四極法電阻率測(cè)量在石油管道防腐蝕中的應(yīng)用

許 越，劉兆彬

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266590)

四極法電阻率測(cè)量在石油管道防腐蝕中的應(yīng)用

許 越，劉兆彬

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266590)

土壤電阻率是地下石油管道一個(gè)重要的腐蝕性指標(biāo)，因?yàn)楣艿赖母g程度和土壤電阻率的大小密切相關(guān)。本文介紹了四極法電阻率測(cè)量的原理和實(shí)施過(guò)程，并應(yīng)用于某石油管道周?chē)寥赖目睖y(cè)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)做了處理和分析，為輸油管道施工設(shè)計(jì)的防腐蝕提供了科學(xué)依據(jù)。

土壤電阻率 土壤腐蝕 電極 四極法

Xu Yue, Liu Zhao-bin. Application of the four-electrode resistivity method to anti-corrosion design of oil pipelines[J].Geology and Exploration, 2016,52(3):0551-0555.

土壤電阻率和埋藏在土壤中的輸油管道的腐蝕程度有著密切的關(guān)系(郭海旺，1993；宋光玲等，1993)。土壤電阻率是表征受腐蝕管道影響的周?chē)寥罓顩r的一個(gè)重要物理參數(shù)。本文結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用高密度電法中的四極法對(duì)土壤電阻率進(jìn)行測(cè)試，從而為土壤中輸油管道的接地設(shè)計(jì)提供方法和技術(shù)。

1 工程概述

測(cè)量工程地點(diǎn)位于山東省青島膠州青蘭高速沿線，沿黃濰石油管道預(yù)鋪設(shè)線路共選擇不同測(cè)點(diǎn)30個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)平均相距1000m～2000m左右，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)環(huán)境有所差異。由于橫向和縱向的土壤電阻率變化趨勢(shì)不同，實(shí)際測(cè)量時(shí)縱向要大于橫向的變化。結(jié)合不同的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和工程環(huán)境，測(cè)量出的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的分析。本技術(shù)不考慮土壤深層變化對(duì)土壤電阻率的影響，只對(duì)接地裝置幾米以?xún)?nèi)的上層土壤層測(cè)量研究。

2 測(cè)量方法

目前，工程中常用的測(cè)量土壤電阻率的方法很多。常用的方法主要有：兩極法、三極法、四極法、土壤試樣分析法和電磁測(cè)探等。四極法以其高效、便捷等適應(yīng)于工程的優(yōu)點(diǎn)成為了主要的方法。在電力和管道接地等工程中這種測(cè)量方法有著廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用這種方法可以根據(jù)電力和管道接地工程中的實(shí)際情況進(jìn)行有效的接地設(shè)計(jì)。因此，這種電法測(cè)試技術(shù)有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用和良好的工程效果，成為工程中重要的測(cè)試技術(shù)之一(王文龍等，1995； 祝應(yīng)宏等，2011；周密等2011)。四極法土壤電阻率測(cè)試基本工作方式是在同一直線上布置測(cè)量電極和供電電極的，其原理如圖1所示。

圖1 四極法土壤電阻率測(cè)試原理圖Fig.1 Schematic diagram of four-electrode method to measure soil resistivity

2.1 四極法測(cè)試土壤電阻率的工作原理

土壤電阻率作為土壤的基本物理特性之一，通常情況下，指在電場(chǎng)作用下，測(cè)量單位體積內(nèi)土壤的正方體相對(duì)兩面間的電流的導(dǎo)電性能。目前工程上的，取1m3的正方體土壤電阻值作為土壤電阻率ρ的標(biāo)準(zhǔn)，土壤電阻率用的單位為Ω·m。

同一地層或不同地層中的土壤成分和結(jié)構(gòu)都會(huì)影響運(yùn)用四極法進(jìn)行土壤電阻率的測(cè)試。一般通過(guò)接地電極將直流電直接供入地下來(lái)建立人工場(chǎng)。主要是通過(guò)在地表觀測(cè)某點(diǎn)垂直方向上的電阻率變化來(lái)分析，進(jìn)而了解地層，研究土壤電阻率的分布特點(diǎn)(張獻(xiàn)民等，1990；李富等，2006；雷宛等，2007；秦福剛等，2007；陳益杰，2009)。如圖 1的四極法土壤電阻率測(cè)試原理圖所示，其中MN、AB分別為測(cè)量電極和供電電極，當(dāng)供電電極開(kāi)始供電時(shí)用儀器測(cè)出供電電流I，然后在任意兩點(diǎn)M、N來(lái)測(cè)量期間的電位差，根據(jù)(1.1)式便可求出MN兩點(diǎn)的電位。

(1.1)

顯然，AB在MN間所產(chǎn)生的電位差為

(1.2)

通過(guò)上式可得到電阻率的計(jì)算公式為

(1.3)

其中ρ為土壤的電阻率，單位Ω·m;ΔU為測(cè)量電極間的電位差，單位mV； I 為供電回路的電流強(qiáng)度，單位mA；裝置系數(shù)用字母K來(lái)表示，其與供電和測(cè)量電極間距有關(guān)，單位為m，按下式計(jì)算：

