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陰極保護電流分布及電位測量

發布時間:2017-06-23  

1概述

在陰極保護中,陽極與保護結構之間的土壤電阻決定了到達保護結構的電流密度,而該電阻又決定于土壤電阻率、埋設位置土壤的截面積,以及陽極到保護結構上某一點的距離。計算公式為:

Ry=r(r/A)(1)

式中Ry——陽極與保護結構之間土壤電阻,W

r——土壤電阻率,W·m

r——陽極到保護結構上某一點的距離,m

A——埋設位置土壤的截面積,m2

以位于均勻土壤中的豎直陽極為例,電流以放射狀分布,總電流為各方向電流之和。對于長輸管道,由于管道各點距陽極地床的距離不相等,陰極保護電流到達管道各點所經路徑的電阻也不相等,因此管道各點的電流密度也不相等。

2陽極與保護結構的距離分析

假定其他因素恒定,儲罐、管道等保護結構某一點得到的電流與其距陽極的距離成反比。以儲罐底部的陰極保護為例,如果陽極距罐底太近,則電流的分布很不均勻,造成距陽極近的一側過保護而另一側保護不夠。

如果陽極與罐底的距離增大,則罐底各點與陽極之間的電流回路的電阻差減小,電流分布趨于均勻。但另一方面,由于陽極與罐底的距離增大,回路的總電阻增大,陰極保護電流減小。因此需要提高外加電壓,從電流分布的角度出發,陽極将有一個最佳位置。

條件允許的情況下,陽極距罐底周邊的距離不小于罐直徑。如果做不到這一點,應采用分布式陽極或深井陽極,深井陽極的上端距地面距離不小于10m,以使電流分布均勻。英國标準BS 7361推薦罐底的陰極保護采用分布式陽極。

對于受陰極保護的長輸管道,均勻的電流分布可以通過增大陽極與管道的間距或通過均勻布置陽極來獲得。陽極距管道太近,會使距陽極近的管道部位産生過保護,而距管道遠的部位保護不夠;陽極距管道太遠,會使整條管道欠保護,此時若仍使管道得到充分保護,隻有提高外加電壓。陽極的最佳位置應使管道最遠端得到有效保護而彙流點處不發生過保護。由于電流分布還受到土壤電阻率、防腐層狀況、管道電阻等多個因素影響,因此陽極與管道的間距應不小于100m,一般為300~500m。

3土壤電阻率對電流分布的影響

當土壤電阻率均勻、管道電阻忽略不計時,與陽極距離最近的點電流密度最大。距陽極越遠,電流密度越小。然而大多數土壤電阻率是不均勻的,當沿管道的土壤電阻率有較大變化時,将對管道的電流分布産生較大影響。比如穿越河流的管道,由于河水的電阻率遠小于周圍土壤的電阻率,導緻臨近河床的管道電流密度增大,電位下降。

當對井套管進行陰極保護時,由于套管會穿過不同電阻率的岩石層和土壤層,使陰極保護電流沿套管的分布不均勻。與陽極之間的電阻最小的套管表面處電流密度最大,電位最負。

管地電位與土壤電阻率的變化有很大關系。秦京輸油管道曾經在距泵站1km處發生了腐蝕穿孔,而距泵站較遠的一段裸管卻腐蝕輕微,原因是該段裸管處于電阻率較低的河床處,陰極保護充分。因此,當土壤電阻率變化大或者保護結構形狀複雜時,要想使電流分布均勻,有效的措施是正确地布置陽極。另外,在土壤電阻率低的地方測得的電位滿足要求,并不意味着處于土壤電阻率高的地段的管道也得到了充分的陰極保護。

4陽極布置對電流分布的影響

陽極有多種布置方式:近間距陽極、遠距離陽極、分布式陽極、集中陽極、深井陽極。

①分布式陽極

分布式陽極可有效地改善電流分布,使保護結構上的電位均勻分布。當陰極電纜或管道太長時,應考慮其電阻對電流的影響。必要時,可以另加陰極電纜和陽極電纜。保護結構複雜時,經常采用分布式陽極,見圖1。

②深井陽極

當地表空間小,不能采用分布式陽極或地表土壤電阻率太高時,經常采用深井陽極(見圖2)。深井陽極的優點:占地面積小;對其他保護結構的影響小;陽極接地電阻小;遭破壞的可能小;對地表保護結構或井套管的保護電流分布均勻;陽極接地電阻受季節變化影響小。

