强制电流阴极保护阳极地床杂散电流干扰特性研究*

2021-11-08黄夏雨代敏雪韩宗芷董春娟曾策凡王书亮

中国安全生产科学技术 2021年10期

岑康，黄夏雨，代敏雪，韩宗芷，董春娟，曾策凡，王书亮

(1.西南石油大学土木工程与测绘学院，四川成都 610500；2.四川川港燃气有限责任公司成都分公司，四川成都 610051；3.四川川港燃气有限责任公司，四川成都 610000；4.西南石油大学新能源与材料学院，四川成都 610500)

0 引言

埋地钢质管道腐蚀防护问题是燃气管网安全运行的关键。实践证明，采用外防腐层和阴极保护相结合的方式能有效防止钢质管道腐蚀[1]。强制电流阴极保护是常用阴极保护方法之一，阳极地床是其重要组成部分，主要包括浅埋阳极地床和深井阳极地床2种类型。

浅埋阳极地床作为施工最为简单的1种阳极埋设形式，维修更换容易、成本相对较低，在早期阴极保护中得到广泛使用。但浅埋阳极地床存在占地面积大、保护电流分布范围小等问题[2]。近年来，深井阳极凭借保护范围广、占地面积小、在城区易于实施等优点[3]，逐步取代浅埋阳极地床，但存在施工复杂、造价高等缺点。由于阳极地床周围存在其它埋地金属管道、钢筋混凝土等未受阴极保护的金属构筑物，无论浅埋阳极还是深井阳极，都必然会给邻近金属构筑物带来一定程度的杂散电流干扰[4]，加速金属构筑物腐蚀，造成一定安全隐患。

目前，关于杂散电流干扰研究主要集中在地铁、电气化铁路、高压输电线路等产生的杂散电流对钢质油气管道等的影响[5-9]。针对直流杂散电流，已建立基于管地电位、地电位梯度等参数的干扰强弱程度判据，根据地电位梯度大小，将杂散电流干扰程度分为强中弱3个等级[10-13]。针对强制电流阴极保护阳极地床对邻近未受阴极保护金属构筑物杂散电流干扰的影响范围及严重程度，目前鲜有研究。

杂散电流干扰源复杂，如轨道交通、电力线路等杂散电流均会影响测试结果。因此，本文以无明显外界干扰源的典型深井阳极地床和浅埋阳极地床为研究对象，现场测试并对比分析地床附近地表电位梯度分布，量化评价杂散电流干扰范围及影响程度，以期为阳极地床类型选择、选址提供可靠依据，保障阳极地床邻近金属构筑物使用寿命及安全运行。

1 现场测试

1.1 测试对象

测试对象为典型深井阳极地床和浅埋阳极地床，分别位于简阳市郊和资阳市郊。2处地床地表附近平均土壤电阻率均为50 Ω·m，地床现场概貌与安装结构如图1所示。由图1(a)和图1(c)可知，深井阳极地床共安装4组分段预制式贵金属阳极体，每根阳极体长6 m，距地表最近的阳极体埋深为16 m；由图1(b)和图1(d)可知，浅埋阳极地床由30支高硅铸铁阳极体组成，每根阳极体长1.5 m，阳极体埋深1.2 m，阳极体埋设间距4 m。阳极地床工作参数见表1。

图1 阳极地床现场概貌与安装结构Fig.1 Field overview and installation structure of the anode ground beds

表1 阳极地床工作参数Table 1 Operating parameters of anode ground beds

1.2 测试方案

采用双参比电极法测试阳极地床地表电位梯度。具体测试方法为：将2支已配对的Cu/CuSO4参比电极插入土壤，若土壤干燥,需浇水湿润地面，以保证参比电极底部与土壤接触良好；按同等间隔3 m同时移动2支参比电极，测量2电极电位差，然后除以极距得到电位梯度。为统一方向，靠近阳极体一侧参比电极均接微电压差计正极，如图2所示。

