油氣站場(chǎng)鋼筋混凝土基礎(chǔ)對(duì)管道陰極保護(hù)電流需求量影響的數(shù)值模擬

孫冰冰

(管網(wǎng)集團(tuán)(新疆)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830013)

油氣站場(chǎng)內(nèi)鋼筋混凝土基礎(chǔ)(簡(jiǎn)稱基礎(chǔ))種類繁多，形式各樣，數(shù)量龐大，主要有建筑鋼筋、壓縮機(jī)鋼筋混凝土基礎(chǔ)及各種鋼質(zhì)管托管架基礎(chǔ)等[1]。這些基礎(chǔ)會(huì)影響區(qū)域陰極保護(hù)電流分布及保護(hù)效果：如基礎(chǔ)通過(guò)地腳螺栓和設(shè)備支座底板與基礎(chǔ)支撐接觸面漏電，增大了站內(nèi)陰極保護(hù)電流需求量，降低了埋地管道的陰保有效率[2]；土壤中的陰極保護(hù)電流遇到管道周圍的鋼筋混凝土基礎(chǔ)時(shí)，會(huì)在土壤中產(chǎn)生明顯電位梯度，對(duì)管道陰極保護(hù)產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)[3]。

目前，應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)(鋼筋)漏電的主要措施包括避免鋼筋與埋地管道直接電連接、將鋼筋表面絕緣、將鋼筋所在的混凝土本體及表面加強(qiáng)絕緣，對(duì)于通過(guò)接地系統(tǒng)與埋地管道電連接的鋼筋混凝土考慮使用“阻直通交”類型隔離器將接地系統(tǒng)與埋地管道直流電隔離等[2,4-6]。應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土屏蔽效應(yīng)的主要措施包括在屏蔽的區(qū)域增設(shè)陽(yáng)極[7-21]。

本工作通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了混凝土電阻率(即對(duì)應(yīng)混凝土本體的絕緣性)、鋼筋與埋地管道的電連接性、鋼筋絕緣性(即考慮表面增加涂層絕緣)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)數(shù)量(即對(duì)應(yīng)密集程度)、與埋地管道相對(duì)位置等因素對(duì)陰極保護(hù)電流漏失量及屏蔽效應(yīng)(即電位分布)的影響規(guī)律，并基于模擬結(jié)果分析了絕緣措施。

1 幾何模型構(gòu)建及邊界條件確定

選取尺寸為φ219 mm×10 mm、長(zhǎng)100 m、埋深1.5 m的埋地管道結(jié)構(gòu)構(gòu)建幾何模型，管道外涂層為瀝青玻璃布，達(dá)到-850 mV的最小保護(hù)電位(文中電位均相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極，簡(jiǎn)稱CSE)，保護(hù)電流密度為1.5 mA/m2，土壤電阻率為50 Ω·m。為單獨(dú)考慮鋼筋混凝土基礎(chǔ)對(duì)臨近管道陰極保護(hù)電流漏失和電位分布不均勻的影響，降低了陽(yáng)極地床對(duì)電位梯度的影響，在模型中將埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)為遠(yuǎn)陽(yáng)極形式的深井陽(yáng)極地床外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，地床深度為80 m，距離管道100 m。

設(shè)定鋼筋混凝土基礎(chǔ)的尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m，混凝土頂部與地表平齊，每根鋼筋直徑18 mm，長(zhǎng)0.4 m。鋼筋數(shù)量為4(2×2)根，鋼筋之間間隔0.2 m，距離端面均0.05 m?；A(chǔ)位于管道中間位置，側(cè)邊距離管道0.3 m。

圖1所示為土壤中涂層管道和混凝土中鋼筋的極化曲線；構(gòu)建的三維幾何模型即管道和鋼筋的布置示意見(jiàn)圖2。

圖1 土壤中管道和混凝土中鋼筋的極化曲線Fig. 1 Polarization curves of pipes in soil and steel bars in concrete

圖2 三維幾何模型示意圖Fig. 2 Schematic diagram of 3D geometric model

2 幾種參數(shù)對(duì)管道電位影響的模擬結(jié)果

2.1 混凝土電阻率與電連接性對(duì)管道電位的影響

設(shè)定鋼筋混凝土電阻率分別為50，200，1 000 Ω·m，且鋼筋未絕緣(處于裸露狀態(tài))。在電連接和未電連接情況下，參數(shù)設(shè)置情況和計(jì)算得到的鋼筋吸收電流、管道電位詳見(jiàn)表1。不同條件下埋地管道的電位分布見(jiàn)圖3。可以看出，隨著混凝土電阻率的升高，鋼筋對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收減小，對(duì)管道電位的影響逐漸減小。

