1概述
在陰極(ji)保護中，陽(yang)極(ji)與(yu)保護結構(gou)之間的(de)土(tu)壤電(dian)阻(zu)決(jue)定了到達(da)保護結構(gou)的(de)電(dian)流密度(du)，而該電(dian)阻(zu)又決(jue)定于(yu)土(tu)壤電(dian)阻(zu)率、埋設位置(zhi)土(tu)壤的(de)截面積，以及陽(yang)極(ji)到保護結構(gou)上(shang)某一點的(de)距離。計算(suan)公式為：
Ry=r(r/A)(1)
式中Ry——陽極(ji)與保護結構之間土壤電阻(zu)，W
r——土壤電(dian)阻率(lv)，W·m
r——陽極到保護(hu)結(jie)構上(shang)某一(yi)點的距離，m
A——埋設位(wei)置(zhi)土壤的截面積，m2
以(yi)位(wei)于均勻土壤中(zhong)的(de)(de)豎(shu)直陽(yang)極為例，電(dian)流(liu)以(yi)放射狀(zhuang)分布，總電(dian)流(liu)為各(ge)方向(xiang)電(dian)流(liu)之和。對于長輸管道(dao)，由于管道(dao)各(ge)點(dian)距陽(yang)極地床的(de)(de)距離不相(xiang)等，陰極保護(hu)電(dian)流(liu)到達管道(dao)各(ge)點(dian)所經路(lu)徑的(de)(de)電(dian)阻也不相(xiang)等，因此管道(dao)各(ge)點(dian)的(de)(de)電(dian)流(liu)密度(du)也不相(xiang)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(bao)(bao)護(hu)(hu)結構(gou)某(mou)一點得到的電(dian)流(liu)與(yu)其距(ju)(ju)陽(yang)極(ji)的距(ju)(ju)離成(cheng)反(fan)比。以儲罐底部的陰極(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)為例，如果陽(yang)極(ji)距(ju)(ju)罐底太(tai)近(jin)，則電(dian)流(liu)的分布很不均勻，造成(cheng)距(ju)(ju)陽(yang)極(ji)近(jin)的一側過保(bao)(bao)護(hu)(hu)而另一側保(bao)(bao)護(hu)(hu)不夠。
如果陽(yang)極(ji)與(yu)(yu)罐(guan)底的(de)距離(li)增大，則罐(guan)底各點與(yu)(yu)陽(yang)極(ji)之間的(de)電(dian)(dian)(dian)流回路的(de)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)差減小，電(dian)(dian)(dian)流分布趨于均勻。但另一(yi)方面(mian)，由(you)于陽(yang)極(ji)與(yu)(yu)罐(guan)底的(de)距離(li)增大，回路的(de)總電(dian)(dian)(dian)阻(zu)增大，陰極(ji)保護電(dian)(dian)(dian)流減小。因(yin)此需(xu)要(yao)提高外加(jia)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，從電(dian)(dian)(dian)流分布的(de)角度出發，陽(yang)極(ji)將有一(yi)個最佳位(wei)置。
條(tiao)件允許的情(qing)況下，陽極距(ju)罐(guan)底(di)周邊(bian)的距(ju)離不小于罐(guan)直(zhi)徑。如果做不到這(zhe)一點，應采(cai)用分布(bu)(bu)式陽極或深(shen)井陽極，深(shen)井陽極的上端(duan)距(ju)地面距(ju)離不小于10m，以使(shi)電流(liu)分布(bu)(bu)均勻(yun)。英國標準BS 7361推薦罐(guan)底(di)的陰極保護采(cai)用分布(bu)(bu)式陽極。
對于(yu)受(shou)陰極(ji)(ji)保護(hu)的長輸管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)，均(jun)勻的電流(liu)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)可以通(tong)過增大陽(yang)極(ji)(ji)與管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)的間距或通(tong)過均(jun)勻布(bu)(bu)置陽(yang)極(ji)(ji)來獲得。