強(qiáng)制電流陰極保護(hù)陽極地床雜散電流干擾特性研究*

岑 康，黃夏雨，代敏雪，韓宗芷，董春娟，曾策凡，王書亮

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500；2.四川川港燃?xì)庥邢挢?zé)任公司成都分公司，四川 成都 610051；3.四川川港燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，四川 成都 610000；4.西南石油大學(xué) 新能源與材料學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)問題是燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，采用外防腐層和陰極保護(hù)相結(jié)合的方式能有效防止鋼質(zhì)管道腐蝕[1]。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是常用陰極保護(hù)方法之一，陽極地床是其重要組成部分，主要包括淺埋陽極地床和深井陽極地床2種類型。

淺埋陽極地床作為施工最為簡單的1種陽極埋設(shè)形式，維修更換容易、成本相對較低，在早期陰極保護(hù)中得到廣泛使用。但淺埋陽極地床存在占地面積大、保護(hù)電流分布范圍小等問題[2]。近年來，深井陽極憑借保護(hù)范圍廣、占地面積小、在城區(qū)易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)[3]，逐步取代淺埋陽極地床，但存在施工復(fù)雜、造價(jià)高等缺點(diǎn)。由于陽極地床周圍存在其它埋地金屬管道、鋼筋混凝土等未受陰極保護(hù)的金屬構(gòu)筑物，無論淺埋陽極還是深井陽極，都必然會給鄰近金屬構(gòu)筑物帶來一定程度的雜散電流干擾[4]，加速金屬構(gòu)筑物腐蝕，造成一定安全隱患。

目前，關(guān)于雜散電流干擾研究主要集中在地鐵、電氣化鐵路、高壓輸電線路等產(chǎn)生的雜散電流對鋼質(zhì)油氣管道等的影響[5-9]。針對直流雜散電流，已建立基于管地電位、地電位梯度等參數(shù)的干擾強(qiáng)弱程度判據(jù)，根據(jù)地電位梯度大小，將雜散電流干擾程度分為強(qiáng)中弱3個(gè)等級[10-13]。針對強(qiáng)制電流陰極保護(hù)陽極地床對鄰近未受陰極保護(hù)金屬構(gòu)筑物雜散電流干擾的影響范圍及嚴(yán)重程度，目前鮮有研究。

雜散電流干擾源復(fù)雜，如軌道交通、電力線路等雜散電流均會影響測試結(jié)果。因此，本文以無明顯外界干擾源的典型深井陽極地床和淺埋陽極地床為研究對象，現(xiàn)場測試并對比分析地床附近地表電位梯度分布，量化評價(jià)雜散電流干擾范圍及影響程度，以期為陽極地床類型選擇、選址提供可靠依據(jù)，保障陽極地床鄰近金屬構(gòu)筑物使用壽命及安全運(yùn)行。

1 現(xiàn)場測試

1.1 測試對象

測試對象為典型深井陽極地床和淺埋陽極地床，分別位于簡陽市郊和資陽市郊。2處地床地表附近平均土壤電阻率均為50 Ω·m，地床現(xiàn)場概貌與安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1(a)和圖1(c)可知，深井陽極地床共安裝4組分段預(yù)制式貴金屬陽極體，每根陽極體長6 m，距地表最近的陽極體埋深為16 m；由圖1(b)和圖1(d)可知，淺埋陽極地床由30支高硅鑄鐵陽極體組成，每根陽極體長1.5 m，陽極體埋深1.2 m，陽極體埋設(shè)間距4 m。陽極地床工作參數(shù)見表1。

圖1 陽極地床現(xiàn)場概貌與安裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Field overview and installation structure of the anode ground beds

表1 陽極地床工作參數(shù)Table 1 Operating parameters of anode ground beds

1.2 測試方案

采用雙參比電極法測試陽極地床地表電位梯度。具體測試方法為：將2支已配對的Cu/CuSO4參比電極插入土壤，若土壤干燥,需澆水濕潤地面，以保證參比電極底部與土壤接觸良好；按同等間隔3 m同時(shí)移動(dòng)2支參比電極，測量2電極電位差，然后除以極距得到電位梯度。為統(tǒng)一方向，靠近陽極體一側(cè)參比電極均接微電壓差計(jì)正極，如圖2所示。

圖2 雙參比電極法Fig.2 Double reference electrode method

測試前對陽極地床周圍環(huán)境進(jìn)行初步調(diào)研，選擇土壤介質(zhì)較均勻、測試距離足夠長、易于檢測的測試方向，使測試結(jié)果盡可能包含從高到低的電位梯度值。深井陽極地床以陽極井為中心，選擇北偏東30°(方向1)、南偏東60°(方向2)、北偏西60°(方向3)3個(gè)方向測量地表電位梯度，如圖3(a)所示；淺埋陽極的陽極體呈一字排布，在陽極體兩側(cè)選擇4個(gè)方向進(jìn)行地表電位梯度檢測，方向分別為以陽極體末端為測試起點(diǎn)北偏東10°(方向1)和南偏西10°(方向2)，以及陽極體中點(diǎn)為測試起點(diǎn)北偏東10°(方向3)和南偏西10°(方向4)，如圖3(b)所示。

