深井陽極地床設(shè)計的實例分析

胡亞博,趙 君,李建軍,龐 笑

(1. 中石油管道沈陽龍昌管道檢測中心,沈陽 110034； 2. 中石油管道科技研究中心，廊坊 065000)

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深井陽極地床設(shè)計的實例分析

胡亞博1,趙 君2,李建軍1,龐 笑1

(1. 中石油管道沈陽龍昌管道檢測中心,沈陽 110034； 2. 中石油管道科技研究中心，廊坊 065000)

強制電流陰保系統(tǒng)是油氣站場內(nèi)埋地管道防腐蝕系統(tǒng)的重要組成部分。以山東某輸氣站場內(nèi)區(qū)域陰保系統(tǒng)深井陽極地床的設(shè)計過程為例，首次將CDEGS軟件應(yīng)用到陽極接地電阻和地表電位梯度的計算過程中，旨在為以后深井陽極地床的設(shè)計提供借鑒。

深井陽極地床;接地電阻;地表電位梯度;CDEGS

隨著完整性管理理念的提出，對埋地長輸油氣管道站場區(qū)域陰保系統(tǒng)的設(shè)計和管理提出了更高的要求。在近幾年中石油召開的各種防腐蝕技術(shù)會議上，來自業(yè)內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)和專家多次呼吁加強對站場區(qū)域陰保的重視[1]。目前國內(nèi)各管道運營公司正投入大量的人力物力對原來的站場進行改造，安裝區(qū)域陰保系統(tǒng)。陽極地床的設(shè)計優(yōu)劣往往關(guān)系著整個陰保系統(tǒng)設(shè)計的成敗。強制電流陰保系統(tǒng)常用的陽極地床主要包括：柔性陽極地床、淺埋陽極地床和深井陽極地床。柔性陽極地床動土面積大，在已建站場中應(yīng)用時容易造成站內(nèi)設(shè)施損壞；淺埋陽極地床容易產(chǎn)生屏蔽和干擾，保護電位分布不均勻；深井陽極地床具有施工區(qū)域小且保護電位分布相對均勻的特點，得到了廣泛的應(yīng)用。

在進行深井陽極地床設(shè)計和日常維護管理時，有兩個重要的參數(shù)：接地電阻和地表電位梯度。SY/J 4006-1990[2]中規(guī)定，接地電阻不宜大于1 Ω。GB/T 21448-2008[3]中規(guī)定，地床的遠地電阻值應(yīng)與所選擇陰保設(shè)備的輸出功率相匹配，由需要的最大保護電流與地床遠地電阻計算得到的電壓值應(yīng)不超過陰極保護設(shè)備額定電壓值的70%。陽極地床附近的地表電位梯度應(yīng)小于5 V/m。美國防腐蝕工程師協(xié)會(NACE)標準SP 0572-2007[4]中也明確規(guī)定，陽極地床選址時應(yīng)考慮土壤電阻率情況，不能對附近的外部構(gòu)筑物產(chǎn)生雜散電流干擾。當(dāng)陽極地床在外部結(jié)構(gòu)物附近引起的地電位升高超過0.6 V時，容易產(chǎn)生干擾。Rogelio以地電場分布理論為基礎(chǔ)，給出了多支并聯(lián)淺埋陽極地床可能產(chǎn)生的地表電位梯度計算公式，但沒有考慮土壤電阻率分層的影響。CDEGS軟件可以進行任意水平均勻分層土壤的參數(shù)、接地電阻、地表電位梯度的求解，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛和最權(quán)威的。本工作以山東某輸氣站場區(qū)域陰保系統(tǒng)的設(shè)計為例，首次將CDEGS軟件的模擬引入到陽極地床的設(shè)計中，并取得了良好的效果。