陽(yang)極(ji)(ji)距管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)太近，會使距陽(yang)極(ji)(ji)近的管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)部位產(chan)生(sheng)過保護(hu)，而距管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)遠(yuan)的部位保護(hu)不(bu)夠；陽(yang)極(ji)(ji)距管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)太遠(yuan)，會使整條(tiao)管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)欠保護(hu)，此時若仍使管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)得到(dao)充分(fen)(fen)(fen)保護(hu)，只(zhi)有提高外(wai)加電壓。陽(yang)極(ji)(ji)的最(zui)佳位置應(ying)使管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)最(zui)遠(yuan)端得到(dao)有效保護(hu)而匯流(liu)點處不(bu)發生(sheng)過保護(hu)。由于(yu)電流(liu)分(fen)(fen)(fen)布(bu)(bu)還受(shou)到(dao)土壤電阻率、防腐層狀(zhuang)況、管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)電阻等(deng)多(duo)個因(yin)素影(ying)響(xiang)，因(yin)此陽(yang)極(ji)(ji)與管(guan)(guan)(guan)(guan)道(dao)的間距應(ying)不(bu)小于(yu)100m，一般為300～500m。
3土壤電阻率對電流分布的影響
當(dang)土(tu)(tu)壤(rang)電(dian)(dian)阻率(lv)均勻、管(guan)道(dao)(dao)電(dian)(dian)阻忽略不計時，與陽極(ji)距離最(zui)近的點電(dian)(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)最(zui)大(da)(da)。距陽極(ji)越(yue)遠(yuan)(yuan)，電(dian)(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)越(yue)小。然而(er)大(da)(da)多數土(tu)(tu)壤(rang)電(dian)(dian)阻率(lv)是不均勻的，當(dang)沿管(guan)道(dao)(dao)的土(tu)(tu)壤(rang)電(dian)(dian)阻率(lv)有較(jiao)大(da)(da)變(bian)化時，將對管(guan)道(dao)(dao)的電(dian)(dian)流(liu)(liu)分(fen)布產生(sheng)較(jiao)大(da)(da)影響。比如穿越(yue)河流(liu)(liu)的管(guan)道(dao)(dao)，由于(yu)河水的電(dian)(dian)阻率(lv)遠(yuan)(yuan)小于(yu)周圍土(tu)(tu)壤(rang)的電(dian)(dian)阻率(lv)，導致臨近河床的管(guan)道(dao)(dao)電(dian)(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)增大(da)(da)，電(dian)(dian)位(wei)下降。
當對井套(tao)管(guan)進行(xing)陰極保護時，由(you)于(yu)套(tao)管(guan)會穿過不(bu)同(tong)電(dian)阻率(lv)的(de)巖石(shi)層和土壤層，使(shi)陰極保護電(dian)流沿套(tao)管(guan)的(de)分布不(bu)均勻(yun)。與陽極之間的(de)電(dian)阻最小的(de)套(tao)管(guan)表面(mian)處(chu)電(dian)流密度最大，電(dian)位(wei)最負(fu)。
管地電(dian)(dian)(dian)位與土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)率的(de)(de)變化(hua)有(you)很大(da)關系。秦京(jing)輸油管道(dao)曾經(jing)在距(ju)(ju)泵站1km處(chu)發生了(le)腐(fu)蝕穿孔，而(er)距(ju)(ju)泵站較(jiao)遠的(de)(de)一段裸管卻腐(fu)蝕輕微，原(yuan)因(yin)是(shi)該段裸管處(chu)于(yu)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)率較(jiao)低的(de)(de)河床(chuang)處(chu)，陰(yin)極保護充(chong)分。