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    陰極保護中的電流分布及電位測量

    馮洪臣,畢汝溫

    一.簡介

    陰極保護度取決于電解液/結構接觸面的外加電流密度,要使整個結構都得到陰極保護,則在結構各處都要有均勻的電流密度.但在實際上,由于電解液的不均勻性以及相對于陽極地床的位置不同.到達結構各處的電流不可能是均勻的.

    在陰極保護中,陽極距結構的電解液電阻決定了到達結構的電流密度.而該電阻又決定于電解液電阻率(r ),截面積(A),以及陽極到結構上某一點的距離(L).即:

                                                R=r

    以位于均勻土壤中的豎直陽極為例,電流以放射狀分布,總的電流為各方向電流之和.如圖:

     

    對于長輸管道,由于管道距陽極地床的距離不可能相同,所以,陰極保護電流到達各點所經路徑的電阻也不相同,所以,管道各點的電流密度也不會相同.

    二.陽極與結構的距離

    假定其他因素都是恒定的,那么,結構某一點所得到的電流將與其距陽極的距離成反比.以以罐底的陰極保護為例,如果陽極距罐底太近, 則電流的分布將很不均勻,造成距陽極近的一側過保護而另一側保護不夠.

    如果將陽極與罐底的距離加大,則電流回路的電阻差別相對減小.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,因而,需要提高外加電壓.從電流分布的觀點出發,陽極將有一個最佳位置.

    英國標準 BS7361中,推薦罐底的陰極保護采用分布式陽極,條件允許的情況下,陽極距罐周邊的距離不小于罐直徑.如果做不到這一點,應采用分布陽極或深井陽極,深井陽極的上端距地面距離不小于 10 米.以使電流分布均勻.

     

    對于受陰極保護的長輸管道,陽極距管道的距離對保護電位的影響如圖:

     

     

     

     

     

     

     

    均勻的電流分布可以通過提高陽極與管道的間距或通過均勻布置陽極來獲得,陽極距管道太近時,會使與陽極相對的管道產生過保護,而距管道遠的地方保護不夠.距離太遠時,會使整個管道都欠保護.若仍使管道得到充分保護,只有提高外加電壓.陽極的最佳位置應使管道最遠端得到保護而匯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,所以,陽極與管道的間距應不小于100米,一般為 300--500 米.

    三.土壤電阻率變化對電流分布的影響

    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,大多數的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,將對管道的電流分布產生較大影響.如圖所示,由于河水的電阻率遠遠小于周圍的土壤電阻率,導致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土壤層或巖石層,使陰極保護電流沿套管的分布不均勻.與陽極之間的土壤電阻最小的套管表面處電流密度最大,電位最負.

     

    在實際工作中,我們會發現,沿管道測量管地電位時,距匯流點遠的地方,測得的電位不一定就較負,這與土壤電阻率的變化有很大關系.在花格線的實際測量中發現,在距泵站 4 公里的那凌格樂河河邊測到的電位低于出站點處的電位(低 0.4 伏).秦京管道日前在距泵站 1 公里處發生了腐蝕穿孔,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,在土壤電阻率變化大或者結構形狀復雜時,若使電流分布均勻,有效的措施是正確的布置陽極.另外,盡管在土壤電阻率低的地方測得的電位滿足要求,這并不意味著其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.

    四.陽極布置對電流分布的影響

    陽極有多種布置,有近間距陽極,遠距離陽極,分布陽極,集中陽極,深井陽極.

    1.分布陽極

    分布陽極可有效的改善電流分布,使被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.被保護結構復雜時,分布式陽極是經常采用的陽極布置形式.

    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.其深度應在 20 米以下.

     

    深井陽極的優點:

    (1).占地面積小.

    (2).對其他結構的影響小.

    (3).陽極接地電阻小.

    (4).遭破壞的可能小.

    (5).對地表結構或井套管的保護電流分布均勻.

    (6).陽極接地電阻受季節變化影響小.

    陽極應盡量放置在低土壤電阻率土壤層中,但被保護結構與陽極之間不能有高電阻率巖石層.陽極周圍可放置焦碳填料,當地下水位高時,可將陽極懸掛在開口的井中.當陽極輸出電流大時,應采取排氣措施,放掉陰極反應產生的氣體,以防止氣阻.另外,陰極反應將產生酸性環境,因此,所用材料要耐腐.深井陽極的缺點:

    (1).首次投資大.