(1.4)

2.2 四極法測(cè)試土壤電阻率的工作方法

測(cè)試布極時(shí)將四個(gè)測(cè)試接地電極以相等的間距打入地下，電極打入深度應(yīng)小于電極間距的5%?？紤]到每一測(cè)點(diǎn)土壤電阻率的不均勻性，本次測(cè)量采用高密電阻率溫納四極(AMNB)裝置測(cè)量方式，即AMNB等間隔排列。通常實(shí)際工作中測(cè)量的地層既不均勻也不同性，用視電阻率ρs來(lái)表示實(shí)際中測(cè)量的電阻率。

該系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量時(shí)的電極組合是通過(guò)電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)把點(diǎn)距設(shè)為x的時(shí)候，測(cè)量系統(tǒng)的電極距a=nx(n=1,2,3,…)，視電阻率的計(jì)算公式分別為：

(1.5)

具體測(cè)量方法為：首先沿著地面測(cè)線以固定點(diǎn)距布置一系列的電極，間距為x，由此可得測(cè)量裝置的電極間距為a=ix(i=1,2,…n)。通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)把相距為a的一組電極接到儀器上，裝置類(lèi)型也通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于ρs觀測(cè)要對(duì)該測(cè)點(diǎn)上各種裝置形式一次性完成。電極排列的記錄點(diǎn)取在中點(diǎn)位置，記錄深度為a，如圖2所示。一個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完后，緊接著進(jìn)行下一相鄰測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極的觀測(cè)，用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)完成不同間距的轉(zhuǎn)換，同一間距的整條剖面都要以同樣的方法進(jìn)行觀測(cè)。完成一個(gè)間距的測(cè)量之后，根據(jù)以上測(cè)量的步驟，多次測(cè)量不同間距的剖面。

圖2 測(cè)量點(diǎn)和深度記錄點(diǎn)圖Fig.2 Measurement points and depth record points

一般依據(jù)探測(cè)精度要求來(lái)進(jìn)行點(diǎn)距x的選擇，通常精度要求越大，x就越小。預(yù)期探測(cè)深度大小決定了最大電極距a=nx。探測(cè)精度要求是點(diǎn)距x的選擇的主要依據(jù)。

3 高密度電阻率法野外勘探方法研究

工程實(shí)踐證明，在高密度電法勘探工作中，野外數(shù)據(jù)采集是影響高密度電阻率法勘探的準(zhǔn)確性最主要的基礎(chǔ)工作。保證野外數(shù)據(jù)采集的高質(zhì)量效果的途徑是：在數(shù)據(jù)采集階段、接地電阻測(cè)試階段以及準(zhǔn)備階段要準(zhǔn)確仔細(xì)，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題做出有效的應(yīng)對(duì)措施，避免問(wèn)題的出現(xiàn)。

3.1 野外工作準(zhǔn)備階段

在開(kāi)展工作之前，首先對(duì)所使用的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行檢查，確保其能在野外的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，測(cè)量方法的可行性主要是通過(guò)研究勘探對(duì)象的物理性質(zhì)以及分布形態(tài)來(lái)確定。

電極間隔的均勻分布是高密度電法儀器設(shè)備的要求，比如電極距2.5m、5m 等。如果地面起伏太大，電極在水平位置上的偏差也隨之變大。采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到電極位置的影響，因?yàn)橐粋€(gè)電極的位置變化會(huì)影響后續(xù)電極的位置。為了減少因?yàn)殡姌O布設(shè)引起的故障和干擾，因此電極的布設(shè)應(yīng)一次性完成。

3.2 測(cè)點(diǎn)土壤電阻率的電極布置

本次電阻率測(cè)量目的是為輸油管道防腐設(shè)計(jì)而進(jìn)行的土壤電阻率測(cè)量，主要測(cè)量輸油管道鋪設(shè)深度范圍內(nèi)的土壤電阻率。根據(jù)輸油管道預(yù)設(shè)深度，每測(cè)點(diǎn)布置16根電極，電極間距2.5m，分別測(cè)量a=2.5m、5m、7.5m和10m的電阻率，高密度電阻率探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，提供不同深度的土壤電阻率值是為接地電阻設(shè)計(jì)的，通常測(cè)量結(jié)果所反映的實(shí)際深度為測(cè)量極距a的1/2。

圖3 高密度電阻率探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of high-density resistivity measurement system

野外設(shè)置電極時(shí)，應(yīng)盡量選擇表層土致密和潮濕地帶，盡量避開(kāi)含礫層和樹(shù)根多的地方。如果在干燥地點(diǎn)布置電極，應(yīng)該多撒一些鹽水和水在電極周?chē)?，以減小接地電阻。地層的濕潤(rùn)部分接地電阻較小，因此如果條件允許，電極直接打入濕潤(rùn)層會(huì)有更好的效果。