圖3 地表電位梯度測試方向Fig.3 Test directions of ground surface potential gradient

因測試環(huán)境存在其它雜散電流，如自然電場或周圍其它干擾源電場產(chǎn)生雜散電流，使直接測試結(jié)果摻雜其它雜散電流電位梯度在測試方向上分量。為消除其它雜散電流對檢測結(jié)果的影響，在恒電位儀無電流輸出且陽極地床充分放電后,進(jìn)行地表電位梯度測試,測得的地表電位梯度是除陽極地床雜散電流之外，其它外部雜散電流在測試方向上的電位梯度。同時(shí),根據(jù)多次測試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，判斷陽極地床附近僅受穩(wěn)定外部雜散電流干擾。在恒電位儀額定輸出電流范圍內(nèi)，等間隔調(diào)節(jié)恒電位儀輸出電流進(jìn)行測試。當(dāng)深井陽極地床恒電位儀輸出電流分別為2,4,6,8 A時(shí)，淺埋陽極地床恒電位儀輸出電流為0.3,1,2,3 A時(shí)，測量不同方向地表電位梯度,并分別與恒電位儀無電流輸出的電位梯度值矢量合成，最終得到不同方向陽極地床雜散電流形成的地表電位梯度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 深井陽極地床雜散電流干擾特性

以陽極井為中心，3個(gè)方向(方向1、2、3)地表電位梯度測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，深井陽極地床地表電位梯度隨測試點(diǎn)與陽極井中心距離增大，整體呈先增大后減小的變化趨勢,測試結(jié)果與陽極電壓錐衰減速率經(jīng)驗(yàn)公式[13]計(jì)算結(jié)果相符。3個(gè)方向地表電位梯度峰值分別為62.15,34.36,32.33 mV/m，分別距陽極井15,12,3 m。方向1地表電位梯度峰值相對最高，因?yàn)榉较?測試環(huán)境多為坡地，地表電位下降速率較快;與方向1、2相比，方向3地表電位梯度峰值位置距陽極井較近。由圖3(a)可知，由于方向3的3～9 m處跨過混凝土道路，其電阻率比陽極井附近土壤電阻率高，又因電位梯度與土壤電阻率成正比[14]，因此該處地表電位梯度隨土壤電阻率增大而升高；由圖4(c)可知，在方向3距陽極井51 m處，地表電位梯度有明顯陡增，因?yàn)榇颂幙缭礁采w水泥板的田埂，地表土壤電阻率升高，導(dǎo)致地表電位梯度突變。

圖4 深井陽極地床地表電位梯度分布Fig.4 Distribution of ground surface potential gradient of deep well anode ground bed

雜散電流干擾強(qiáng)弱判斷指標(biāo)見表2。結(jié)合圖4和表2可知，陽極地床在測試距離內(nèi)地表電位梯度基本均大于0.5 mV/m，屬于雜散電流中干擾影響范圍。因此，本文著重分析強(qiáng)干擾影響范圍，深井陽極地床強(qiáng)干擾影響半徑如圖5所示。由圖5(a)可知，隨恒電位儀輸出電流增大，深井陽極地床強(qiáng)干擾影響半徑近似線性增長。其中，輸出電流由2 A增大到4 A時(shí)，強(qiáng)干擾最大影響半徑和平均影響半徑增長速率達(dá)到最大，分別為10.8，12.4 m/A；然后2種影響半徑以5 m/A的增長速率進(jìn)一步擴(kuò)大，在恒電位儀輸出電流為8 A時(shí)分別達(dá)到90，75 m。城區(qū)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?存在施工質(zhì)量差、防腐層破損嚴(yán)重等問題，恒電位儀輸出電流甚至高達(dá)數(shù)十安培，導(dǎo)致深井陽極地床雜散電流強(qiáng)干擾最大影響半徑遠(yuǎn)超過恒電位儀輸出電流為8 A時(shí)的90 m。對圖5(b)中深井陽極地床雜散電流強(qiáng)干擾平均影響半徑進(jìn)行擬合，函數(shù)關(guān)系如式(1)所示：

表2 雜散電流干擾強(qiáng)弱判斷指標(biāo)Table 2 Judgment indexes of stray current interference strength

圖5 深井陽極地床強(qiáng)干擾影響半徑Fig.5 Influence radius of strong interference for deep well anode ground bed

(1)

深井陽極擬合曲線可決系數(shù)R2=0.95，表明深井陽極擬合曲線與深井陽極平均影響半徑值能較好吻合。

2.2 淺埋陽極地床雜散電流干擾特性

淺埋陽極地床4個(gè)方向地表電位梯度測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，淺埋陽極地床與深井陽極地表電位梯度分布規(guī)律存在顯著區(qū)別。隨測試點(diǎn)與陽極體距離增大，淺埋陽極地床地表電位梯度整體呈遞減趨勢。越靠近陽極體，地表電位梯度越大。4個(gè)方向(方向1、2、3、4)地表電位梯度峰值分別為30.02，29.42，40.07，38.00 mV/m，遠(yuǎn)大于表2中強(qiáng)干擾電位梯度閾值。其中，方向3、4測試起點(diǎn)為陽極體中點(diǎn)，由于兩側(cè)陽極體電場對該段存在顯著疊加效應(yīng)，導(dǎo)致方向3、4地表電位梯度較大。因此淺埋陽極地床地表電位梯度最大值出現(xiàn)在以陽極體中點(diǎn)為測試起點(diǎn)的測試方向。此外，由于方向2、4靠近河道，土壤含水量高于周圍土壤，使土壤電阻率下降[15]，導(dǎo)致方向2、4地表電位梯度低于方向1、3。

