不同辅助阳极地床的杂散电流影响特性研究.pdf

第 42卷第 08期（2023-08）油气田地面工程 https:/电力电信不同辅助阳极地床的杂散电流影响特性研究张璐新疆油田公司基本建设工程处摘要：为评价阴极保护阳极地床对周围金属管道及构筑物的影响，在排除其余杂散电流干扰源影响的基础上采用双参比法对不同阳极地床、不同方向上的地电位梯度进行了测试，定量描述了阳极地床的直流干扰范围和规律，总结了不同阳极地床的应用范围和干扰缓解措施。研究结果表明，深井阳极和立式浅埋阳极的地电位梯度均随距离的增加先增大后减小，在 1020 m 的范围内达到峰值；分布式浅埋阳极地床的地电位梯度随距离的增加逐渐减小，峰值出现在阳极地床附近；随着恒电位仪输出电流的增大，不同阳极地床的干扰范围也逐渐增大，深井阳极直流干扰的影响范围是分布式浅埋阳极的 23倍；分布式浅埋阳极在阳极地床的中点处的地电位梯度最大，其峰值和衰减速度均大于其余两种阳极地床；从减小阳极地床对周围管道或金属构筑物的影响出发，宜优先使用分布式浅埋阳极地床，从施工场地空间布置出发，宜优先采用深井阳极地床。研究结果可为阴极保护系统的区域优化设计提供理论依据。关键词：深井阳极；立式浅埋阳极；分布式浅埋阳极；阳极地床；杂散电流；地电位梯度Study on Stray Current Influence Characteristics of Different Auxiliary Anode GroundBedsZHANG LuCapital Construction Engineering Division of Xinjiang Oilfield CompanyAbstract：In order to evaluate the influence of cathodic protection anode bed on the surroundingmetal pipes and structures，the ground potential gradients in different anode beds and different direc-tions are measured by using the double reference method on the basis of excluding the influence of otherstray current interference sources.The range and rule of DC interference of anode beds are quantitativelydescribed，and the application range and interference mitigation measures of different anode beds aresummarized.The results show that the ground potential gradient of deep well anodes and vertical shallowburied anodes firstly increases and then decreases with the increase of distance，reaching the peak valuein the range of 1020 m.The gradient of the ground potential of distributed shallow buried anode beddecreases with the increase of distance，and the peak value appears near the anode bed.With the in-crease of the output current of potentiostat，the interference range of different anode ground beds in-creases gradually，and the influence range of the deep well anode is 23 times that of the distributedshallow buried anode.The distributed shallow buried anode has the largest ground potential gradient atthe middle point of the anode ground bed，and its peak value and attenuation rate are greater than thoseof the other two kinds of anode ground beds.In order to reduce the influence of the anode bed on thesurrounding pipes or metal structures，distributed shallow buried anode