3.3 野外接地電阻測(cè)試階段

如果在野外工作中電極的接地電阻出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)影響整個(gè)工作的質(zhì)量，因此，在進(jìn)行工程測(cè)量前，要先檢查測(cè)量裝置。根據(jù)野外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在檢測(cè)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)接地電阻的某電極電阻較大，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示。電極與大地接觸不良、有電極周?chē)稍铩⑦z漏未布設(shè)電極等都是產(chǎn)生這種問(wèn)題的主要原因(葛如冰，1997；郭秀軍，2000；呂玉增等，2005；葛如冰，2011)。如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，要從分析電阻過(guò)大、找出有問(wèn)題的電極等方面找出相應(yīng)的原因，從而來(lái)進(jìn)行電極的合理布設(shè)。

3.4 野外數(shù)據(jù)采集階段

在通過(guò)電極檢測(cè)和電阻檢測(cè)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中確保采集區(qū)域周邊環(huán)境不發(fā)生突變以影響采集結(jié)果。采集完數(shù)據(jù)后要對(duì)該數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行完好的保存。

4 數(shù)據(jù)處理研究

4.1 土壤電阻率的測(cè)量結(jié)果

按工程設(shè)計(jì)要求，本次共測(cè)量30個(gè)點(diǎn)的土壤電阻率，各測(cè)點(diǎn)在不同深度的土壤電阻率實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)a=2.5m時(shí)電阻率測(cè)量結(jié)果Fig.4 Resistivity measured at point a=2.5m

圖5 測(cè)點(diǎn)a=5m時(shí)電阻率測(cè)量結(jié)果Fig.5 Resistivity measured at point a=5m

4.2 測(cè)量結(jié)果分析

土壤在外加電場(chǎng)的作用下，會(huì)發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象。土壤導(dǎo)電能力的指標(biāo)包括土壤電導(dǎo)率和電阻率兩個(gè)方面，通常土壤電阻率和土壤腐蝕性呈反相關(guān)的關(guān)系(金名惠等，2001)。

埋地管道的腐蝕大多屬于土壤腐蝕，土壤腐蝕受土壤的電阻率、pH值、雜散電流等因素的影響，尤其是土壤的結(jié)構(gòu)，管道的埋深，回填土的松緊等條件的影響，管道四周的含氧濃度和含水量都將存在著差異，這就為產(chǎn)生土壤腐蝕提供了條件。

圖6 測(cè)點(diǎn)a=7.5m時(shí)電阻率測(cè)量結(jié)果Fig.6 Resistivity measured at point a=7.5m

圖7 測(cè)點(diǎn)a=10m時(shí)電阻率測(cè)量結(jié)果Fig.7 Resistivity measured at point a=10m

由測(cè)量結(jié)果看出，在第14個(gè)測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)異常，這是由于該點(diǎn)地勢(shì)偏高，土壤偏干旱，土壤中水含量較低，所以該處電阻率較高。但不影響整體測(cè)量結(jié)果。a=2.5m極距的土壤電阻率相對(duì)明顯且在橫向上變化較大，而a=5m、7.5m和10m極距的土壤電阻率相對(duì)較小且在橫向上變化明顯減小，表明土壤電阻率1.5m深度范圍具有較強(qiáng)的不均勻性，而1.5m～5m深度范圍土壤電阻率比較均勻，故1.5m～5m深度范圍的土壤電阻率相對(duì)合適石油管道的位置選取。

5 結(jié)論

本文所取得的重要研究成果和創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在利用高密度電法為我區(qū)石油管道防腐提供一定的理論依據(jù)，研究野外測(cè)量土壤電阻率的方法和技術(shù)，為管道防腐進(jìn)行有效的接地設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)量結(jié)果分析，該區(qū)黃濰石油管道鋪設(shè)的最佳位置選取在1.5m～5m的深度較為合適，該深度范圍土壤電阻率比較均勻且相對(duì)較高。從而判斷土壤的腐蝕性相對(duì)較低。本文從理論與實(shí)踐相結(jié)合的角度，在國(guó)內(nèi)外高密度電阻率法測(cè)量土壤電阻率的基礎(chǔ)上，對(duì)其有關(guān)的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題以及方法原理進(jìn)一步探討，針對(duì)具體工作中存在的問(wèn)題，提出自己的解決方案和處理手段。

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Application of the Four-electrode Resistivity Method to Anti-corrosion Design of Oil Pipelines

XU Yue，LIU Zhao-bin

(MiningandSafetyEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590)

Soil electric resistivity is an important indicator of corrosion status nearby underground oil pipeline, because the degree of corrosion of the oil pipeline is closely related with the soil resistivity. This paper presents the principle and implementation process of the four-electrode resistivity method, and its application to a survey for an oil pipeline as well as its data processing and analysis. The test results provide scientific evidence for anti-corrosion design of oil pipelines.

soil resistivity, soil corrosion, electrode, four-electrode method

2015-12-17；

2016-04-28；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：51404145)和山東省礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地主任基金(編號(hào)：MDPC2012ZR02)資助。

許 越(1990年-)，男，碩士研究生，主要從事地球物理探測(cè)等研究工作。E-mail：xuyuechn@163.com。

P618

A

0495-5331(2016)03-0551-05