图2 双参比电极法Fig.2 Double reference electrode method

测试前对阳极地床周围环境进行初步调研，选择土壤介质较均匀、测试距离足够长、易于检测的测试方向，使测试结果尽可能包含从高到低的电位梯度值。深井阳极地床以阳极井为中心，选择北偏东30°(方向1)、南偏东60°(方向2)、北偏西60°(方向3)3个方向测量地表电位梯度，如图3(a)所示；浅埋阳极的阳极体呈一字排布，在阳极体两侧选择4个方向进行地表电位梯度检测，方向分别为以阳极体末端为测试起点北偏东10°(方向1)和南偏西10°(方向2)，以及阳极体中点为测试起点北偏东10°(方向3)和南偏西10°(方向4)，如图3(b)所示。

图3 地表电位梯度测试方向Fig.3 Test directions of ground surface potential gradient

因测试环境存在其它杂散电流，如自然电场或周围其它干扰源电场产生杂散电流，使直接测试结果掺杂其它杂散电流电位梯度在测试方向上分量。为消除其它杂散电流对检测结果的影响，在恒电位仪无电流输出且阳极地床充分放电后,进行地表电位梯度测试,测得的地表电位梯度是除阳极地床杂散电流之外，其它外部杂散电流在测试方向上的电位梯度。同时,根据多次测试数据的重现性，判断阳极地床附近仅受稳定外部杂散电流干扰。在恒电位仪额定输出电流范围内，等间隔调节恒电位仪输出电流进行测试。当深井阳极地床恒电位仪输出电流分别为2,4,6,8 A时，浅埋阳极地床恒电位仪输出电流为0.3,1,2,3 A时，测量不同方向地表电位梯度,并分别与恒电位仪无电流输出的电位梯度值矢量合成，最终得到不同方向阳极地床杂散电流形成的地表电位梯度。

2 结果分析与讨论

2.1 深井阳极地床杂散电流干扰特性

以阳极井为中心，3个方向(方向1、2、3)地表电位梯度测试结果如图4所示。由图4可知，深井阳极地床地表电位梯度随测试点与阳极井中心距离增大，整体呈先增大后减小的变化趋势,测试结果与阳极电压锥衰减速率经验公式[13]计算结果相符。3个方向地表电位梯度峰值分别为62.15,34.36,32.33 mV/m，分别距阳极井15,12,3 m。方向1地表电位梯度峰值相对最高，因为方向1测试环境多为坡地，地表电位下降速率较快;与方向1、2相比，方向3地表电位梯度峰值位置距阳极井较近。由图3(a)可知，由于方向3的3～9 m处跨过混凝土道路，其电阻率比阳极井附近土壤电阻率高，又因电位梯度与土壤电阻率成正比[14]，因此该处地表电位梯度随土壤电阻率增大而升高；由图4(c)可知，在方向3距阳极井51 m处，地表电位梯度有明显陡增，因为此处跨越覆盖水泥板的田埂，地表土壤电阻率升高，导致地表电位梯度突变。

图4 深井阳极地床地表电位梯度分布Fig.4 Distribution of ground surface potential gradient of deep well anode ground bed

杂散电流干扰强弱判断指标见表2。结合图4和表2可知，阳极地床在测试距离内地表电位梯度基本均大于0.5 mV/m，属于杂散电流中干扰影响范围。因此，本文着重分析强干扰影响范围，深井阳极地床强干扰影响半径如图5所示。由图5(a)可知，随恒电位仪输出电流增大，深井阳极地床强干扰影响半径近似线性增长。其中，输出电流由2 A增大到4 A时，强干扰最大影响半径和平均影响半径增长速率达到最大，分别为10.8，12.4 m/A；然后2种影响半径以5 m/A的增长速率进一步扩大，在恒电位仪输出电流为8 A时分别达到90，75 m。城区埋地钢质燃气管道,存在施工质量差、防腐层破损严重等问题，恒电位仪输出电流甚至高达数十安培，导致深井阳极地床杂散电流强干扰最大影响半径远超过恒电位仪输出电流为8 A时的90 m。对图5(b)中深井阳极地床杂散电流强干扰平均影响半径进行拟合，函数关系如式(1)所示：

表2 杂散电流干扰强弱判断指标Table 2 Judgment indexes of stray current interference strength

图5 深井阳极地床强干扰影响半径Fig.5 Influence radius of strong interference for deep well anode ground bed

(1)