ground bed should be pre-ferred，and deep well anode ground bed should be preferred from the perspective of the spatial layout ofthe construction site.The research results can provide a theoretical basis for the regional optimization de-sign of cathodic protection systems.Keywords：deep well anode；vertical shallow buried anode；distributed shallow buried anode；anodeground bed；stray current；ground potential gradientDOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2023.08.00733电力电信张璐：不同辅助阳极地床的杂散电流影响特性研究油气田地面工程 https:/随着工业化进程的不断发展，油气管道受交直流输电线路、铁路、电车及地下电缆漏电的影响，特别是在地形限制下的公共廊带区域1-2。杂散电流干扰情况越来越严重，目前，曹方圆等3-4、周军峰等5、覃慧敏等6、周毅等7针对此类问题进行了研究和探讨，但这些干扰往往影响范围有限，持续时间较短。管道或站场的阴极保护系统在为受保护管道提供保护电流、促使管道电位发生阴极极化的同时，也会向其余管道释放杂散电流，加速其受干扰的情况。因此，阴极保护系统是一把双刃剑，研究辅助阳极地床对临近金属构件的影响显得尤为重要。廖臻等研究了外加电流和牺牲阳极阴极保护系统联用时对局部管道的影响，得到了管道穿越段的保护方案8；徐友鹏等针对深井阳极和浅埋阳极的特点进行了归纳分析，总结了两者的适用范围9；赵升富利用边界元软件研究了交叉管道间阴极保护系统相互干扰的规律，并对不同影响因素进行了敏感性分析10；金光彬通过对两条管道的管地电位、地电位梯度和交流干扰电位进行检测，分析了阳极地床位置对临近管道的干扰影响11。以上研究对于阳极地床的选址和优化设计具有重要意义，但迄今为止对于不同类型阳极地床干扰规律的研究还较少。基于以上原因，采用直流电压梯度法测试不同阳极地床在不同方向上的地电位梯度，定量描述其干扰范围和干扰规律，以期为管道的阴极保护设计提供实际参考。1现场试验1.1基本情况辅助阳极地床按布置方式可分为深井阳极地床、浅埋阳极地床和柔性阳极地床三种，其占地面积、施工难度、保护范围和接地电阻均有所不同。本次研究对象为三处不同位置辅助阳极地床，分别是深井阳极地床、立式浅埋阳极地床和水平式浅埋阳极地床。采用四电极法测试土壤电阻率，三处位置的电阻率为 5060 m，满足 GB/T 214482017埋地钢质管道阴极保护技术规范 中关于阳极地床选址的一般规定。深井阳极采用高硅铸铁材料，共 2 支阳极，每支阳极直径 50 mm、长 10 m，距离地面最近的阳极埋深 40 m；立式浅埋阳极采用 高硅铸铁材料，共 6 支阳极，每支阳极直径 50 mm、长1.5 m，距离地面最近的阳极埋深1.5 m；水平式浅埋阳极采用高硅铸铁材料，一共 30 支阳极，每支阳极直径 50 mm、长 1.5 m，阳极体埋设间距为 5 m，埋深 1.5 m。三种阳极地床的位置示意见图 1，恒电位仪工作参数见表 1。1.2测试方法采用双参比法测试不同阳极地床在不同方向上的地电位梯度，具体方法是采用毫伏表连接两个Cu/CuSO4电极，将两个电极等间距插入土壤中，根据电极活性的不同，测试两点之间电压大小，再除表 1不同阳极地床的工作参数Tab.1 Working parameters of different anode ground beds类别深井立式浅埋水平式浅埋额定输出电压/V502020额定输出电流/A3055实际输出电压/V666实际输出电流/A333管地电位/V-1.19-1.23-1.27图 1不同阳极地床位置示意图Fig.1 Schematic diagram of different anode ground bed positions34第 42卷第 08期（2023-08）油气田地面工程 https:/电力电信以极距，获得地电位梯度12。深井阳极和立式浅埋阳极均选择以阳极井为中心，对北、西两个方向测试地电位梯度；在水平式浅埋阳极的阳极体起点和中点处分别设置北偏西30、南偏东 30等四个方向，对其测试沿线电位梯度（图 2）。为防止因其余杂散电流分量施加至阴极保护系统上而对测试结果造成影响，在阳极地床充分放电且恒电位仪输出电流时测试管地电位波动值，测试结果见表 2。