效应”与结构、材料、工艺的工程技术应用研究［C］／／第三届中国国际腐蚀控制大会论文集.［出版地不详］：［出版者不详］，2005：164-169.

［2］ 武烈，陈仁兴.分段预制式阳极井体：96228997.3［P］.1998-04-29.

［3］ 胡士信，张本革，石薇，等.埋地钢质管道阴极保护技术规范：GB／T 21448—2008［S］.北京：中国国家标准化管理委员会，2008.

［4］ 邢凤荣，孟凡彬，李雪，等.SY／T 0096—2013强制电流深阳极地床技术规范［S］.北京：石油工业出版社，2013.

［5］ 王芷芳，段蔚，李夏喜.有关深井阳极的几个问题［J］.腐蚀与防护，2004，25（11）：480-482.

［6］ John Morgan.Cathodic protection［M］，Houston：NACE publication，1993：75-77.

Design and Application of Deep Well Anode Ground Bed in the Northwest Area

Hu Yabo，Tian Hongge，Wang Yipei，Zhou Tong，Zhang Hailong，Wang Hongzhi
（Shenyang Longchang Pipeline Inspection Center，Shenyang 110000，China）

Combined with engineering design and application example，application of deep well anode ground bed was studied on a cathodic protection project of long-distance pipeline in the northwest；design flow of deep well anode ground bed was analyzed emphatically.The shallow buried anode ground bed was replaced by deep well anode ground bed so as to reduce the influence brought by the sand erosion on anode grounding resistance.

deep well anode ground bed，oil and gas pipeline，cathodic protection

2017-06-20；修改稿收到日期：2017-09-21。

胡亚博（1988—），工程师，硕士，主要从事油气管道腐蚀与防护、检测方向的工作。E-mail：huyabo1988＠aliyun.com

（编辑 王菁辉）