因(yin)此，當(dang)土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)率變化(hua)大(da)或者保護結(jie)構形狀復雜(za)時，要想使電(dian)(dian)(dian)流(liu)分布均(jun)勻，有(you)效的(de)(de)措施是(shi)正(zheng)確地布置陽(yang)極。另外，在土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)率低的(de)(de)地方測得(de)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)位滿足要求，并不意味(wei)著處(chu)于(yu)土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)率高的(de)(de)地段的(de)(de)管道(dao)也得(de)到了(le)充(chong)分的(de)(de)陰(yin)極保護。
4陽極布置對電流分布的影響
陽(yang)極(ji)(ji)(ji)有多種布置方式：近(jin)間距(ju)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)、遠距(ju)離陽(yang)極(ji)(ji)(ji)、分布式陽(yang)極(ji)(ji)(ji)、集中(zhong)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)、深井(jing)陽(yang)極(ji)(ji)(ji)。
①分布(bu)式陽(yang)極
分布(bu)式(shi)陽極(ji)可有效地改善電(dian)(dian)流分布(bu)，使保(bao)護(hu)(hu)結構(gou)上(shang)的電(dian)(dian)位均勻分布(bu)。當(dang)陰極(ji)電(dian)(dian)纜(lan)或(huo)管道太(tai)長時，應(ying)考慮其電(dian)(dian)阻對電(dian)(dian)流的影(ying)響。必(bi)要時，可以另加陰極(ji)電(dian)(dian)纜(lan)和陽極(ji)電(dian)(dian)纜(lan)。保(bao)護(hu)(hu)結構(gou)復雜時，經常采(cai)用(yong)分布(bu)式(shi)陽極(ji)，見(jian)圖1。
②深井陽極(ji)
當地(di)表空間小(xiao)，不能(neng)采(cai)用(yong)分(fen)布式陽(yang)(yang)極(ji)或地(di)表土(tu)壤電阻(zu)率太高(gao)時，經(jing)常采(cai)用(yong)深(shen)井(jing)陽(yang)(yang)極(ji)(見圖2)。深(shen)井(jing)陽(yang)(yang)極(ji)的優點：占地(di)面積小(xiao)；對(dui)其他保護(hu)結(jie)構(gou)的影響小(xiao)；陽(yang)(yang)極(ji)接地(di)電阻(zu)小(xiao)；遭破壞的可能(neng)小(xiao)；對(dui)地(di)表保護(hu)結(jie)構(gou)或井(jing)套(tao)管的保護(hu)電流分(fen)布均勻；陽(yang)(yang)極(ji)接地(di)電阻(zu)受季節變化影響小(xiao)。
5參比電極位置對測量結果的影響
電(dian)(dian)(dian)(dian)流從土壤經防腐層(ceng)(ceng)流入管道時，其通路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)由兩部分組成——防腐層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)和(he)(he)土壤電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，假設管道的(de)自然電(dian)(dian)(dian)(dian)位為-0.6V(相對于(yu)銅(tong)／飽和(he)(he)硫酸銅(tong)參比電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji))，受陰極(ji)保(bao)護后保(bao)護電(dian)(dian)(dian)(dian)位為-0.9V(參比電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)位于(yu)地表)。
通路電阻計算公(gong)式為(wei)：
R=Rc+Re (2)
式中R——通路電阻，W
Rc——防腐(fu)層電(dian)阻，W
Re——土壤電阻(zu)，W
防腐層電阻計算公式為(wei)：
Re=ryc(d/A) (3)
式中rc——防腐層電(dian)阻率，W·cm
d——防腐層厚度，cm
A——防腐層表面積(ji)，cm2
土(tu)壤(rang)電阻計算(suan)公式為：
Re=rt/8rt (4)
式中rt——土壤電阻(zu)率，W·m