深井阳极拟合曲线可决系数R2=0.95，表明深井阳极拟合曲线与深井阳极平均影响半径值能较好吻合。

2.2 浅埋阳极地床杂散电流干扰特性

浅埋阳极地床4个方向地表电位梯度测试结果如图6所示。由图6可知，浅埋阳极地床与深井阳极地表电位梯度分布规律存在显著区别。随测试点与阳极体距离增大，浅埋阳极地床地表电位梯度整体呈递减趋势。越靠近阳极体，地表电位梯度越大。4个方向(方向1、2、3、4)地表电位梯度峰值分别为30.02，29.42，40.07，38.00 mV/m，远大于表2中强干扰电位梯度阈值。其中，方向3、4测试起点为阳极体中点，由于两侧阳极体电场对该段存在显著叠加效应，导致方向3、4地表电位梯度较大。因此浅埋阳极地床地表电位梯度最大值出现在以阳极体中点为测试起点的测试方向。此外，由于方向2、4靠近河道，土壤含水量高于周围土壤，使土壤电阻率下降[15]，导致方向2、4地表电位梯度低于方向1、3。

图6 浅埋阳极地床的地表电位梯度分布Fig.6 Distribution of ground surface potential gradient of shallow-buried anode ground bed

由图6和表2可知，该浅埋阳极地床中干扰影响区域超过测试范围。浅埋阳极地床强干扰影响半径，如图7所示。由图7(a)可知，随着恒电位仪输出电流增大，浅埋阳极地床最大影响半径和平均影响半径都近似线性增长，影响半径增长速率约10 m/A。在防腐层质量较差的埋地钢质燃气管道保护中，浅埋阳极地床强干扰影响半径可扩大到100 m以上。对图7(b)中浅埋阳极地床杂散电流强干扰平均影响半径进行拟合，得到其函数关系式：

图7 浅埋阳极地床强干扰影响半径Fig.7 Influence radius of strong interference for shallow-buried anode ground bed

(2)

浅埋阳极拟合曲线可决系数R2=0.98，证明浅埋阳极拟合曲线与浅埋阳极平均影响半径值拟合较好。

2.3 阳极地床影响范围对比

当深井阳极地床和浅埋阳极地床恒电位仪输出电流均为2 A时，分别计算深井阳极3个方向地表电位梯度和浅埋阳极地床4个方向地表电位梯度平均值，2者平均地表电位梯度分布如图8(a)所示。由图8(a)可知，浅埋阳极地表电位梯度峰值远大于深井阳极。但在距阳极体埋设位置20 m处，浅埋阳极地表电位梯度已衰减至接近深井阳极地表电位梯度，表明浅埋阳极地表电位梯度衰减速率更快。这是因为阳极地床等电势线在阳极体附近分布最为密集，随距离增加，等电势线逐渐稀疏。深井阳极地床距地面最近阳极体覆土厚度为16 m，电流在从阳极体流出到达地表过程中已趋于均匀分布，等电势线同样如此。因此，深井阳极地床地表电位梯度峰值和衰减速率均小于浅埋阳极地床地表电位梯度。

图8 阳极地床杂散电流干扰特性Fig.8 Characteristics of stray current interference of anode ground beds

深井阳极地床和浅埋阳极地床杂散电流强干扰平均影响半径对比，如图8(b)所示。由图8(b)可知，深井阳极地床强干扰平均影响半径大于浅埋阳极地床，且为浅埋阳极地床的2倍。这是由于深井阳极地表电位梯度衰减速率较慢，而强干扰范围较大。

因此，从减小阳极地床对邻近金属构筑物杂散电流干扰的角度看，在敷设条件允许情况下，强制电流阴极保护系统宜优先选用浅埋阳极地床。但因敷设环境受限时，例如地表狭小或地表土壤电阻率高等情况，宜优先选用深井阳极地床。通过适当增加井深方式减小地表电位梯度，尽可能降低深井阳极杂散电流对邻近金属构筑物的干扰。同时，这种处理方式也可降低阳极体接地电阻，进而降低电源输出功率，节约电费。此外，针对重要受干扰金属构筑物，也可考虑采用针对性的排流保护等方式，以排除阳极地床杂散电流干扰影响。