由表 2 可知，不同方向上的干扰电位大部分小于 80 mV，参照 GB/T 192852014 埋地钢制管道腐蚀防护工程检验 中的规定，干扰程度表 2不同方向的干扰电位Tab.2 Interference potential in different directions距离/m110203040506070深井阳极/mV方向 162.226.877.419.733.039.578.764.8方向 238.257.379.619.948.934.017.714.9分布式浅埋阳极/mV方向 153.631.462.766.944.913.111.740.7方向 221.164.428.648.146.131.667.269.9水平式浅埋阳极/mV方向 178.822.518.925.235.038.420.523.1方向 250.939.856.843.652.368.669.152.1方向 323.575.616.645.037.726.942.150.3方向 46538.477.521.739.737.478.812.0为弱或中等，则无需采用排流保护措施，此时周围管道只受阴极保护系统辅助阳极地床的影响，不受其余杂散电流干扰源的影响。2结果与讨论2.1深井阳极以深井阳极的阳极井为中心，不同方向上的地电位梯度见图 3。随着与地床距离的增加，地电位梯度呈先增加后减小的趋势；方向 1 和方向 2 分别在 10 m 和 15 m 处，地电位梯度到达峰值，在恒电位仪输出电流7 A时分别为39.24 mV/m和52.61 mV/m。方向 1的地电位梯度峰值距离地床较近，这是由于方向 1 沿线的土壤电阻率较低，此时阳极埋设越深，地床接地电阻越小，土壤的导电性能越强11；方向 2 沿线的地下水位较浅，土层薄、石块较多，因此地电位梯度下降较快。此外，在方向 2距离地床约 40 m 的区域内，地电位梯度有所增加，这与该区域穿越公路路段，土质硬化程度大，土壤压实度 97%，阴保电流在土壤中的损耗较大有关。参照 GB/T 192852014中关于直流干扰程度的判定方法，判断图3中的地电位梯度均大于0.5 mV/m，则认为有直流杂散电流干扰。当土壤电位梯度小于图 2不同阳极地床的测试方向Fig.2 Test orientations for different anode ground beds图 3不同方向上的地电位梯度（深井阳极）Fig.3 Ground potential gradients in different directions(deep well anode)35电力电信张璐：不同辅助阳极地床的杂散电流影响特性研究油气田地面工程 https:/0.5 mV/m 时，杂散电流干扰程度为“弱”；当土壤电位梯度在 0.55 mV/m 时，杂散电流干扰程度为“中”；当土壤电位梯度大于 5 mV/m 时，杂散电流干扰程度为“强”。直流杂散电流干扰程度越大，干扰范围越广，故在此只统计强干扰下的影响范围（图 4）。随着恒电位仪输出电流的不断增大，强干扰下的干扰范围先缓慢增加，后快速增加；当输出电流从 1 A 增加到 3 A 时，最大干扰半径和平均干扰半径的增速较小，甚至最大干扰半径还出现了下降的情况，这可能与双参比法测试结果存在误差有关；当输出电流从 3 A 增加到 7 A 时，最大干扰半径和平均干扰半径的增速较大，分别为 6.5 m/A 和5.8 m/A，说明较大输出电流下的直流干扰程度有所增加。此外，考虑到恒电仪的额定输出为 30 A，故当满电流输出时，深井阳极的影响范围可能在120150 m。图 4直流干扰下的影响范围（深井阳极）Fig.4 Influence range under DC interference(deep well anode)2.2立式浅埋阳极以立式浅埋阳极的阳极井为中心，不同方向上的地电位梯度见图 5。立式浅埋阳极与深井阳极的地电位梯度分布趋势类似，只是浅埋阳极的输出电流小，地电位梯度较小。随着与地床距离的增加，地电位梯度也呈先增加后减小的趋势；方向 1和方向 2 分别在 15 m 和 20 m 处，地电位梯度到达峰值，在恒电位仪输出电流 3 A时分别为20.61 mV/m和13.24 mV/m。两个方向上的土壤介质分布较均匀，因此电位梯度随着距离增加均匀减小。同理，立式浅埋阳极的影响范围内均为强干扰影响，不同方向上的干扰范围见图 6。随着输出电流的增加，最大干扰半径和平均干扰半径均呈直线增长，增速分别为 10 m/A 和 8 m/A。此外，当管道防腐层存在漏点或质量较差时，立式浅埋阳极的影响范围可能超过 80 m。图 6直流干扰下的影响范围（立式浅埋阳极）Fig.6 Influence range under DC interference(vertical shallow buried anode)2.3分布式浅埋阳极以阳极体起点和中点处为中心，不同方向上的地电位梯度见图 7。可见分布式浅埋阳极地电位梯度的分布趋势与其余两种地床截然不同。随着与地床间距的增大，分布式浅埋阳极的地电位梯度呈整体下降趋势，且越靠近阳极体，电位梯度越大。在恒电位仪输出电流 3 A 时，四个方向上的地电位梯度峰值分别为 15.41、12.31、30.45 和 26.89 mV/m，其中方向 3 和方向 4 因在阳极地床的中点处，此时阴保电流从两端向中间流入土壤，叠加作用下地电图 5不同方向上的地电位梯度（立式浅埋阳极）Fig.5 Ground potential gradients in different directions(vertical shallow buried anode)36第 42卷第 08期（2023-08）油气田地面工程 https:/电力电信位梯度达到最大，且影响范围最远。