在核電廠區、油氣廠站等區域存在多種材料、管徑及長度不一的鋼質管道,且其與龐大的接地網集中在同一區域內,易造成嚴重腐蝕。接地網有效降低了電擊及雷擊的危害,可以對整個廠站進行安全防護。但研究發現,當廠站中使用區域性陰極保護時,接地網與管道電連接會使電流需求量成倍增加,并且會使管道電位分布不均,管道同時存在過保護和欠保護的風險[1-2]。

針對上述現象,許多研究者進行了更深入的討論。有研究者認為,接地對管道影響的主要原因是接地材料與管道材料存在電偶腐蝕。將其共同埋入一定區域內的土壤中,接地材料的自腐蝕電位比管道材料的更正,這使得陰極保護電流無序流失且沿線管道電位分布不均[3]。因此,探尋接地對管道的陰極保護影響規律是十分重要的。要使陰極保護系統達到較好的保護效果,應盡可能使被保護設施遠離接地,但這受限于廠站內的有限空間[4-5]。不同接地材料的電負性不同,對管道的影響也不同,一些陽極性材料如鍍鋅鋼、鋅陽極及不銹鋼是目前較為理想的接地材料[6-8],相較于銅接地,它們更能與區域性陰極保護系統兼容[9-11]。目前相關研究仍主要集中于接地材料,雖然已有許多研究證實陽極性材料與區域性陰極保護系統更兼容,但仍會造成陰極保護電流流失,使管道電位分布不均甚至管道出現欠保護。而對于已建廠站,將早期使用的銅接地材料完全更換為陽極性材料較為困難,故開展銅接地對臨近鋼質埋地管道陰極保護影響研究具有現實意義。

數值模擬技術應用于陰極保護的電場計算已較為成熟,目前已有多項研究及實踐證明了數值模擬技術的可靠性[12-17],特別是邊界元算法用于大型廠站中復雜結構物的陰極保護計算,大大提高了計算效率,使工程具有預見性[18-20]。運用邊界元方法還可詳細研究陰極保護在不同條件（如介質環境、相對位置及自身極化特性等）下的電位及電流分布規律[21-22],這為陰極保護的發展應用提供便利。

筆者通過室內試驗對廠站埋地管道及接地材料極化行為進行了測試,以此為邊界條件,采用數值模擬方法對3種因素影響下接地對管道陰極保護電流和電位分布的變化規律進行了分析,建立等效電路,對變化規律進行理論分析,推導了電流分配公式并驗證了公式的可靠性,以期為工程實踐中分析接地對陰極保護電流需求影響及對管道電位分布影響提供借鑒。

1. 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為某廠站取得的20號碳鋼管材及銅接地。根據試驗要求,對材料進行車加工,將管材切割為?20 mm×10 mm的圓柱形棒狀試樣,以圓柱一端圓形面為工作面,非工作面用環氧樹脂封裝,將銅接地切割為?16 mm×20 mm的圓柱形棒狀試樣,以圓柱側面為工作面,非工作面使用環氧樹脂封裝,考慮廠站內局部土質差異,試驗介質取自某站場不同位置,分別為土壤1和土壤2。將制備完好的20號碳鋼及銅接地試樣放入兩種土壤中充分靜置,待其開路電位穩定后,再進行極化行為測試。

1.2 極化行為測試

極化測試采用標準三電極體系,工作電極為待測試樣（帶涂層的20號管材試樣和銅接地試樣）,參比電極為銅/飽和硫酸銅電極（CSE）,輔助電極為石墨電極。陰極極化測試由電化學工作站完成,采用恒電位控制模式,管道材料的極化電位為-850,-1 000,-1 150,-1 300 mV（電位相對于銅/飽和硫酸銅參比電極,以下電位若無特指,均相對于該參比電極）,接地材料極化電位為-550,-700,-850,-1 000,-1 150,1 300 mV。首先進行30 min開路電位測試,待開路電位穩定后采用恒電位測量極化電位下的電流密度,每組恒電位測試時間為2 h,將所得極化曲線作為極化邊界條件用于后續數值模擬計算。

1.3 數值模擬

1.3.1 模型建立及網格劃分

采用邊界元商用軟件BEASY Corrosion & CP進行模擬,選取廠站中常見的接地與管道的基礎結構,為消除陽極地電位對管道及接地的影響,采用深井遠陽極,并采用Beasy GID模塊創建模型。根據管道和接地的特點即一個方向上的比例遠遠大于另外兩個方向上的比例,假設銅接地一橫截面的電位相同,選用將管道和接地當作常值單元加一個橫截面的管單元結構,對管道及接地進行離散。