    (2).修復困難.

    (3).有氣阻的可能.

    (4).地表下面有巖石層時,不能采用.

    五.參比電極位置對測量結果影響.

    假設受陰極保護的管道為河床,外加電流為河水,水位為保護電位.由于河床密實,滲水量很小,當上游供水量平衡時,河面將保持一個穩定的深度(自上游到下游水位逐漸下降,相當于陰極保護電位的衰減),如果河床某處出現一個漏水點,則大量的水將通過該點泄漏,在河面形成旋渦.使漏點上方的實際水位低于其他河面.同樣,受陰極保護的管道,其防腐層相當于密實的河床,由于絕緣電阻大,僅有少量的電流透過防腐層到達管道.但如果防腐層有漏點,則較多的電流通過漏點進入管道.在漏點附近形成漏斗狀電壓場.使漏點處的電位低于其他地方的電位.

    在陰極保護電位測量時,將有以下幾種情況:

    1.防腐層完好,無漏點.

    (1).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-0.6伏(相對于硫酸銅參比電極),受陰極保護后保護電位為-0.90伏(參比電極位于地表).

    (2).一平米的管道防腐層上,防腐層電阻為:Rc.

                                 Rc = r

     

    Rc:防腐層電阻 ohm

    t :防腐層厚度 cm

    r :防腐層電阻率 ohm-cm

    A :表面積 cm²

    防腐層電阻率一般為- 10¹ ² ohm.cm.厚度為 0.05--0.15 cm.所以, 1 平方米防腐層的電阻為:

                                   Rc = = 5000 W /m² .

    而在 1 平方米的土壤截面積上,土壤的電阻為:

                                   Re =

                                   : 土壤電阻率 ohm.cm

    r : 假定 1 平方米為圓盤面積,其半徑 cm.所以, , 其值為 56 cm.

    當土壤電阻率為 1000 ohm.cm 時,

    土壤電阻為:Re = = 2.2 W

    (3).流入一平方米管道的電流為 I = = 0.00006 A.即:60 微安.

    (4).土壤中的 IR 降為 0.00006×2.2=0.00013 伏.可以忽略不計.因此,在地表測到的電位基本為管道的實際保護電位.

     

    1.如果防腐層有漏點

    此時,防腐層電阻顯著下降,外加電流明顯增加.土壤中的 IR 降增大.在地表產生電壓場.電壓場的梯度與范圍受漏點大小,與陽極地床的間距,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復雜,防腐層漏點大小,分布差異大,使地面電壓場復雜.參比電極很難恰好位于漏斗中心處.所以,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,所以,所測電位只能粗略的說明該部分管道陰極保護的大概狀況,以及測點附近 0.5 米范圍內的漏點是否得到了充分的陰極保護,而不能說明是否管道的所有漏點處都得到了充分保護.

    (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-0.85 伏負時,,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已充分證明了這一觀點.因此,正確測量管地電位的關鍵是將參比電極靠近漏點處.位于陰極電壓場中心.只有用直流電位梯度法(DCVG)和近間距管地電位法(CIPS)相結合,或瞬時斷電法才能準確的判斷管道是否得到了充分的陰極保護.

     

    六.結論

    1. 影響電流分布的因素眾多,概括起來如下:

    土壤電阻率 防腐層質量 陽極與結構間距

    (1).大 .改善電流分布 (1).好.改善電流分布 (1).大.改善電流分布

    (2).小 .不利于電流分布 (2).壞.不利于電流分布 (2).小.不利于電流分布

     

    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,可有效的改善電流分布,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,這并不意味著整條管道都處于有效的陰極保護下,管地電位測量的關鍵是將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)或用直流電壓梯度法(DCVG)測量漏點處的實際保護電位.

    4.對于區域性陰極保護,判斷結構是否得到了有效的陰極保護,應使參比電極位于被測結構附近,我國陰極保護測量規范中規定的遠參比電極法,不能說明結構是否得到了有效的陰極保護.

    5.規范中規定的 -0.85 最小保護電位是指防腐層漏點處,管壁與其相臨介質之間的電位差,不含IR降。由于日常測量時,參比電極位于地表,且不一定位于防腐層漏點中心處,所以,最小保護電位應以斷電電位低于-0.85V為判斷準則.

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