此外，方向 2和方向 4靠近湖泊区域，土壤的温度、湿度、含氧量有所不同，导致土壤电阻率较低，地电位梯度要小于方向 1和方向 3。同理，分布式浅埋阳极的影响范围内均为强干扰影响，不同方向上的干扰范围见图 8。随着输出电流的增加，最大干扰半径和平均干扰半径均呈直线增长，但增速要小于其余两种阳极地床，增速分别为 5.5 m/A 和 3.2 m/A。此外，当管道防腐层存在漏点或质量较差时，立式浅埋阳极的影响范围可能超过 60 m。图 8直流干扰下的影响范围（分布式浅埋阳极）Fig.8 Influence range under DC interference(distributed shallow buried anode)2.4不同阳极地床的影响范围对比当恒电位仪输出电流均为 3 A 时，统计不同阳极地床在不同方向上的地电位梯度平均值（图 9）。可见分布式浅埋阳极的地电位梯度峰值远大于深井阳极和立式浅埋阳极。在距离地床 5 m 时，分布式浅埋阳极和深井阳极的地电位梯度接近，在距离地床 10 m 时，分布式浅埋阳极和立式浅埋阳极的地电位梯度接近，说明分布式浅埋阳极的衰减速度更快，这是由于虽然阳极以等电流的方式流入土壤，但只在阳极体附近会形成一个集中电压场，当距离增加后，电压迅速降低。深井阳极的衰减速度最慢，在距离地床 60 m 时的地电位梯度依然较大，说明深井阳极直流干扰的影响范围较大，其干扰范围是分布式浅埋阳极的 23倍（图 10）。图 9不同辅助阳极地床的地电位梯度平均值Fig.9 Average value of ground potential gradient ofdifferent auxiliary anode ground beds图 7不同方向上的地电位梯度（分布式浅埋阳极）Fig.7 Ground potential gradients in different directions(distributed shallow buried anode)37电力电信张璐：不同辅助阳极地床的杂散电流影响特性研究油气田地面工程 https:/图 10不同阳极地床的干扰半径平均值Fig.10 Average value of interference radius ofdifferent anode ground beds综上所述，从减小阳极地床对周围管道或金属构筑物的影响出发，在地理条件允许的范围内，应优先采用分布式浅埋阳极地床，但要注意地床中心位置地电位梯度过高的现象；当施工场地狭小或征地困难时，应优先采用深井阳极地床，可通过降低地床输出电流、增大深井井深、降低土壤电阻率的方式缓解深井阳极对周围管道的影响，但这也会牺牲深井阳极对受保护管道的保护范围；当既想降低干扰影响范围，又想一定程度上满足对管道的阴极保护时，可以采用立式浅埋阳极地床。此外，可增加接地排流、直流排流、极性排流、绝缘保护、屏蔽保护或跨接保护等针对性的防护措施，减少阳极地床对周边管道的影响。3结论（1）深井阳极和立式浅埋阳极的地电位梯度均随距离的增加先增大后减小，在 1020 m 的范围内达到峰值；分布式浅埋阳极地床的地电位梯度随距离的增加逐渐减小，峰值出现在阳极地床附近。（2）随着恒电位仪输出电流的增大，不同阳极地床的干扰范围也逐渐增大，深井阳极直流干扰的影响范围是分布式浅埋阳极的 23倍。（3）分布式浅埋阳极的地电位梯度峰值和衰减速度均大于其余两种阳极地床，从减小阳极地床对周围管道或金属构筑物的影响出发，应优先使用分布式浅埋阳极地床；在施工场地狭小时，应优先采用深井阳极地床。参考文献1 肖剑烽，张争伟，唐振峰完整性管理技术在衢州压气站 区 域 阴 极 保 护 系 统 的 应 用 J 油 气 田 地 面 工 程，2022，41（11）：87-92XIAO Jianfeng，ZHANG Zhengwei，TANG ZhenfengAp-plication of integrity management technology in regional ca-thodic protection system of Quzhou Compressor StationJOil-Gas Field Surface Engineering，2022，41（11）：87-922 李双林，李智艺，纪贤晶，等油田管道失效成因分析与 对 策 建 议 J 油 气 田 地 面 工 程，2022，41（11）：106-110LI Shuanglin，LI Zhiyi，JI Xianjing，et alCause analysisand countermeasures of pipeline failure in 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年毕业于大庆石油学校，从事地面工程管理工作，0459-4597420，黑龙江省大庆市第五采油厂第一作业区，163513。收稿日期2023-02-12（编辑王艳）39