1 土壤分層結(jié)果

在計算陽極地床的接地電阻前，首先應(yīng)測試現(xiàn)場土壤在不同深度位置的土壤電阻率情況。目前，現(xiàn)場土壤電阻率的測試主要包括鉆井取巖心測試方法和Wenner's四極法。鉆探測井取巖心能夠清楚地確定地下的地質(zhì)條件和土壤電阻率分布，但耗費較大，而且在多數(shù)的設(shè)計過程中不具備實施條件。Wenner′s四極法的數(shù)學(xué)模型為兩個電流極在土壤中形成電流場，在兩個電位極(內(nèi)電極)之間形成電位差，這個電位差與電流極入土的電流量以及周圍的土壤電阻率成一定數(shù)學(xué)關(guān)系，測試原理如圖1所示[5]。從地表至深度為a的土壤電阻率為：

(1)

式中:ρ為從地表至深度a土層的平均土壤電阻率；a為相鄰兩電極之間的距離；R為接地電阻儀示值。

圖1 土壤電阻率測試示意圖Fig. 1 Illustration of measurement of soil resistivity with Wenner′s four pole method

Wenner′s四極法現(xiàn)場操作方便，而且測試結(jié)果能夠反映地下不同地層的分布，在地質(zhì)物探方面得到了廣泛的應(yīng)用。綜合考慮各方面因素，此次工程前期采用Wenner′s四極法測試了地表以下40 m范圍內(nèi)不同深度的土壤電阻率。但測試得到的土壤電阻率均為視在土壤電阻率，是多層土壤平均作用的結(jié)果。美國防腐蝕工程師協(xié)會(NACE)推薦采用巴恩斯方法計算分層的土壤電阻率：

(2)

式中:s為分層厚度；Ri-1為前i-1層的平均電阻；Ri為前i層的平均電阻。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，采用巴恩斯方法得到的土壤電阻率分層結(jié)果見表1。按照巴恩斯方法，在8 m以下土壤電阻率波動較大，而且出現(xiàn)負值。根據(jù)以往鉆勘探井的經(jīng)驗，負值位置多可能存在巖石層等高電阻率介質(zhì)[6]。如果依舊采用常用的公式計算接地電阻，如何選擇合適的土壤電阻率值進行計算就成為了一個問題。CDEGS軟件采用反演的方法對土壤進行分層，具有很高的精度。采用CDEGS軟件可以將土壤分為2層：表層0～10 m厚度的土壤電阻率較小，10 m以下土壤電阻率較高。分層結(jié)果與實測結(jié)果的吻合程度較好，相對偏差僅為5.532%。分輸站內(nèi)原有的138 m水井竣工資料中的地質(zhì)勘探結(jié)果顯示：地下0～13.5 m為粉質(zhì)粘土、13.5 m以下為破碎巖石層，30 m以下含水。兩者吻合較好，說明CDEGS軟件模擬結(jié)果具有可信性，在以后的計算過程中更具可操作性。

表1 土壤電阻率分層結(jié)果

2 陽極地床的設(shè)計

2.1 接地電阻計算

陽極擬采用預(yù)包裝的MMO管狀陽極，陽極周圍為焦炭包裹。計算時，陽極井直徑選定為300 mm，單支陽極的長度為6 m，最上面一支陽極距離地表15 m。分別計算了安裝2支、3支、4支、5支陽極時的接地電阻值，如圖2所示。隨著陽極支數(shù)的增加，接地電阻降低。按照圖2中的計算結(jié)果，每增加一支陽極，陽極井深度增加6 m，陽極接地電阻值降低17%～29%不等。陽極接地電阻降低，恒電位儀在后期運行過程中的耗電量降低，但施工期間的安裝費用會相應(yīng)增加。因此，在進行陽極地床的設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和供電條件，力求達到最高的經(jīng)濟效益。

