不同輔助陽極地床的雜散電流影響特性研究

張璐

新疆油田公司基本建設工程處

隨著工業化進程的不斷發展，油氣管道受交直流輸電線路、鐵路、電車及地下電纜漏電的影響，特別是在地形限制下的公共廊帶區域[1-2]。雜散電流干擾情況越來越嚴重，目前，曹方圓等[3-4]、周軍峰等[5]、覃慧敏等[6]、周毅等[7]針對此類問題進行了研究和探討，但這些干擾往往影響范圍有限，持續時間較短。管道或站場的陰極保護系統在為受保護管道提供保護電流、促使管道電位發生陰極極化的同時，也會向其余管道釋放雜散電流，加速其受干擾的情況。因此，陰極保護系統是一把雙刃劍，研究輔助陽極地床對臨近金屬構件的影響顯得尤為重要。廖臻等研究了外加電流和犧牲陽極陰極保護系統聯用時對局部管道的影響，得到了管道穿越段的保護方案[8]；徐友鵬等針對深井陽極和淺埋陽極的特點進行了歸納分析，總結了兩者的適用范圍[9]；趙升富利用邊界元軟件研究了交叉管道間陰極保護系統相互干擾的規律，并對不同影響因素進行了敏感性分析[10]；金光彬通過對兩條管道的管地電位、地電位梯度和交流干擾電位進行檢測，分析了陽極地床位置對臨近管道的干擾影響[11]。以上研究對于陽極地床的選址和優化設計具有重要意義，但迄今為止對于不同類型陽極地床干擾規律的研究還較少。基于以上原因，采用直流電壓梯度法測試不同陽極地床在不同方向上的地電位梯度，定量描述其干擾范圍和干擾規律，以期為管道的陰極保護設計提供實際參考。

1 現場試驗

1.1 基本情況

輔助陽極地床按布置方式可分為深井陽極地床、淺埋陽極地床和柔性陽極地床三種，其占地面積、施工難度、保護范圍和接地電阻均有所不同。本次研究對象為三處不同位置輔助陽極地床，分別是深井陽極地床、立式淺埋陽極地床和水平式淺埋陽極地床。采用四電極法測試土壤電阻率，三處位置的電阻率為50～60 Ω·m，滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中關于陽極地床選址的一般規定。深井陽極采用高硅鑄鐵材料，共2支陽極，每支陽極直徑50 mm、長10 m，距離地面最近的陽極埋深40 m；立式淺埋陽極采用高硅鑄鐵材料，共6 支陽極，每支陽極直徑50 mm、長1.5 m，距離地面最近的陽極埋深1.5 m；水平式淺埋陽極采用高硅鑄鐵材料，一共30 支陽極，每支陽極直徑50 mm、長1.5 m，陽極體埋設間距為5 m，埋深1.5 m。三種陽極地床的位置示意見圖1，恒電位儀工作參數見表1。

表1 不同陽極地床的工作參數Tab.1 Working parameters of different anode ground beds

圖1 不同陽極地床位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of different anode ground bed positions

1.2 測試方法

采用雙參比法測試不同陽極地床在不同方向上的地電位梯度，具體方法是采用毫伏表連接兩個Cu/CuSO4電極，將兩個電極等間距插入土壤中，根據電極活性的不同，測試兩點之間電壓大小，再除以極距，獲得地電位梯度[12]。

深井陽極和立式淺埋陽極均選擇以陽極井為中心，對北、西兩個方向測試地電位梯度；在水平式淺埋陽極的陽極體起點和中點處分別設置北偏西30°、南偏東30°等四個方向，對其測試沿線電位梯度（圖2）。

圖2 不同陽極地床的測試方向Fig.2 Test orientations for different anode ground beds

為防止因其余雜散電流分量施加至陰極保護系統上而對測試結果造成影響，在陽極地床充分放電且恒電位儀輸出電流時測試管地電位波動值，測試結果見表2。由表2 可知，不同方向上的干擾電位大部分小于80 mV，參照GB/T 19285—2014《埋地鋼制管道腐蝕防護工程檢驗》中的規定，干擾程度為弱或中等，則無需采用排流保護措施，此時周圍管道只受陰極保護系統輔助陽極地床的影響，不受其余雜散電流干擾源的影響。