表1 不同混凝土電阻率與電連接條件下的管道電位及鋼筋的吸收電流Tab. 1 Pipe potential and current absorbed by steel bars under different concrete resistivity and electrical connectivity conditions

圖3 不同條件下管道的電位分布Fig. 3 Potential distribution of pipeline under different conditions

2.2 鋼筋絕緣性對(duì)管道電位的影響

設(shè)定鋼筋未絕緣、絕緣面電阻率為1 000 Ω·m2和5 000 Ω·m2，在此條件下的對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置和計(jì)算所得鋼筋吸收電流、管道電位詳見(jiàn)表2，不同條件下埋地管道的電位分布如圖4所示?？梢钥闯?，增加絕緣層且隨著絕緣面電阻率增大，鋼筋對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收大幅度減小，且增加絕緣層對(duì)管道電位的影響可以忽略。

2.3 鋼筋混凝土基礎(chǔ)數(shù)量對(duì)管道電位的影響

鋼筋混凝土基礎(chǔ)數(shù)量設(shè)為1，3，5組，等間距分布于管道沿線，側(cè)邊距離管道0.3 m，此條件下對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置情況和計(jì)算所得鋼筋吸收電流、管道電位詳見(jiàn)表3，埋地管道的電位分布見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，隨著鋼筋混凝土基礎(chǔ)數(shù)量的增加，鋼筋對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收量成倍數(shù)增加，管道電位也正向偏移。

表2 不同鋼筋絕緣性條件下，管道電位及鋼筋的吸收電流Tab. 2 Pipeline potential and current absorbed by steel bars under different insulation property conditions pipeline potential

圖4 不同條件下管道的電位分布Fig. 4 Potential distribution of pipeline under different conditions

圖5 不同條件下管道的電位分布Fig. 5 Potential distribution of pipeline under different conditions

2.4 與埋地管道相對(duì)位置

設(shè)定鋼筋混凝土基礎(chǔ)位于管道中間位置，側(cè)邊距離管道分別為0，0.3，0.8 m，此條件下對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置情況和計(jì)算所得的鋼筋吸收電流、管道電位詳見(jiàn)表4，埋地管道的電位分布見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯宏帢O保護(hù)電流的吸收量與鋼筋混凝土基礎(chǔ)至管道的距離無(wú)關(guān)，距離越遠(yuǎn)對(duì)管道電位的影響相對(duì)越小。

表4 不同鋼筋混凝土基礎(chǔ)與埋地管道距離條件下的管道電位及鋼筋的吸收電流Tab. 4 Pipeline potential and current absorbed by steel bars under different distances between reinforced concrete foundation and buried pipeline

圖6 不同條件下管道的電位分布Fig. 6 Potential distribution of pipeline under different conditions

3 大型設(shè)備基礎(chǔ)和封閉式建筑基礎(chǔ)對(duì)穿越和臨近管道陰保效果影響的數(shù)值模擬

選取尺寸φ219 mm×10 mm，長(zhǎng)200 m，埋深2 m的埋地管道結(jié)構(gòu)，構(gòu)建幾何模型，管道外涂層為瀝青玻璃布，土壤電阻率設(shè)為50 Ω·m。埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極地床考慮兩種，一種是遠(yuǎn)陽(yáng)極即以深井陽(yáng)極為地床的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，深井陽(yáng)極地床的深度為80 m，距離管道100 m；另一種是近陽(yáng)極即以淺埋柔性陽(yáng)極為地床的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，淺埋陽(yáng)極長(zhǎng)度為200 m，距離管道1m。參考某典型壓氣站壓縮機(jī)廠房基礎(chǔ)底板配筋圖(圖7)，混凝土基礎(chǔ)為78.8 m×31.2 m×4.51 m，混凝土頂部與地表平齊，每根鋼筋直徑18 mm，長(zhǎng)77.2 m，鋼筋數(shù)量為3 171(151×21)根，鋼筋之間間隔0.2 m。

基于上述幾何參數(shù)在專業(yè)軟件中構(gòu)建的數(shù)值模擬模型如圖8所示。

圖7 某壓氣站壓縮機(jī)廠房基礎(chǔ)底板配筋圖Fig. 7 Reinforcement drawing of foundation slab of compressor plant of a compressor station

圖8 以某壓氣站壓縮機(jī)廠房基礎(chǔ)為例的數(shù)值模擬模型Fig. 8 Numerical simulation model of a compressor building foundation of a compressor station as an example

在模擬中分別考慮鋼筋表面絕緣狀況、混凝土電阻率、鋼筋與管道電連接狀況、采用近陽(yáng)極以及增大管道與鋼筋距離等因素設(shè)置了如下10個(gè)條件，參數(shù)設(shè)置與計(jì)算結(jié)果如表5所示。其中負(fù)電流表示電流從管道流入大地即腐蝕。