5參比電極位置對測量結果的影響

電流從土壤經防腐層流入管道時,其通路電阻由兩部分組成——防腐層電阻和土壤電阻,假設管道的自然電位為-0.6V(相對于銅/飽和硫酸銅參比電極),受陰極保護後保護電位為-0.9V(參比電極位于地表)。

通路電阻計算公式為:

R=Rc+Re    (2)

式中R——通路電阻,W

Rc——防腐層電阻,W

Re——土壤電阻,W

防腐層電阻計算公式為:

Re=ryc(d/A)    (3)

式中rc——防腐層電阻率,W·cm

d——防腐層厚度,cm

A——防腐層表面積,cm2

土壤電阻計算公式為:

Re=rt/8rt         (4)

式中rt——土壤電阻率,W·m

rt——土壤截面半徑,m

防腐層電阻率一般數量級為109~1012W·m,厚度為0.05~0.15cm。此處取防腐層電阻率為1×109W·cm,厚度為0.05cm,土壤電阻率為1000W·cm,根據公式(3)得截面積為1m2的防腐層的電阻為5000W。根據公式(4)得截面積為1m2的土壤的電阻為2.2W。根據歐姆定律公式,得流入防腐層截面積為1m2的管道的電流為60m,土壤IR降為0.13mV,可以忽略不計。因此在地表測到的電位萎本為管道的實際保護電位。

如果防腐層有漏點,防腐層電阻顯著減小,外加電流明顯增大,土壤中的IR降增大,在地表産生電壓場,電壓場的梯度與範圍受漏點大小、漏點與陽極地床的距離、土壤電阻率等多個因素影響。

①如果參比電極位于漏點中心正上方,即在電壓場的中心,則沒有電流自該點流入管道,所測電位為管道的實際保護電位,不含IR降。

②如果參比電極位置偏離電壓場中心,則所測電位偏負,含有IR降,不能反映該處管道防腐層漏點的實際保護狀況。由于管道所處的環境複雜,防腐層漏點大小、分布差異大,使地表電壓場複雜,參比電極很難恰好位于電壓場中心。因此,管道電位測量值中可能含有IR降。在測試樁處測量管地電位時,由于不了解測點處管道防腐層的狀況,所測電位隻能粗略地說明該部分管道陰極保護的大概狀況,以及測點附近0.5m範圍内的漏點是否得到了充分的陰極保護,而不能說明管道的所有漏點處是否都得到了充分保護。

③如果所測電位比-0.85V正,則此處管道一定沒有得到充分保護;而所測電位比-0.85V負時,此處管道防腐層漏點處也不一定就得到了充分的陰極保護,認為陰極保護良好的管道卻發生腐蝕穿孔的實例已充分證明了這一觀點。因此,正确測量管地電位的關鍵是将參比電極靠近漏點處,位于陰極電壓場中心。隻有使用直流電位梯度法(DCVG)和近間距管地電位法(CIPS)相結合,或瞬時斷電法才能準确地判斷管道是否得到了充分的陰極保護。

6結論及建議

①影響電流分布的因素衆多,主要有三方面:土壤電阻率、陽極與保護結構的距離以及防腐層質量。土壤電阻率、陽極與保護結構距離大有利于改善電流分布,小則不利于改善電流分布;防腐層質量好有利于電流分布,不好則反之。

②陰極保護設計成功與否的關鍵是陽極的布置,對于區域性陰極保護,這一點更為重要。對于防腐層老化的管道,采用柔性陽極可有效改善電流分布,減小外加電流,延長管道壽命。

③在管地電位測量工作中,要充分認識土壤電阻率、陽極位置、防腐層漏點大小及分布對測量結果的影響。盡管在測試樁處測到的結果滿足保護要求,這并不意味整條管道都處于有效的陰極保護之下,管地電位測量的關鍵是将參比電極位于防腐層漏點處,而實際上做到這一點是很困難的,可靠的方法是進行近間距管地電位測量(CIPS)或用直流電位梯度法(DCVG)測量漏點處的實際保護電位。

④對于區域性陰極保護,判斷保護結構是否得到了有效的陰極保護,應使參比電極位于被測保護結構附近,我國陰極保護測量規範中規定的遠參比電極法,不能說明保護結構是否得到了有效的陰極保護。





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