表2 不同方向的干擾電位Tab.2 Interference potential in different directions

2 結果與討論

2.1 深井陽極

以深井陽極的陽極井為中心，不同方向上的地電位梯度見圖3。隨著與地床距離的增加，地電位梯度呈先增加后減小的趨勢；方向1 和方向2 分別在10 m 和15 m 處，地電位梯度到達峰值，在恒電位儀輸出電流7 A時分別為39.24 mV/m和52.61 mV/m。方向1的地電位梯度峰值距離地床較近，這是由于方向1 沿線的土壤電阻率較低，此時陽極埋設越深，地床接地電阻越小，土壤的導電性能越強[11]；方向2 沿線的地下水位較淺，土層薄、石塊較多，因此地電位梯度下降較快。此外，在方向2距離地床約40 m 的區域內，地電位梯度有所增加，這與該區域穿越公路路段，土質硬化程度大，土壤壓實度97%，陰保電流在土壤中的損耗較大有關。

參照GB/T 19285—2014中關于直流干擾程度的判定方法，判斷圖3中的地電位梯度均大于0.5 mV/m，則認為有直流雜散電流干擾。當土壤電位梯度小于0.5 mV/m 時，雜散電流干擾程度為“弱”；當土壤電位梯度在0.5～5 mV/m 時，雜散電流干擾程度為“中”；當土壤電位梯度大于5 mV/m 時，雜散電流干擾程度為“強”。直流雜散電流干擾程度越大，干擾范圍越廣，故在此只統計強干擾下的影響范圍（圖4）。隨著恒電位儀輸出電流的不斷增大，強干擾下的干擾范圍先緩慢增加，后快速增加；當輸出電流從1 A 增加到3 A 時，最大干擾半徑和平均干擾半徑的增速較小，甚至最大干擾半徑還出現了下降的情況，這可能與雙參比法測試結果存在誤差有關；當輸出電流從3 A 增加到7 A 時，最大干擾半徑和平均干擾半徑的增速較大，分別為6.5 m/A 和5.8 m/A，說明較大輸出電流下的直流干擾程度有所增加。此外，考慮到恒電儀的額定輸出為30 A，故當滿電流輸出時，深井陽極的影響范圍可能在120～150 m。

圖4 直流干擾下的影響范圍（深井陽極）Fig.4 Influence range under DC interference(deep well anode)

2.2 立式淺埋陽極

以立式淺埋陽極的陽極井為中心，不同方向上的地電位梯度見圖5。立式淺埋陽極與深井陽極的地電位梯度分布趨勢類似，只是淺埋陽極的輸出電流小，地電位梯度較小。隨著與地床距離的增加，地電位梯度也呈先增加后減小的趨勢；方向1和方向2 分別在15 m 和20 m 處，地電位梯度到達峰值，在恒電位儀輸出電流3 A時分別為20.61 mV/m和13.24 mV/m。兩個方向上的土壤介質分布較均勻，因此電位梯度隨著距離增加均勻減小。

圖5 不同方向上的地電位梯度（立式淺埋陽極）Fig.5 Ground potential gradients in different directions(vertical shallow buried anode)

同理，立式淺埋陽極的影響范圍內均為強干擾影響，不同方向上的干擾范圍見圖6。隨著輸出電流的增加，最大干擾半徑和平均干擾半徑均呈直線增長，增速分別為10 m/A和8 m/A。此外，當管道防腐層存在漏點或質量較差時，立式淺埋陽極的影響范圍可能超過80 m。

圖6 直流干擾下的影響范圍（立式淺埋陽極）Fig.6 Influence range under DC interference(vertical shallow buried anode)

