深井陽極對地下金屬構筑物的影響及措施

劉元洪

(四川科宏石油天然氣工程有限公司，四川 成都 610213)

地處重慶的渝北區的中心城區的兩路保護站，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。由于當地土地資源緊缺和有效利用，原站外陽極地床所占地被征用，陽極地床的新選址范圍只能在站內原征地范圍內，具體位置位于工藝區外40 m的綠化帶。陰極保護站投產后，陽極地床對附近埋地金屬構筑物的產生了直流干擾影響，本文分析原因并提出建議措施。

1 深井陽極地床的選用

本站采用雙陽極井措施，陽極井間的距離不小于陽極長度的2倍，陽極體埋設在地面下40 m的含水層，每座深陽極地床井深不小于40 m，采用閉孔陽極地床，每座深陽極安裝3組分段預制式陽極體，共6組該陽極體，陽極具體結構如下:

(1)陽極組合體為外徑φ219 mm，長6 m的鋼套管(20號鋼);每組陽極體內串接有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極。

(2)貴金屬氧化物陽極直徑為25 mm;單支陽極長度為1000 mm，重量320 mg;執行標準為ASTM B338一級鈦(或GB/T3620 TA2);氧化膜為 IrO/TaO(氧化銥/氧化鉭)。

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

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

2 測試

2.1 兩路陰極保護站的設置

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

表1 陰極保護參數測試結果(分別送電)Table1 Cathodic protection parameters test results(respectively transmission)

表2 陰極保護參數測試結果(同時送電)Table2 Cathodic protection parameters test results(sent simultaneously power)

2.2 站外測試樁測試情況見表3

表3 第一個檢測樁測試參數(同時送電)Table3 First detected pile test parameters(sent simultaneously power

2.3 深井陽極陽極干擾情況

具體測試見表4，陽極干擾區地電位梯度測試見表5。

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

表5 地電位梯度測試結果Table5 Test results of Ground potential gradient

3 問題分析

3.1 深井陽極干擾

一般，深井陽極地電場干擾電壓可用下式進行計算:

式中:l—陽極長度(含填料)，m;

ρ—陽極區土壤電阻率，(Ω·m);

t—埋深(填料頂部距地表面，m;

r—距離工藝裝置區，m;

I—陽極輸出電流，A;

Ur—地電場電壓，V。

兩路深井陽極埋深t=23 m，陽極長度l=18 m，距離工藝裝置區r=38 m，土壤電阻率ρ=30 Ω·m。經計算，兩路陰極保護站2組深井陽極在工藝裝置區產生的地電場迭加干擾電壓見表6。

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

當陰極保護電流輸出為7 A時，10～40 m范 圍內地電場迭加干擾電壓見表7。

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

當地電場干擾電壓＜500 mV，且造成的干擾段管道陽極極化區極化電位＜100 mV時，不會造成不可接受的后果。此時，受干擾管段的陽極極化區腐蝕速度約等于鋼鐵的自然腐蝕速度。

經現場檢測，當輸出電流降低至5.7 A時，兩路站站內工藝裝置接近深井陽極端陰極極化約－50 mV，遠端陽極極化＜100 mV。此時站內埋地工藝裝置受到輕微的陽極干擾。另外，站內水管線距離深井陽極較近(4～10 m)，受到的陽極干擾電壓約1～1.5 V，該水管線接近深井陽極端陰極極化約-100 mV，遠端陽極極化110～150 mV，陽極干擾現象明顯。

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

經計算，當兩路陰極保護站深井陽極電壓不大于6.78 V時，站內工藝裝置受到的陽極干擾電壓小于500 mV。

通過以上分析，可以確認兩路站站內工藝裝置區管道受到深井陽極的陽極干擾。因此，采取有效的排流措施可以消除或緩解陽極干擾對站內埋地管道造成的危害。

3.2 斷電電位

對于兩路陰極保護站斷電電位未完全達到－850 mV，認為主要涉及測試條件和陽極干擾問題。

首先，由于應用斷電技術和有關方法進行無IR降電位測試的條件受到客觀條件的制約:雜散電流、電偶電流、在線犧牲陽極、高壓交流干擾、其它陰極保護站未同步斷開輸出電流等都會造成所測試的斷電電位不真實或誤差很大，不能真實反映管道在通電狀況下的陰極極化程度。例如，φ529管線沿線設置的犧牲陽極就會對該管線斷電電位測試造成較大的影響。

其次，對于兩路站在通電點處受到陽極干擾較大的管段，陽極干擾會造成較大的IR降，以至于需要較高的通電點測試電位才能使得管道的陰極極化達到需求。此時，隨著管道遠離陽極干擾區，陽極干擾造成的IR降會逐步降低。

另外，陽極干擾區內站內埋地管道會消耗部分陰極保護電流，引起陰極保護電流不能有效分配到保護管道，造成保護管道陰極極化不足的現象。

4 處理措施

在站內陽極干擾區內查明埋地管道陽極極化區(一般位于距離深井陽極干擾區的遠端或干擾電流流出通道較好處)，在陽極極化區與保護管道之間用二極管和可變電阻連接，消除站內埋地管道受陽極干擾產生的陽極極化現象，并把陰極保護電流引回保護管道，改善保護管道的陰極保護效果。具體措施如下:

(1)提高陽極區附近的地下金屬構筑物的防腐層質量，其絕緣電阻不低于50000 Ω·m2。

(2)通過現場管地電位檢測，查明站內陽極極化區分布。

(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-1.15 V。

(4)在保護管道和陽極極化區之間，或絕緣法蘭之間，用“二極管和0.2～2 Ω可變變阻”連接，調節可變電阻，消除陽極極化區偏移電位;

(5)兩路站進出各管道相關陰極保護站設置同步通斷控制器，對保護范圍內管段實施斷點電位測試，驗證干擾排流后對陰極保護站運行工作的影響。

排流技術可控制陽極干擾帶來的負面影響，在維持兩路陰極保護站正常輸出條件下，深井陽極產生的陽極干擾不會對站內管道形成有危害性的陽極極化區。同時，該方案也有利于改善保護電流分配。

[1]W.v.貝克曼.陰極保護手冊—〈電化學保護理論與實踐〉，第3版[M].北京:化學工業出版社，2005:386.