油氣站場鋼筋混凝土基礎對管道陰極保護電流需求量影響的數值模擬

孫冰冰

(管網集團(新疆)聯合管道有限責任公司，烏魯木齊 830013)

油氣站場內鋼筋混凝土基礎(簡稱基礎)種類繁多，形式各樣，數量龐大，主要有建筑鋼筋、壓縮機鋼筋混凝土基礎及各種鋼質管托管架基礎等[1]。這些基礎會影響區域陰極保護電流分布及保護效果：如基礎通過地腳螺栓和設備支座底板與基礎支撐接觸面漏電，增大了站內陰極保護電流需求量，降低了埋地管道的陰保有效率[2]；土壤中的陰極保護電流遇到管道周圍的鋼筋混凝土基礎時，會在土壤中產生明顯電位梯度，對管道陰極保護產生屏蔽效應[3]。

目前，應對基礎(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絕緣，對于通過接地系統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與埋地管道直流電隔離等[2,4-6]。應對鋼筋混凝土屏蔽效應的主要措施包括在屏蔽的區域增設陽極[7-21]。

本工作通過數值模擬的方法研究了混凝土電阻率(即對應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)、鋼筋混凝土基礎數量(即對應密集程度)、與埋地管道相對位置等因素對陰極保護電流漏失量及屏蔽效應(即電位分布)的影響規律，并基于模擬結果分析了絕緣措施。

1 幾何模型構建及邊界條件確定

選取尺寸為φ219 mm×10 mm、長100 m、埋深1.5 m的埋地管道結構構建幾何模型，管道外涂層為瀝青玻璃布，達到-850 mV的最小保護電位(文中電位均相對于銅/飽和硫酸銅參比電極，簡稱CSE)，保護電流密度為1.5 mA/m2，土壤電阻率為50 Ω·m。為單獨考慮鋼筋混凝土基礎對臨近管道陰極保護電流漏失和電位分布不均勻的影響，降低了陽極地床對電位梯度的影響，在模型中將埋地管道陰極保護系統設為遠陽極形式的深井陽極地床外加電流陰極保護系統，地床深度為80 m，距離管道100 m。

設定鋼筋混凝土基礎的尺寸為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0.4 m。鋼筋數量為4(2×2)根，鋼筋之間間隔0.2 m，距離端面均0.05 m?；A位于管道中間位置，側邊距離管道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；構建的三維幾何模型即管道和鋼筋的布置示意見圖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 幾種參數對管道電位影響的模擬結果

2.1 混凝土電阻率與電連接性對管道電位的影響

設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)。在電連接和未電連接情況下，參數設置情況和計算得到的鋼筋吸收電流、管道電位詳見表1。不同條件下埋地管道的電位分布見圖3?？梢钥闯?，隨著混凝土電阻率的升高，鋼筋對陰極保護電流的吸收減小，對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 鋼筋絕緣性對管道電位的影響

設定鋼筋未絕緣、絕緣面電阻率為1 000 Ω·m2和5 000 Ω·m2，在此條件下的對應參數設置和計算所得鋼筋吸收電流、管道電位詳見表2，不同條件下埋地管道的電位分布如圖4所示?？梢钥闯觯黾咏^緣層且隨著絕緣面電阻率增大，鋼筋對陰極保護電流的吸收大幅度減小，且增加絕緣層對管道電位的影響可以忽略。

2.3 鋼筋混凝土基礎數量對管道電位的影響

鋼筋混凝土基礎數量設為1，3，5組，等間距分布于管道沿線，側邊距離管道0.3 m，此條件下對應的參數設置情況和計算所得鋼筋吸收電流、管道電位詳見表3，埋地管道的電位分布見圖5。可以看出，隨著鋼筋混凝土基礎數量的增加，鋼筋對陰極保護電流的吸收量成倍數增加，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 與埋地管道相對位置

