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阴极保护电流分布及电位测量

发布时间:2017-06-23  

1概述

在阴极保护中,阳极与保护结构之间的土壤电阻决定了到达保护结构的电流密度,而该电阻又决定于土壤电阻率、埋设位置土壤的截面积,以及阳极到保护结构上某一点的距离。计算公式为:

Ry=r(r/A)(1)

式中Ry——阳极与保护结构之间土壤电阻,W

r——土壤电阻率,W·m

r——阳极到保护结构上某一点的距离,m

A——埋设位置土壤的截面积,m2

以位于均匀土壤中的竖直阳极为例,电流以放射状分布,总电流为各方向电流之和。对于长输管道,由于管道各点距阳极地床的距离不相等,阴极保护电流到达管道各点所经路径的电阻也不相等,因此管道各点的电流密度也不相等。

2阳极与保护结构的距离分析

假定其他因素恒定,储罐、管道等保护结构某一点得到的电流与其距阳极的距离成反比。以储罐底部的阴极保护为例,如果阳极距罐底太近,则电流的分布很不均匀,造成距阳极近的一侧过保护而另一侧保护不够。

如果阳极与罐底的距离增大,则罐底各点与阳极之间的电流回路的电阻差减小,电流分布趋于均匀。但另一方面,由于阳极与罐底的距离增大,回路的总电阻增大,阴极保护电流减小。因此需要提高外加电压,从电流分布的角度出发,阳极将有一个最佳位置。

条件允许的情况下,阳极距罐底周边的距离不小于罐直径。如果做不到这一点,应采用分布式阳极或深井阳极,深井阳极的上端距地面距离不小于10m,以使电流分布均匀。英国标准BS 7361推荐罐底的阴极保护采用分布式阳极。

对于受阴极保护的长输管道,均匀的电流分布可以通过增大阳极与管道的间距或通过均匀布置阳极来获得。阳极距管道太近,会使距阳极近的管道部位产生过保护,而距管道远的部位保护不够;阳极距管道太远,会使整条管道欠保护,此时若仍使管道得到充分保护,只有提高外加电压。阳极的最佳位置应使管道最远端得到有效保护而汇流点处不发生过保护。由于电流分布还受到土壤电阻率、防腐层状况、管道电阻等多个因素影响,因此阳极与管道的间距应不小于100m,一般为300~500m。

3土壤电阻率对电流分布的影响

当土壤电阻率均匀、管道电阻忽略不计时,与阳极距离最近的点电流密度最大。距阳极越远,电流密度越小。然而大多数土壤电阻率是不均匀的,当沿管道的土壤电阻率有较大变化时,将对管道的电流分布产生较大影响。比如穿越河流的管道,由于河水的电阻率远小于周围土壤的电阻率,导致临近河床的管道电流密度增大,电位下降。

当对井套管进行阴极保护时,由于套管会穿过不同电阻率的岩石层和土壤层,使阴极保护电流沿套管的分布不均匀。与阳极之间的电阻最小的套管表面处电流密度最大,电位最负。

管地电位与土壤电阻率的变化有很大关系。秦京输油管道曾经在距泵站1km处发生了腐蚀穿孔,而距泵站较远的一段裸管却腐蚀轻微,原因是该段裸管处于电阻率较低的河床处,阴极保护充分。因此,当土壤电阻率变化大或者保护结构形状复杂时,要想使电流分布均匀,有效的措施是正确地布置阳极。另外,在土壤电阻率低的地方测得的电位满足要求,并不意味着处于土壤电阻率高的地段的管道也得到了充分的阴极保护。

4阳极布置对电流分布的影响

阳极有多种布置方式:近间距阳极、远距离阳极、分布式阳极、集中阳极、深井阳极。

①分布式阳极

分布式阳极可有效地改善电流分布,使保护结构上的电位均匀分布。当阴极电缆或管道太长时,应考虑其电阻对电流的影响。必要时,可以另加阴极电缆和阳极电缆。保护结构复杂时,经常采用分布式阳极,见图1。

②深井阳极

当地表空间小,不能采用分布式阳极或地表土壤电阻率太高时,经常采用深井阳极(见图2)。深井阳极的优点:占地面积小;对其他保护结构的影响小;阳极接地电阻小;遭破坏的可能小;对地表保护结构或井套管的保护电流分布均匀;阳极接地电阻受季节变化影响小。

