深井陽(yáng)極對(duì)地下金屬構(gòu)筑物的影響及措施

劉元洪

(四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610213)

地處重慶的渝北區(qū)的中心城區(qū)的兩路保護(hù)站，目的是為站外的φ720管線、φ711管線、φ529管線、φ426管線提供陰極保護(hù)。由于當(dāng)?shù)赝恋刭Y源緊缺和有效利用，原站外陽(yáng)極地床所占地被征用，陽(yáng)極地床的新選址范圍只能在站內(nèi)原征地范圍內(nèi)，具體位置位于工藝區(qū)外40 m的綠化帶。陰極保護(hù)站投產(chǎn)后，陽(yáng)極地床對(duì)附近埋地金屬構(gòu)筑物的產(chǎn)生了直流干擾影響，本文分析原因并提出建議措施。

1 深井陽(yáng)極地床的選用

本站采用雙陽(yáng)極井措施，陽(yáng)極井間的距離不小于陽(yáng)極長(zhǎng)度的2倍，陽(yáng)極體埋設(shè)在地面下40 m的含水層，每座深陽(yáng)極地床井深不小于40 m，采用閉孔陽(yáng)極地床，每座深陽(yáng)極安裝3組分段預(yù)制式陽(yáng)極體，共6組該陽(yáng)極體，陽(yáng)極具體結(jié)構(gòu)如下:

(1)陽(yáng)極組合體為外徑φ219 mm，長(zhǎng)6 m的鋼套管(20號(hào)鋼);每組陽(yáng)極體內(nèi)串接有3支采用以鈦為基體材料，表面覆蓋貴金屬氧化物組成的鈦鍍貴金屬氧化物陽(yáng)極。

(2)貴金屬氧化物陽(yáng)極直徑為25 mm;單支陽(yáng)極長(zhǎng)度為1000 mm，重量320 mg;執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM B338一級(jí)鈦(或GB/T3620 TA2);氧化膜為 IrO/TaO(氧化銥/氧化鉭)。

(3)陽(yáng)極體應(yīng)采用在工廠預(yù)先封裝，貴金屬氧化物陽(yáng)極周圍應(yīng)填充高純度、低阻抗碳素填料，填充應(yīng)密實(shí)。電纜在陽(yáng)極筒內(nèi)連接，接觸電阻小于 0.01 Ω。

圖1 深井陽(yáng)極安裝布置圖Fig.1 Deep anode installation layout(mm)

2 測(cè)試

2.1 兩路陰極保護(hù)站的設(shè)置

PS-1恒電位儀2臺(tái)(1用1備)，陰極保護(hù)控制臺(tái)1臺(tái)(4路輸出通道)。陰極保護(hù)站輸出情況見表1、表2。

表1 陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果(分別送電)Table1 Cathodic protection parameters test results(respectively transmission)

表2 陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果(同時(shí)送電)Table2 Cathodic protection parameters test results(sent simultaneously power)

2.2 站外測(cè)試樁測(cè)試情況見表3

表3 第一個(gè)檢測(cè)樁測(cè)試參數(shù)(同時(shí)送電)Table3 First detected pile test parameters(sent simultaneously power

2.3 深井陽(yáng)極陽(yáng)極干擾情況

具體測(cè)試見表4，陽(yáng)極干擾區(qū)地電位梯度測(cè)試見表5。

表4 其它金屬構(gòu)筑物地電位參數(shù)Table4 Deep anode ground around the parameters of other metal structures

表5 地電位梯度測(cè)試結(jié)果Table5 Test results of Ground potential gradient

3 問(wèn)題分析

3.1 深井陽(yáng)極干擾

一般，深井陽(yáng)極地電場(chǎng)干擾電壓可用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:l—陽(yáng)極長(zhǎng)度(含填料)，m;

ρ—陽(yáng)極區(qū)土壤電阻率，(Ω·m);

t—埋深(填料頂部距地表面，m;

r—距離工藝裝置區(qū)，m;

I—陽(yáng)極輸出電流，A;

Ur—地電場(chǎng)電壓，V。

兩路深井陽(yáng)極埋深t=23 m，陽(yáng)極長(zhǎng)度l=18 m，距離工藝裝置區(qū)r=38 m，土壤電阻率ρ=30 Ω·m。經(jīng)計(jì)算，兩路陰極保護(hù)站2組深井陽(yáng)極在工藝裝置區(qū)產(chǎn)生的地電場(chǎng)迭加干擾電壓見表6。

表6 兩路站距離深井陽(yáng)極38 m處陽(yáng)極干擾電壓Table6 Lianglu Station 38m from deep anode voltage at the anode interference calculation

當(dāng)陰極保護(hù)電流輸出為7 A時(shí)，10～40 m范 圍內(nèi)地電場(chǎng)迭加干擾電壓見表7。

表7 兩路站距離深井陽(yáng)極5～40 m陽(yáng)極干擾電壓Table7 Lianglu Station 5～40 m deep well anode voltage anode interference calculation

