深井陽極地床在西北地區(qū)的設計與應用

胡亞博，田宏革，王沂沛，周 桐，張海龍，王洪志

（沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧沈陽110000）

深井陽極地床在西北地區(qū)的設計與應用

胡亞博，田宏革，王沂沛，周 桐，張海龍，王洪志

（沈陽龍昌管道檢測中心，遼寧沈陽110000）

鑒于國內(nèi)西北地區(qū)多風沙、土壤干燥的特點，結(jié)合工程設計和應用實例，研究了深井陽極地床在西北地區(qū)某長輸管道陰極保護工程中的適用性，重點分析了深井陽極地床的設計流程。采用深井陽極地床對原有淺埋陽極地床進行替換，減小了風沙侵蝕對陽極接地電阻可能產(chǎn)生的影響。

深井陽極地床 油氣管線 陰極保護

深井陽極地床是指陽極頂端距離地表大于15 m，以提供陰極保護的陽極地床形式。1986年，JF Tatum在青島國際腐蝕控制研討會上首次向國內(nèi)介紹了深井陽極地床技術，同年華東電力設計院在某區(qū)域陰極保護工程中設計應用了23眼40～45 m的深井陽極地床［1］。近年來深井陽極地床技術不斷發(fā)展，為了克服深井陽極地床維修困難的特點，LORESCO公司研發(fā)了可更換深井陽極地床技術。MATCOR公司的Durammo深井陽極地床技術被稱為“20世紀陰極保護工業(yè)最重要的發(fā)明”。國內(nèi)近年來在深井陽極地床方面也出現(xiàn)了大量專利，幾乎涵蓋了各種地床形式。據(jù)報道，國內(nèi)技術人員自主研發(fā)的分段預制式陽極井體［2］的性能指標已經(jīng)超過LORESCO公司的同類產(chǎn)品。深井陽極地床具有占地少、接地電阻小、電流分布均勻、干擾小和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，但對地質(zhì)條件要求高并且單井施工成本也相對較高。

某輸油站場位于中國西北地區(qū)，地處中溫帶干旱氣候區(qū)，雨雪稀少、氣候干燥、風大沙大，年平均降水量200 mm以下，年平均蒸發(fā)量1 584.9 mm。該站場同時兼具陰極保護站的功能，最初采用淺埋的石墨陽極地床為干線管道提供陰極保護電流，但陽極接地電阻常常過高導致恒電位儀電壓超限報警。采用降阻劑在地床附近降阻后也僅能維持幾天，風沙過后陽極電阻又會變得很高。為此，擬采用深井陽極地床對原來的淺埋地床進行替換。以地質(zhì)鉆探結(jié)果和土壤電阻率測試結(jié)果為基礎，詳細介紹了此次工程中深井陽極地床的設計過程。

該陰極保護站所保護管道投產(chǎn)于2001年，管徑273 mm，采用PE防腐層。電流需求參考地床降阻后恒電位儀正常運行時的輸出參數(shù)（見表1），管道沿線電位均能滿足要求。為了保證一定的裕量以適應后期防腐層的老化和破損，在后面的計算中，將電流需求設定為4 A。

1 地質(zhì)勘查和土壤電阻率測試結(jié)果

按照 GB／T 21448—2008［3］和 SY／T 0096—2013［4］中的要求，在深井陽極地床設計前進行了地質(zhì)條件勘查和不同深度土壤的電阻率測試。

1.1 地質(zhì)勘查結(jié)果

地質(zhì)勘查采用鉆機鉆孔，勘查結(jié)果顯示，除填土外，勘查深度范圍內(nèi)均為第四系黃河沖積和沖洪積相地層。地層自上而下可分為5層，依次為填土、卵石、粉土、卵石和細砂。各層的厚度及埋深如表1所示。φ273 mm的陽極井成井位于1～3層的填土、卵石和粉土層，在施工過程中容易塌孔，成井性能差；位于4～5層的卵石和細砂較密實，土層較穩(wěn)定，成井性能較好。在深井陽極地床施工過程中，應采用泥漿護壁以防止出現(xiàn)塌孔。該地區(qū)地下水屬第四系松散孔隙潛水類型，主要含水層為位于第4層的卵石和第5層的細砂層。地下水補給以大氣降水為主?？辈炱陂g為豐水季節(jié)，實測穩(wěn)定水位埋深為18.2 m，年變化幅度為0.5～1.0 m。地下水層屬單一潛水含水層，在勘察范圍深度60 m內(nèi)不存在地下含水層串層的可能性。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，該地區(qū)最大凍結(jié)深度為0.8 m。

表1 地層統(tǒng)計

1.2 土壤電阻率測試結(jié)果

在勘探鉆孔位置附近選擇4處進行土壤電阻率測試。測試時采用WDDS-1數(shù)字電阻率測試儀，測試深度60 m，通過軟件模擬進行土壤分層，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，6 m以上土層的電阻率較高且變化范圍較大，其值為70～437Ω·m，不適宜采用淺埋陽極地床；6 m以下土層電阻率較低且較穩(wěn)定，其值為20～40Ω·m。