rt——土(tu)壤截面半徑，m
防腐(fu)層電(dian)(dian)(dian)阻率一般數量級為(wei)(wei)(wei)(wei)109～1012W·m，厚(hou)度(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)0.05～0.15cm。此處取防腐(fu)層電(dian)(dian)(dian)阻率為(wei)(wei)(wei)(wei)1×109W·cm，厚(hou)度(du)為(wei)(wei)(wei)(wei)0.05cm，土(tu)壤電(dian)(dian)(dian)阻率為(wei)(wei)(wei)(wei)1000W·cm，根據公(gong)式(3)得(de)截(jie)(jie)面積為(wei)(wei)(wei)(wei)1m2的(de)(de)(de)防腐(fu)層的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻為(wei)(wei)(wei)(wei)5000W。根據公(gong)式(4)得(de)截(jie)(jie)面積為(wei)(wei)(wei)(wei)1m2的(de)(de)(de)土(tu)壤的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)阻為(wei)(wei)(wei)(wei)2.2W。根據歐(ou)姆定律公(gong)式，得(de)流入防腐(fu)層截(jie)(jie)面積為(wei)(wei)(wei)(wei)1m2的(de)(de)(de)管(guan)道的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)(wei)(wei)(wei)60m，土(tu)壤IR降為(wei)(wei)(wei)(wei)0.13mV，可以忽略(lve)不計。因(yin)此在地表測到(dao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)位萎本為(wei)(wei)(wei)(wei)管(guan)道的(de)(de)(de)實際保護電(dian)(dian)(dian)位。
如(ru)果防腐(fu)層有漏點(dian)，防腐(fu)層電阻顯著減小，外加(jia)電流明顯增(zeng)大，土壤(rang)中的IR降增(zeng)大，在地表產(chan)生電壓(ya)場(chang)，電壓(ya)場(chang)的梯度(du)與范圍受漏點(dian)大小、漏點(dian)與陽極地床(chuang)的距(ju)離(li)、土壤(rang)電阻率等多(duo)個因(yin)素(su)影響(xiang)。
①如果參比電(dian)(dian)極位于漏點中心正上方，即在(zai)電(dian)(dian)壓場的中心，則沒有電(dian)(dian)流自(zi)該點流入管道，所(suo)測電(dian)(dian)位為管道的實(shi)際保護電(dian)(dian)位，不含(han)IR降。
②如果參比(bi)電(dian)極位(wei)(wei)置(zhi)偏離電(dian)壓場(chang)中心，則所(suo)測電(dian)位(wei)(wei)偏負(fu)，含有(you)IR降(jiang)，不(bu)能(neng)反(fan)映該(gai)處(chu)管(guan)道(dao)(dao)防(fang)(fang)腐層漏(lou)點(dian)(dian)(dian)的實際保(bao)護(hu)(hu)狀況。由于管(guan)道(dao)(dao)所(suo)處(chu)的環境復雜(za)(za)，防(fang)(fang)腐層漏(lou)點(dian)(dian)(dian)大(da)小、分(fen)(fen)布差(cha)異大(da)，使地(di)表電(dian)壓場(chang)復雜(za)(za)，參比(bi)電(dian)極很難恰好位(wei)(wei)于電(dian)壓場(chang)中心。因此，管(guan)道(dao)(dao)電(dian)位(wei)(wei)測量(liang)值中可能(neng)含有(you)IR降(jiang)。在(zai)測試樁處(chu)測量(liang)管(guan)地(di)電(dian)位(wei)(wei)時，由于不(bu)了解測點(dian)(dian)(dian)處(chu)管(guan)道(dao)(dao)防(fang)(fang)腐層的狀況，所(suo)測電(dian)位(wei)(wei)只能(neng)粗略地(di)說明該(gai)部分(fen)(fen)管(guan)道(dao)(dao)陰極保(bao)護(hu)(hu)的大(da)概狀況，以(yi)及測點(dian)(dian)(dian)附近0.5m范圍內的漏(lou)點(dian)(dian)(dian)是(shi)否(fou)得(de)到了充(chong)分(fen)(fen)的陰極保(bao)護(hu)(hu)，而(er)不(bu)能(neng)說明管(guan)道(dao)(dao)的所(suo)有(you)漏(lou)點(dian)(dian)(dian)處(chu)是(shi)否(fou)都得(de)到了充(chong)分(fen)(fen)保(bao)護(hu)(hu)。