設定鋼筋混凝土基礎位于管道中間位置，側邊距離管道分別為0，0.3，0.8 m，此條件下對應的參數設置情況和計算所得的鋼筋吸收電流、管道電位詳見表4，埋地管道的電位分布見圖6?？梢钥闯觯宏帢O保護電流的吸收量與鋼筋混凝土基礎至管道的距離無關，距離越遠對管道電位的影響相對越小。

表4 不同鋼筋混凝土基礎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 大型設備基礎和封閉式建筑基礎對穿越和臨近管道陰保效果影響的數值模擬

選取尺寸φ219 mm×10 mm，長200 m，埋深2 m的埋地管道結構，構建幾何模型，管道外涂層為瀝青玻璃布，土壤電阻率設為50 Ω·m。埋地管道陰極保護系統的陽極地床考慮兩種，一種是遠陽極即以深井陽極為地床的外加電流陰極保護系統，深井陽極地床的深度為80 m，距離管道100 m；另一種是近陽極即以淺埋柔性陽極為地床的外加電流陰極保護系統，淺埋陽極長度為200 m，距離管道1m。參考某典型壓氣站壓縮機廠房基礎底板配筋圖(圖7)，混凝土基礎為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77.2 m，鋼筋數量為3 171(151×21)根，鋼筋之間間隔0.2 m。

基于上述幾何參數在專業軟件中構建的數值模擬模型如圖8所示。

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

圖8 以某壓氣站壓縮機廠房基礎為例的數值模擬模型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、采用近陽極以及增大管道與鋼筋距離等因素設置了如下10個條件，參數設置與計算結果如表5所示。其中負電流表示電流從管道流入大地即腐蝕。

由表5可見：與無鋼筋時的結果相比(條件1)，鋼筋與管道電連接，會大量吸收陰極保護電流，且由于材質不同即開路電位的差異還會與埋地管道形成電偶對，導致埋地管道流出電流而發生腐蝕(條件2)。當鋼筋不與管道存在電連接時不會吸收陰極保護電流，當鋼筋表面帶有涂層時，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電流量，但由于鋼筋數量較多，降低量不明顯(條件5)。

由圖9可見：使用遠陽極地床，且陰保系統輸出電流不變時，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時電位更正(條件2)。當鋼筋不與管道電連接或者表面絕緣處理時，其對管道電位分布影響較小(條件6)。增大陰極保護輸出電流(條件8)對靠近混凝土區域的管道電位提升(即負移)不明顯。

在實際的大型混凝土基礎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，以降低陰極保護電流需求量，進而降低屏蔽效應。或者分散鋼筋的密集程度或加大埋地管道與結構鋼筋的距離，進而降低屏蔽效應。

表5 構建的計算模型參數與結果Tab. 5 Parameters and results of the constructed calculation model

對于大型設備基礎，可以考慮加強連接螺栓和設備基礎與環境介質的絕緣性，采用憎水性的絕緣材料處理或施加涂層。對于封閉式建筑基礎，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，可以考慮增加構筑物與埋地管道的間距?；蛘邤嚅_構筑物中金屬結構與埋地管道之間的電連接，這種措施適用于金屬結構與埋地管道電連接點少且易于增加絕緣墊片等絕緣措施的情況。

在無法斷開鋼筋與管道搭接或鋼筋無法表面絕緣時，采用近陽極可以在一定程度上降低電流漏失量，近陽極對屏蔽效應有很好的改善作用，通過優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 結論

(1) 隨著混凝土電阻率升高，鋼筋對陰極保護電流的吸收減小，對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，其對陰極保護電流的吸收大幅度減小，對管道電位的影響逐漸減小。

(3) 增加鋼筋混凝土基礎的數量，鋼筋對陰極保護電流的吸收量成倍數增加，且會導致管道電位水平正向偏移。鋼筋對陰極保護電流的吸收量與鋼筋混凝土基礎至管道的距離無關。

(4) 基于大型設備基礎的模擬結果表明，斷開鋼筋與管道搭接或鋼筋表面進行絕緣處理是降低電流漏失量和屏蔽效應最有效的方法。采用近陽極對降低電流漏失量有一定的效果，通過優化可以使管道得到較均勻的電位分布。