2.3 分布式淺埋陽極

以陽極體起點和中點處為中心，不同方向上的地電位梯度見圖7。可見分布式淺埋陽極地電位梯度的分布趨勢與其余兩種地床截然不同。隨著與地床間距的增大，分布式淺埋陽極的地電位梯度呈整體下降趨勢，且越靠近陽極體，電位梯度越大。在恒電位儀輸出電流3 A時，四個方向上的地電位梯度峰值分別為15.41、12.31、30.45 和26.89 mV/m，其中方向3 和方向4 因在陽極地床的中點處，此時陰保電流從兩端向中間流入土壤，疊加作用下地電位梯度達到最大，且影響范圍最遠。此外，方向2和方向4靠近湖泊區域，土壤的溫度、濕度、含氧量有所不同，導致土壤電阻率較低，地電位梯度要小于方向1和方向3。

圖7 不同方向上的地電位梯度（分布式淺埋陽極）Fig.7 Ground potential gradients in different directions(distributed shallow buried anode)

同理，分布式淺埋陽極的影響范圍內均為強干擾影響，不同方向上的干擾范圍見圖8。隨著輸出電流的增加，最大干擾半徑和平均干擾半徑均呈直線增長，但增速要小于其余兩種陽極地床，增速分別為5.5 m/A 和3.2 m/A。此外，當管道防腐層存在漏點或質量較差時，立式淺埋陽極的影響范圍可能超過60 m。

圖8 直流干擾下的影響范圍（分布式淺埋陽極）Fig.8 Influence range under DC interference(distributed shallow buried anode)

2.4 不同陽極地床的影響范圍對比

當恒電位儀輸出電流均為3 A時，統計不同陽極地床在不同方向上的地電位梯度平均值（圖9）。可見分布式淺埋陽極的地電位梯度峰值遠大于深井陽極和立式淺埋陽極。在距離地床5 m時，分布式淺埋陽極和深井陽極的地電位梯度接近，在距離地床10 m 時，分布式淺埋陽極和立式淺埋陽極的地電位梯度接近，說明分布式淺埋陽極的衰減速度更快，這是由于雖然陽極以等電流的方式流入土壤，但只在陽極體附近會形成一個集中電壓場，當距離增加后，電壓迅速降低。深井陽極的衰減速度最慢，在距離地床60 m 時的地電位梯度依然較大，說明深井陽極直流干擾的影響范圍較大，其干擾范圍是分布式淺埋陽極的2～3倍（圖10）。

圖9 不同輔助陽極地床的地電位梯度平均值Fig.9 Average value of ground potential gradient of different auxiliary anode ground beds

圖10 不同陽極地床的干擾半徑平均值Fig.10 Average value of interference radius of different anode ground beds

綜上所述，從減小陽極地床對周圍管道或金屬構筑物的影響出發，在地理條件允許的范圍內，應優先采用分布式淺埋陽極地床，但要注意地床中心位置地電位梯度過高的現象；當施工場地狹小或征地困難時，應優先采用深井陽極地床，可通過降低地床輸出電流、增大深井井深、降低土壤電阻率的方式緩解深井陽極對周圍管道的影響，但這也會犧牲深井陽極對受保護管道的保護范圍；當既想降低干擾影響范圍，又想一定程度上滿足對管道的陰極保護時，可以采用立式淺埋陽極地床。此外，可增加接地排流、直流排流、極性排流、絕緣保護、屏蔽保護或跨接保護等針對性的防護措施，減少陽極地床對周邊管道的影響。

3 結論

（1）深井陽極和立式淺埋陽極的地電位梯度均隨距離的增加先增大后減小，在10～20 m的范圍內達到峰值；分布式淺埋陽極地床的地電位梯度隨距離的增加逐漸減小，峰值出現在陽極地床附近。

（2）隨著恒電位儀輸出電流的增大，不同陽極地床的干擾范圍也逐漸增大，深井陽極直流干擾的影響范圍是分布式淺埋陽極的2～3倍。

（3）分布式淺埋陽極的地電位梯度峰值和衰減速度均大于其余兩種陽極地床，從減小陽極地床對周圍管道或金屬構筑物的影響出發，應優先使用分布式淺埋陽極地床；在施工場地狹小時，應優先采用深井陽極地床。