圖6 淺埋陽極地床的地表電位梯度分布Fig.6 Distribution of ground surface potential gradient of shallow-buried anode ground bed

由圖6和表2可知，該淺埋陽極地床中干擾影響區(qū)域超過測試范圍。淺埋陽極地床強(qiáng)干擾影響半徑，如圖7所示。由圖7(a)可知，隨著恒電位儀輸出電流增大，淺埋陽極地床最大影響半徑和平均影響半徑都近似線性增長，影響半徑增長速率約10 m/A。在防腐層質(zhì)量較差的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)中，淺埋陽極地床強(qiáng)干擾影響半徑可擴(kuò)大到100 m以上。對圖7(b)中淺埋陽極地床雜散電流強(qiáng)干擾平均影響半徑進(jìn)行擬合，得到其函數(shù)關(guān)系式：

圖7 淺埋陽極地床強(qiáng)干擾影響半徑Fig.7 Influence radius of strong interference for shallow-buried anode ground bed

(2)

淺埋陽極擬合曲線可決系數(shù)R2=0.98，證明淺埋陽極擬合曲線與淺埋陽極平均影響半徑值擬合較好。

2.3 陽極地床影響范圍對比

當(dāng)深井陽極地床和淺埋陽極地床恒電位儀輸出電流均為2 A時(shí)，分別計(jì)算深井陽極3個(gè)方向地表電位梯度和淺埋陽極地床4個(gè)方向地表電位梯度平均值，2者平均地表電位梯度分布如圖8(a)所示。由圖8(a)可知，淺埋陽極地表電位梯度峰值遠(yuǎn)大于深井陽極。但在距陽極體埋設(shè)位置20 m處，淺埋陽極地表電位梯度已衰減至接近深井陽極地表電位梯度，表明淺埋陽極地表電位梯度衰減速率更快。這是因?yàn)殛枠O地床等電勢線在陽極體附近分布最為密集，隨距離增加，等電勢線逐漸稀疏。深井陽極地床距地面最近陽極體覆土厚度為16 m，電流在從陽極體流出到達(dá)地表過程中已趨于均勻分布，等電勢線同樣如此。因此，深井陽極地床地表電位梯度峰值和衰減速率均小于淺埋陽極地床地表電位梯度。

圖8 陽極地床雜散電流干擾特性Fig.8 Characteristics of stray current interference of anode ground beds

深井陽極地床和淺埋陽極地床雜散電流強(qiáng)干擾平均影響半徑對比，如圖8(b)所示。由圖8(b)可知，深井陽極地床強(qiáng)干擾平均影響半徑大于淺埋陽極地床，且為淺埋陽極地床的2倍。這是由于深井陽極地表電位梯度衰減速率較慢，而強(qiáng)干擾范圍較大。

因此，從減小陽極地床對鄰近金屬構(gòu)筑物雜散電流干擾的角度看，在敷設(shè)條件允許情況下，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)宜優(yōu)先選用淺埋陽極地床。但因敷設(shè)環(huán)境受限時(shí)，例如地表狹小或地表土壤電阻率高等情況，宜優(yōu)先選用深井陽極地床。通過適當(dāng)增加井深方式減小地表電位梯度，盡可能降低深井陽極雜散電流對鄰近金屬構(gòu)筑物的干擾。同時(shí)，這種處理方式也可降低陽極體接地電阻，進(jìn)而降低電源輸出功率，節(jié)約電費(fèi)。此外，針對重要受干擾金屬構(gòu)筑物，也可考慮采用針對性的排流保護(hù)等方式，以排除陽極地床雜散電流干擾影響。

3 結(jié)論

1)深井陽極地床地表電位梯度沿陽極井中心輻射線呈先增大后減小的趨勢，地表電位梯度峰值出現(xiàn)在距陽極井15 m左右；淺埋陽極地床地表電位梯度沿垂直于陽極體方向呈遞減趨勢，地表電位梯度峰值出現(xiàn)在靠近陽極體的位置。

3)淺埋陽極地床地表電位梯度峰值和衰減速率均大于深井陽極，強(qiáng)干擾平均影響半徑僅為深井陽極的1/2。

4)在敷設(shè)條件允許情況下，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用雜散電流干擾范圍較小的淺埋陽極地床;因敷設(shè)環(huán)境受限，例如地表狹小或地表土壤電阻率高等情況，宜優(yōu)先選用深井陽極地床。可通過適當(dāng)增加井深、為重要受干擾金屬構(gòu)筑物排流等方式，排除深井陽極地床雜散電流干擾影響。