5参比电极位置对测量结果的影响

电流从土壤经防腐层流入管道时,其通路电阻由两部分组成——防腐层电阻和土壤电阻,假设管道的自然电位为-0.6V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极),受阴极保护后保护电位为-0.9V(参比电极位于地表)。

通路电阻计算公式为:

R=Rc+Re    (2)

式中R——通路电阻,W

Rc——防腐层电阻,W

Re——土壤电阻,W

防腐层电阻计算公式为:

Re=ryc(d/A)    (3)

式中rc——防腐层电阻率,W·cm

d——防腐层厚度,cm

A——防腐层表面积,cm2

土壤电阻计算公式为:

Re=rt/8rt         (4)

式中rt——土壤电阻率,W·m

rt——土壤截面半径,m

防腐层电阻率一般数量级为109~1012W·m,厚度为0.05~0.15cm。此处取防腐层电阻率为1×109W·cm,厚度为0.05cm,土壤电阻率为1000W·cm,根据公式(3)得截面积为1m2的防腐层的电阻为5000W。根据公式(4)得截面积为1m2的土壤的电阻为2.2W。根据欧姆定律公式,得流入防腐层截面积为1m2的管道的电流为60m,土壤IR降为0.13mV,可以忽略不计。因此在地表测到的电位萎本为管道的实际保护电位。

如果防腐层有漏点,防腐层电阻显著减小,外加电流明显增大,土壤中的IR降增大,在地表产生电压场,电压场的梯度与范围受漏点大小、漏点与阳极地床的距离、土壤电阻率等多个因素影响。

①如果参比电极位于漏点中心正上方,即在电压场的中心,则没有电流自该点流入管道,所测电位为管道的实际保护电位,不含IR降。

②如果参比电极位置偏离电压场中心,则所测电位偏负,含有IR降,不能反映该处管道防腐层漏点的实际保护状况。由于管道所处的环境复杂,防腐层漏点大小、分布差异大,使地表电压场复杂,参比电极很难恰好位于电压场中心。因此,管道电位测量值中可能含有IR降。在测试桩处测量管地电位时,由于不了解测点处管道防腐层的状况,所测电位只能粗略地说明该部分管道阴极保护的大概状况,以及测点附近0.5m范围内的漏点是否得到了充分的阴极保护,而不能说明管道的所有漏点处是否都得到了充分保护。

③如果所测电位比-0。85V正,则此处管道一定没有得到充分保护;而所测电位比-0。85V负时,此处管道防腐层漏点处也不一定就得到了充分的阴极保护,认为阴极保护良好的管道却发生腐蚀穿孔的实例已充分证明了这一观点。因此,正确测量管地电位的关键是将参比电极靠近漏点处,位于阴极电压场中心。只有使用直流电位梯度法(DCVG)和近间距管地电位法(CIPS)相结合,或瞬时断电法才能准确地判断管道是否得到了充分的阴极保护。

6结论及建议

①影响电流分布的因素众多,主要有三方面:土壤电阻率、阳极与保护结构的距离以及防腐层质量。土壤电阻率、阳极与保护结构距离大有利于改善电流分布,小则不利于改善电流分布;防腐层质量好有利于电流分布,不好则反之。

②阴极保护设计成功与否的关键是阳极的布置,对于区域性阴极保护,这一点更为重要。对于防腐层老化的管道,采用柔性阳极可有效改善电流分布,减小外加电流,延长管道寿命。

③在管地电位测量工作中,要充分认识土壤电阻率、阳极位置、防腐层漏点大小及分布对测量结果的影响。尽管在测试桩处测到的结果满足保护要求,这并不意味整条管道都处于有效的阴极保护之下,管地电位测量的关键是将参比电极位于防腐层漏点处,而实际上做到这一点是很困难的,可靠的方法是进行近间距管地电位测量(CIPS)或用直流电位梯度法(DCVG)测量漏点处的实际保护电位。

④对于区域性阴极保护,判断保护结构是否得到了有效的阴极保护,应使参比电极位于被测保护结构附近,我国阴极保护测量规范中规定的远参比电极法,不能说明保护结构是否得到了有效的阴极保护。





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