建立2 000 m×2 000 m×2 000 m正方體模型,內為土壤,取現場實測平均分層土壤電阻率,設置土壤縱向分層,土壤電阻率如表1所示,各材料表面極化狀態由極化電位與極化電流密度關系表示,根據實測結果確定不同材質在不同條件下的極化行為。

1.3.2 極化邊界條件

1.2節中極化行為測試獲得的極化曲線即為數值模擬計算中的邊界條件,銅接地材料在不同土壤中的極化邊界條件測試結果如圖1（a）所示：當極化電位為-750~0 mV時,銅接地試樣在兩種土壤中的陰極極化電流密度相差不大；在-850 mV極化電位條件下,銅接地在土壤1和土壤2中的穩定電流密度分別為241 mA/m2和736 mA/m2；當極化電位負于-850 mV,銅接地試樣在兩種土壤中的陰極極化電流密度出現較大差距。這種差異對埋地管道電位分布和電流密度分布的影響將在數值模擬中進行探討。由于土壤1的電阻率更接近于現場實測土壤平均電阻率,因此將銅接地試樣與管道共同置于土壤1中進行測試,結果見圖1（b）：銅接地材料的極化電流密度是管道的幾千甚至幾萬倍,當極化電位為-850 mV時,管道的極化電流密度為0.06 mA/m2,銅接地試樣的極化電流密度為241 mA/m2。

圖 1試樣在不同條件下的E-I曲線

Figure 1.E-Icurves of samples under different conditions:（a)E-Icurves of copper grounding in different soils; (b)E-Icurves of copper grounding and pipeline in soil No.1

1.3.3 數值模擬參數設置

考慮到實際廠站中不同區域內銅接地的極化行為（即接地的極化電流密度）差異較大、接地長度不一、管道管徑多樣,采用數值模擬對3種因素（銅接地極化行為、管徑及接地長度）影響下,管道陰極保護電流和電位分布規律進行模擬分析,參數設置見表2。鋼質管道埋深2 m,接地埋深1 m,二者相對位置分別為并行和交叉。深井陽極設定輸出相同的陰極保護電流（434.67 mA）。

2. 結果與討論

2.1 影響因素

2.1.1 銅接地極化電流密度的影響

當接地與管道并行,并行間距為管徑的3倍即3d時,在土壤1中,流入銅接地的電流為427.81 mA,銅接地吸收了98.24%的陰極保護總電流,流入管道的陰極保護電流為6.86 mA,占比為1.76%。而在土壤2中,流入接地的電流增加到431.48 mA,流入管道的陰極保護電流降低為3.19 mA,占比僅為0.73%,這是由于在土壤2中,銅接地陰極極化所需極化電流密度更大,因此吸收了更多的陰極保護電流,管道得到的陰極保護電流降低。由圖2可見：在土壤1中,管道的保護電位為-956~-921 mV,保護電流密度為0.079 8~0.088 8 mA/m2,此時管道達到了-850 mV（最小保護電位準則）,且保護電位和電流密度分布相對均勻,管道得到良好的陰極保護；而在土壤2中,管道的保護電位為-835~-803 mV,保護電流密度為0.033 7~0.052 3 mA/m2,電位不滿足-850 mV的最小保護電位準則,管道處于欠保護狀態,這是由于銅接地吸收了更多電流,管道所得陰極保護電流不足。

圖 2不同土壤條件下管道沿線電位及電流密度分布（接地與管道并行）

Figure 2.Distribution of potential (a) and current density (b) along the pipeline under different soil conditions (the grounding in parallel with the pipeline)

當接地與管道30°交叉,交叉點垂直間距為1 m時,在土壤1中,流入接地的電流為426.91 mA,銅接地吸收了98.21%的陰極保護總電流,與并行時的電流吸收量接近,流入管道的陰極保護電流為7.76 mA,占比為1.79%；而在土壤2中,流入接地的電流增至429.90 mA,流入管道的電流降低至4.77 mA,占比為1.10%。由圖3可見,在土壤1中,管道的保護電位為-1 013 ~-926 mV,電流密度為0.080 9~0.117 4 mA/m2,保護電位和電流密度分布不均勻性較接地與管道并行時的增加,管道兩端受到保護,管道中間出現欠保護。在土壤2中,管道的保護電位為-895 ~-808 mV,電流密度為0.036 6~0.072 8 mA/m2,其規律與在土壤1中的類似,此時管道兩端也受到保護,而在交叉點附近電位與并行時的相比更正。這表明,銅接地不僅會吸收陰極保護電流,在銅接地與管道交叉時還會造成鄰近管道沿線電位分布不均勻,這是因為流入接地中的電流會在管道沿線產生不均勻的地電場。銅接地極化電流密度增大,這種不均勻性將進一步增加。