由表5可見(jiàn)：與無(wú)鋼筋時(shí)的結(jié)果相比(條件1)，鋼筋與管道電連接，會(huì)大量吸收陰極保護(hù)電流，且由于材質(zhì)不同即開(kāi)路電位的差異還會(huì)與埋地管道形成電偶對(duì)，導(dǎo)致埋地管道流出電流而發(fā)生腐蝕(條件2)。當(dāng)鋼筋不與管道存在電連接時(shí)不會(huì)吸收陰極保護(hù)電流，當(dāng)鋼筋表面帶有涂層時(shí)，所吸收的電流隨著涂層絕緣性能的提高而降低(條件3和條件4)。增大混凝土的電阻率一定程度上降低了吸收陰極保護(hù)電流量，但由于鋼筋數(shù)量較多，降低量不明顯(條件5)。

由圖9可見(jiàn)：使用遠(yuǎn)陽(yáng)極地床，且陰保系統(tǒng)輸出電流不變時(shí)，由于鋼筋吸收了大量陰保電流，管道電位整體偏正，在管道靠近大型混凝土鋼筋基礎(chǔ)時(shí)電位更正(條件2)。當(dāng)鋼筋不與管道電連接或者表面絕緣處理時(shí)，其對(duì)管道電位分布影響較小(條件6)。增大陰極保護(hù)輸出電流(條件8)對(duì)靠近混凝土區(qū)域的管道電位提升(即負(fù)移)不明顯。

在實(shí)際的大型混凝土基礎(chǔ)工程中可以考慮采用更高絕緣性的混凝土或表面刷絕緣漆、或者給鋼筋增加絕緣層增加其絕緣性，以降低陰極保護(hù)電流需求量，進(jìn)而降低屏蔽效應(yīng)?；蛘叻稚摻畹拿芗潭然蚣哟舐竦毓艿琅c結(jié)構(gòu)鋼筋的距離，進(jìn)而降低屏蔽效應(yīng)。

表5 構(gòu)建的計(jì)算模型參數(shù)與結(jié)果Tab. 5 Parameters and results of the constructed calculation model

對(duì)于大型設(shè)備基礎(chǔ)，可以考慮加強(qiáng)連接螺栓和設(shè)備基礎(chǔ)與環(huán)境介質(zhì)的絕緣性，采用憎水性的絕緣材料處理或施加涂層。對(duì)于封閉式建筑基礎(chǔ)，則可以考慮采用更高絕緣性的混凝土或表面刷絕緣漆、或者給鋼筋增加絕緣層增加其絕緣性。在條件允許情況下，可以考慮增加構(gòu)筑物與埋地管道的間距。或者斷開(kāi)構(gòu)筑物中金屬結(jié)構(gòu)與埋地管道之間的電連接，這種措施適用于金屬結(jié)構(gòu)與埋地管道電連接點(diǎn)少且易于增加絕緣墊片等絕緣措施的情況。

在無(wú)法斷開(kāi)鋼筋與管道搭接或鋼筋無(wú)法表面絕緣時(shí)，采用近陽(yáng)極可以在一定程度上降低電流漏失量，近陽(yáng)極對(duì)屏蔽效應(yīng)有很好的改善作用，通過(guò)優(yōu)化可以使管道獲得較均勻的電位分布(條件7和條件10)。

圖9 某壓氣站內(nèi)管道在不同條件下管道電位分布Fig. 9 Pipeline potential distribution in a compressor station under different conditions

4 結(jié)論

(1) 隨著混凝土電阻率升高，鋼筋對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收減小，對(duì)管道電位的影響逐漸減小。

(2) 隨著鋼筋增加絕緣層且絕緣面電阻率增大，其對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收大幅度減小，對(duì)管道電位的影響逐漸減小。

(3) 增加鋼筋混凝土基礎(chǔ)的數(shù)量，鋼筋對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收量成倍數(shù)增加，且會(huì)導(dǎo)致管道電位水平正向偏移。鋼筋對(duì)陰極保護(hù)電流的吸收量與鋼筋混凝土基礎(chǔ)至管道的距離無(wú)關(guān)。

(4) 基于大型設(shè)備基礎(chǔ)的模擬結(jié)果表明，斷開(kāi)鋼筋與管道搭接或鋼筋表面進(jìn)行絕緣處理是降低電流漏失量和屏蔽效應(yīng)最有效的方法。采用近陽(yáng)極對(duì)降低電流漏失量有一定的效果，通過(guò)優(yōu)化可以使管道得到較均勻的電位分布。