2.2 地表電位梯度計算

根據(jù)該輸氣站場的規(guī)模，參考相似站場的輸出和軟件模擬結(jié)果，將所需的陰保電流大小確定為3 A。在不考慮陽極周圍其他埋地結(jié)構(gòu)造成的電場畸變的條件下，采用CDEGS軟件計算了陽極地床周圍的地電場分布情況。圖3是計算得到的不同陽極支數(shù)條件下的地表電位梯度結(jié)果。隨著陽極數(shù)量和陽極井深度的增加，地表電位梯度降低。按照圖3(d)中的計算結(jié)果，安裝5支MMO陽極時，距離陽極地床50 m×50 m模擬范圍邊緣的地電位升高<0.6 V。為了減少陽極地床可能對干線管道產(chǎn)生的干擾，陽極地床位置在選址時應(yīng)遠離干線管道25 m以上。

圖2 接地電阻隨陽極支數(shù)的變化Fig. 2 Calculation of grounding resistance with different numbers of anodes installed

(a) 2支陽極 (b) 3支陽極

(c) 4支陽極 (d) 5支陽極圖3 CDEGS軟件計算得到的地電場分布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

參考陰極保護手冊中的計算公式，可以按照下式計算地表電位梯度分布:

(3)

式中：Ur為陽極周圍的地電位升高值；I為陽極輸出電流；ρ為土壤電阻率；l為陽極長度；t為陽極頂端埋深；r為距離陽極中心的距離。

以陽極地床周圍半徑10 m范圍內(nèi)的地電場計算為例，公式計算與CDEGS軟件模擬結(jié)果的對比如圖4所示。CDEGS軟件的模擬結(jié)果比公式計算結(jié)果明顯偏低，相對偏差在56%～62%之間，主要是考慮了土壤分層造成的。表層土壤電阻率較低，電位梯度在表層土壤的分布也會較低。

圖4 地表電位梯度計算結(jié)果對比Fig. 4 Comparison of earth potential gradient calculated with 2 methods

2.3 保護效果模擬

為了驗證深井陽極地床的保護效果，采用邊界元的方法對實際站場的保護效果進行了模擬。模擬時的電化學(xué)邊界條件均為現(xiàn)場實測，陽極地床選定為深井陽極地床，陽極井直徑300 mm、井深39 m，井內(nèi)陽極長度為24 m，陽極頂端距地表15 m。陽極地床輸出3A電流時的站內(nèi)埋地管道電位分布如圖5所示。模擬結(jié)果顯示，站內(nèi)埋地管道均達到了良好的保護效果，且電位分布較均勻。局部地方電位偏正主要是由于站內(nèi)接地網(wǎng)材質(zhì)的差異造成的。

圖5 保護效果的模擬結(jié)果Fig. 5 Results of cathodic protection simulation with BEM method

3 結(jié)論

采用CDEGS軟件對Wenner′s四極法數(shù)據(jù)進行土壤分層時，能夠得到與實際吻合較好的效果；CDEGS軟件計算了接地電阻和地表電位梯度分布，考慮了不同深度土壤電阻率的差異，比采用陰極保護手冊中公式計算的結(jié)果更接近實際情況；通過邊界元算法對保護效果的模擬結(jié)果，驗證了選定陽極地床的有效性。建議在以后的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計時，可嘗試采用CDEGS和邊界元算法相結(jié)合的方式進行，以提高設(shè)計過程的精確性。

[1] 黃留群. 國內(nèi)長輸油氣管道站場區(qū)域陰極保護技術(shù)概況[J]. 防腐保溫技術(shù)，2009,17(3):20-25.

[2] SY/J 4006-1990 長輸管道陰極保護工程施工及驗收規(guī)范[S].

[3] GB/T 21448-2008 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S].

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

[5] GB/T 21246-2007 埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法[S].

[6] 茅斌輝，彭世尼. 深井陽極地床設(shè)計中沿深度方向土壤電阻率的測試與分析[J]. 天然氣與石油，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

胡亞博(1988-)，助理工程師，碩士，從事油氣管道的腐蝕控制技術(shù)的研究,13909838986,gdsyhyb@petrochina.com.cn

TG174; TE8

B

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