當(dāng)?shù)仉妶?chǎng)干擾電壓＜500 mV，且造成的干擾段管道陽(yáng)極極化區(qū)極化電位＜100 mV時(shí)，不會(huì)造成不可接受的后果。此時(shí)，受干擾管段的陽(yáng)極極化區(qū)腐蝕速度約等于鋼鐵的自然腐蝕速度。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，當(dāng)輸出電流降低至5.7 A時(shí)，兩路站站內(nèi)工藝裝置接近深井陽(yáng)極端陰極極化約－50 mV，遠(yuǎn)端陽(yáng)極極化＜100 mV。此時(shí)站內(nèi)埋地工藝裝置受到輕微的陽(yáng)極干擾。另外，站內(nèi)水管線距離深井陽(yáng)極較近(4～10 m)，受到的陽(yáng)極干擾電壓約1～1.5 V，該水管線接近深井陽(yáng)極端陰極極化約-100 mV，遠(yuǎn)端陽(yáng)極極化110～150 mV，陽(yáng)極干擾現(xiàn)象明顯。

為保證輔助陽(yáng)極干擾電壓＜500 mV，陰極保護(hù)輔助陽(yáng)極地床和埋地管道的安全間距也需要滿足:間距＞陽(yáng)極長(zhǎng)度0.65×陽(yáng)極電壓。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)兩路陰極保護(hù)站深井陽(yáng)極電壓不大于6.78 V時(shí)，站內(nèi)工藝裝置受到的陽(yáng)極干擾電壓小于500 mV。

通過(guò)以上分析，可以確認(rèn)兩路站站內(nèi)工藝裝置區(qū)管道受到深井陽(yáng)極的陽(yáng)極干擾。因此，采取有效的排流措施可以消除或緩解陽(yáng)極干擾對(duì)站內(nèi)埋地管道造成的危害。

3.2 斷電電位

對(duì)于兩路陰極保護(hù)站斷電電位未完全達(dá)到－850 mV，認(rèn)為主要涉及測(cè)試條件和陽(yáng)極干擾問(wèn)題。

首先，由于應(yīng)用斷電技術(shù)和有關(guān)方法進(jìn)行無(wú)IR降電位測(cè)試的條件受到客觀條件的制約:雜散電流、電偶電流、在線犧牲陽(yáng)極、高壓交流干擾、其它陰極保護(hù)站未同步斷開輸出電流等都會(huì)造成所測(cè)試的斷電電位不真實(shí)或誤差很大，不能真實(shí)反映管道在通電狀況下的陰極極化程度。例如，φ529管線沿線設(shè)置的犧牲陽(yáng)極就會(huì)對(duì)該管線斷電電位測(cè)試造成較大的影響。

其次，對(duì)于兩路站在通電點(diǎn)處受到陽(yáng)極干擾較大的管段，陽(yáng)極干擾會(huì)造成較大的IR降，以至于需要較高的通電點(diǎn)測(cè)試電位才能使得管道的陰極極化達(dá)到需求。此時(shí)，隨著管道遠(yuǎn)離陽(yáng)極干擾區(qū)，陽(yáng)極干擾造成的IR降會(huì)逐步降低。

另外，陽(yáng)極干擾區(qū)內(nèi)站內(nèi)埋地管道會(huì)消耗部分陰極保護(hù)電流，引起陰極保護(hù)電流不能有效分配到保護(hù)管道，造成保護(hù)管道陰極極化不足的現(xiàn)象。

4 處理措施

在站內(nèi)陽(yáng)極干擾區(qū)內(nèi)查明埋地管道陽(yáng)極極化區(qū)(一般位于距離深井陽(yáng)極干擾區(qū)的遠(yuǎn)端或干擾電流流出通道較好處)，在陽(yáng)極極化區(qū)與保護(hù)管道之間用二極管和可變電阻連接，消除站內(nèi)埋地管道受陽(yáng)極干擾產(chǎn)生的陽(yáng)極極化現(xiàn)象，并把陰極保護(hù)電流引回保護(hù)管道，改善保護(hù)管道的陰極保護(hù)效果。具體措施如下:

(1)提高陽(yáng)極區(qū)附近的地下金屬構(gòu)筑物的防腐層質(zhì)量，其絕緣電阻不低于50000 Ω·m2。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管地電位檢測(cè)，查明站內(nèi)陽(yáng)極極化區(qū)分布。

(3)在恒電位儀器允許條件下，提高給定電位，確保斷電位不超過(guò)-1.15 V。

(4)在保護(hù)管道和陽(yáng)極極化區(qū)之間，或絕緣法蘭之間，用“二極管和0.2～2 Ω可變變阻”連接，調(diào)節(jié)可變電阻，消除陽(yáng)極極化區(qū)偏移電位;

(5)兩路站進(jìn)出各管道相關(guān)陰極保護(hù)站設(shè)置同步通斷控制器，對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)管段實(shí)施斷點(diǎn)電位測(cè)試，驗(yàn)證干擾排流后對(duì)陰極保護(hù)站運(yùn)行工作的影響。

排流技術(shù)可控制陽(yáng)極干擾帶來(lái)的負(fù)面影響，在維持兩路陰極保護(hù)站正常輸出條件下，深井陽(yáng)極產(chǎn)生的陽(yáng)極干擾不會(huì)對(duì)站內(nèi)管道形成有危害性的陽(yáng)極極化區(qū)。同時(shí)，該方案也有利于改善保護(hù)電流分配。

[1]W.v.貝克曼.陰極保護(hù)手冊(cè)—〈電化學(xué)保護(hù)理論與實(shí)踐〉，第3版[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:386.