③如果所(suo)測電(dian)(dian)位比-0.85V正(zheng)，則此處管道一(yi)(yi)定沒有(you)得到充分(fen)保(bao)(bao)護；而所(suo)測電(dian)(dian)位比-0.85V負(fu)時，此處管道防腐(fu)(fu)層(ceng)漏點(dian)處也不一(yi)(yi)定就得到了(le)充分(fen)的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護，認(ren)為陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護良好的(de)(de)(de)管道卻發(fa)生腐(fu)(fu)蝕穿孔(kong)的(de)(de)(de)實例已充分(fen)證明了(le)這一(yi)(yi)觀點(dian)。因(yin)此，正(zheng)確(que)測量管地(di)電(dian)(dian)位的(de)(de)(de)關鍵(jian)是(shi)將參比電(dian)(dian)極(ji)(ji)靠近漏點(dian)處，位于陰(yin)極(ji)(ji)電(dian)(dian)壓場中心(xin)。只有(you)使用(yong)直流電(dian)(dian)位梯度法(DCVG)和近間(jian)距管地(di)電(dian)(dian)位法(CIPS)相結合(he)，或(huo)瞬時斷(duan)電(dian)(dian)法才(cai)能準確(que)地(di)判斷(duan)管道是(shi)否得到了(le)充分(fen)的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護。
6結論及建議
①影響電(dian)(dian)流分布的因(yin)素(su)眾多，主(zhu)要有三方(fang)面(mian)：土(tu)壤電(dian)(dian)阻率(lv)(lv)、陽極與保護結(jie)構的距離以及防(fang)腐層質量。土(tu)壤電(dian)(dian)阻率(lv)(lv)、陽極與保護結(jie)構距離大(da)有利于改善(shan)電(dian)(dian)流分布，小則不利于改善(shan)電(dian)(dian)流分布；防(fang)腐層質量好有利于電(dian)(dian)流分布，不好則反(fan)之。
②陰(yin)極(ji)保護設(she)計成(cheng)功與否的(de)關鍵是陽極(ji)的(de)布(bu)置(zhi)，對于區域性陰(yin)極(ji)保護，這一點(dian)更為重要。對于防(fang)腐(fu)層老(lao)化的(de)管(guan)道，采(cai)用柔性陽極(ji)可有效改善(shan)電流(liu)分布(bu)，減小外(wai)加電流(liu)，延(yan)長(chang)管(guan)道壽命(ming)。
③在管地電(dian)(dian)位(wei)(wei)測(ce)量工作中，要(yao)(yao)充分認識土壤電(dian)(dian)阻率、陽極位(wei)(wei)置、防腐(fu)層漏(lou)點大小及分布對(dui)測(ce)量結(jie)果的(de)(de)(de)影響。盡(jin)管在測(ce)試樁處(chu)測(ce)到的(de)(de)(de)結(jie)果滿足保(bao)護要(yao)(yao)求，這并不意味(wei)整條管道都處(chu)于有效的(de)(de)(de)陰(yin)極保(bao)護之下，管地電(dian)(dian)位(wei)(wei)測(ce)量的(de)(de)(de)關鍵是將參比電(dian)(dian)極位(wei)(wei)于防腐(fu)層漏(lou)點處(chu)，而實(shi)際上做到這一(yi)點是很困難的(de)(de)(de)，可靠的(de)(de)(de)方法(fa)是進行近(jin)間距管地電(dian)(dian)位(wei)(wei)測(ce)量(CIPS)或用直流(liu)電(dian)(dian)位(wei)(wei)梯度法(fa)(DCVG)測(ce)量漏(lou)點處(chu)的(de)(de)(de)實(shi)際保(bao)護電(dian)(dian)位(wei)(wei)。
④對于區域(yu)性(xing)陰極保(bao)護，判斷保(bao)護結(jie)構是否(fou)(fou)得到了有(you)效(xiao)的(de)陰極保(bao)護，應(ying)使參比(bi)電(dian)極位于被測保(bao)護結(jie)構附近，我國(guo)陰極保(bao)護測量規(gui)范中規(gui)定的(de)遠參比(bi)電(dian)極法，不能說明保(bao)護結(jie)構是否(fou)(fou)得到了有(you)效(xiao)的(de)陰極保(bao)護。