表2 土壤電阻率測試結(jié)果

2 陽極地床設計

深井陽極地床在使用過程中，在電滲透和電解水的作用下表面趨于干燥，而且電解反應產(chǎn)生的氧氣和氯氣等在陽極表面及陽極井內(nèi)聚集也會導致氣阻效應。因此，深井陽極地床都會附帶排氣管，并控制陽極的電流輸出。陽極在不同環(huán)境中輸出電流的上限值如表3所示。當陽極位于地下水以下時，允許的電流密度為3.22 A／m2。以預包裝的MMO金屬氧化物陽極為例進行計算，需要的陽極長度為2 m。市場上的深井用預包裝MMO陽極多為6 m長度，內(nèi)部串聯(lián)的3支MMO陽極周圍以焦炭填充。導線絕緣效果的好壞會直接影響深井陽極地床的使用壽命，一旦導線絕緣層破損，暴露的金屬導線很快就會因電解腐蝕而斷裂［5］?？紤]到閉孔深井陽極地床后期更換困難，為了降低電纜斷裂對地床使用壽命的影響，擬在陽極地床中安裝2支6 m長的預包裝MMO陽極。

表3 陽極輸出電流的上限值

陽極地床的接地電阻是設計過程中應該關注的另一個主要因素。根據(jù)現(xiàn)場勘查和土壤電阻率的測試結(jié)果：6 m以上土層的電阻率較高且變化范圍較大，其值為70～437Ω·m；6 m以下土層電阻率較低且較穩(wěn)定，其值為20～40Ω·m；18 m以下開始出現(xiàn)地下水。陽極地床接地電阻隨陽極埋深的變化而變化（見圖1）。隨著陽極埋深的增加，接地電阻降低，但整體變化不大，維持在1.3 Ω左右。按照 GB／T 21448—2008［3］5的規(guī)定，地床的遠地電阻值應與所選擇設備的輸出功率相匹配，通過最大保護電流與地床遠地電阻計算得到的電壓值應不超過陰極保護設備額定電壓值的70%?，F(xiàn)場安裝恒電位儀的額定電壓為50 V，預估的保護電流為4 A，陽極1.3Ω的接地電阻值已可以滿足該要求。陽極擬設定在穩(wěn)定地下水位以下，埋深18 m。

圖1 陽極接地電阻隨陽極埋深的變化

深井陽極地床的一個典型特點就是通過深度方向的延伸，使陽極地床相對于被保護對象成為遠陽極。既可以減少屏蔽，還可以減少對外部結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的干擾。Morgan［6］研究表明，當外部埋地結(jié)構(gòu)附近的土壤與遠地點電位差為1.5 V時，外部埋地結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)明顯干擾；電位差為0.3 V時，干擾不明顯。目前NACE通常認為，接地電位變化超過0.5 V時，才會產(chǎn)生干擾。當外部埋地結(jié)構(gòu)附近的土壤與遠地點電位差占陽極頂端土壤與遠地點電位差的5%時，可以認為外部埋地結(jié)構(gòu)相對于陽極地床為遠方大地，不易出現(xiàn)干擾。基于安全考慮國標中也要求陽極地床區(qū)域的地表電位梯度低于5 V／m［3］6。陽極地床在不同埋深條件下產(chǎn)生的地表電位梯度變化見圖2。陽極埋深18 m時在地表產(chǎn)生的地電位梯度更小，更適合安全和遠地的使用要求。

圖2 陽極地床附近的地電位梯度變化

3 結(jié)論與建議

以地質(zhì)勘查和土壤電阻率測試結(jié)果為基礎，詳述了深井陽極地床的設計過程。在國內(nèi)西北地表土壤以砂石為主的地區(qū)，土壤電阻率大且易隨風沙天氣波動，采用深井陽極地床比淺埋陽極地床更具優(yōu)勢。不僅接地電阻隨天氣變化小，而且陰極保護電流分布更加均勻，保護距離更長，可能產(chǎn)生的干擾也較少。

［1］ 武烈，路江安，馬新民，等.中國大慶地區(qū)三種不同類型深井陽極地床的“氣阻效應”與結(jié)構(gòu)、材料、工藝的工程技術應用研究［C］／／第三屆中國國際腐蝕控制大會論文集.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2005：164-169.

［2］ 武烈，陳仁興.分段預制式陽極井體：96228997.3［P］.1998-04-29.

［3］ 胡士信，張本革，石薇，等.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術規(guī)范：GB／T 21448—2008［S］.北京：中國國家標準化管理委員會，2008.

［4］ 邢鳳榮，孟凡彬，李雪，等.SY／T 0096—2013強制電流深陽極地床技術規(guī)范［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2013.

［5］ 王芷芳，段蔚，李夏喜.有關深井陽極的幾個問題［J］.腐蝕與防護，2004，25（11）：480-482.

［6］ John Morgan.Cathodic protection［M］，Houston：NACE publication，1993：75-77.

Design and Application of Deep Well Anode Ground Bed in the Northwest Area

Hu Yabo，Tian Hongge，Wang Yipei，Zhou Tong，Zhang Hailong，Wang Hongzhi
（Shenyang Longchang Pipeline Inspection Center，Shenyang 110000，China）

Combined with engineering design and application example，application of deep well anode ground bed was studied on a cathodic protection project of long-distance pipeline in the northwest；design flow of deep well anode ground bed was analyzed emphatically.The shallow buried anode ground bed was replaced by deep well anode ground bed so as to reduce the influence brought by the sand erosion on anode grounding resistance.

deep well anode ground bed，oil and gas pipeline，cathodic protection

2017-06-20；修改稿收到日期：2017-09-21。

胡亞博（1988—），工程師，碩士，主要從事油氣管道腐蝕與防護、檢測方向的工作。E-mail：huyabo1988＠aliyun.com

（編輯 王菁輝）