圖 3不同土壤條件下所得管道沿線電位分布及電流分布結果（接地與管道交叉）

Figure 3.The results of potential distribution (a) and current density distribution (b) along the pipeline under different soil conditions (the grounding and pipeline crossing)

2.1.2 管徑的影響

在計算模型中,管道電位和電流密度對稱分布,選取一側作圖分析。由圖4和圖5可見,當管道和接地并行間距或交叉角度相同時,隨著管徑d的增大,管道電位整體正移,對應陰極保護電流密度逐漸減小。以交叉角度為90°為例,隨著管徑增大,管道表面積增加,陰極保護電流增加,但對應陰極保護電流密度逐漸減小,管道電位整體正移,當管徑為102,508,914 mm時,陰極保護電流分別為1.93,8.67,14.43 mA。

圖 4接地極與管道并行條件下,管徑及并行間距對管道電位分布及電流分布的影響

Figure 4.The influence of pipe diameter and parallel distance on pipeline potential (a) distribution and current density distribution (b) under the condition of parallel grounding electrode and pipeline

圖 5接地極與管道并行交叉條件下,管徑及交叉角度對管道電位分布及電流分布的影響

Figure 5.The influence of pipe diameter and intersection angle on pipeline potential distribution (a) and current density distribution (b) under the condition of parallel intersection of grounding electrode and pipeline

當兩個因素（管徑、并行間距或交叉角度）共同影響時,508 mm中管徑的1.5d并行間距與914 mm大管徑的3d并行間距影響效果大致相同。102 mm小管徑的30°交叉角度與508 mm中管徑的60°交叉角度影響效果大致相同。由此可見,管道電位分布由多種因素共同影響。其中,管徑越大即表面積越大,管道電位越正；當接地與管道并行間距增加或交叉角度變大,接地流失的陰極保護電流降低,管道將會得到更多的陰極保護電流,接地對管道的影響變小；當相對位置與管徑兩種因素共同作用時,并行間距近的或交叉角度小的914 mm大管徑管道的電位將會更正,這是由于當陰極保護總輸出電流不變時,近距離及交叉角度小都會使大部分電流流向接地,914 mm大管徑管道表面積更大,因此管道受到保護電流密度會更小,管道的電位會更正。

2.1.3 接地長度的影響

當深井陽極輸出電流相同時,接地極與管道并行（并行間距為1.5d）條件下接地長度對管道電位分布及電流分布的影響見圖6。可以看出,隨著接地長度由25 m依次增加到50 m、75 m和100 m,管道的電流由75.67 mA依次減少為6.71 mA、-1.65 mA和-6.77 mA,即大部分陰極保護電流將流向接地,管道電位整體逐步正移。當接地長度為25 m時,管道最負電位為-1 400 mV,管道處于過保護狀態。當接地長度為100 m時,管道最正電位約為-600 mV,管道處于欠保護狀態。當接地長為75 m及100 m時,管道的電流密度小于0。當陽極的輸出總電流不變時,增加接地長度即增加了接地的表面積,接地會吸收更多的保護電流,累計到一定值,因銅接地與鋼質管道間產生的電偶作用,管道將作為陽極向接地提供電流,就會出現管道電流密度小于0的情況,接地長度即接地的表面積對管道電位分布及電流分布影響較大。當接地與管道30°交叉,交叉點垂直間距為1 m時,接地長度對管道電位分布及電流分布的影響見圖7,其影響規律與并行條件下的相似。

圖 6接地極與管道并行條件下,接地長度對管道電位分布及電流分布的影響

Figure 6.The influence of grounding length on pipeline potential distribution (a) and current density distribution (b) under the condition of parallel between grounding electrode and pipeline

圖 7接地極與管道交叉條件下,接地長度對管道的電位分布及電流分布的影響

Figure 7.The influence of grounding length on the potential distribution (a) and current density distribution (b) of pipelines under the condition of crossing grounding electrode and pipeline

2.2 影響規律

2.2.1 等效電路

根據接地對埋地管道影響的模擬規律分析結果可知,保護電流分配是影響管道電位分布的主要原因,材質、相對位置、極化行為等都會引起電流分配的改變。管道與接地直接電連接時,絕大部分保護電流將流向接地,陽極輸出電流的需求大大增加,而流失的電流正是造成管道電位不均勻的主要原因。通過研究分析,大地、接地、管道及陽極構成完整回路,回路中存在自身極化電阻及土壤介質電阻。陽極輸出的電流經過回路電阻時會產生電壓,由此可以推導出整個回路的等效電路圖如圖8所示。圖中,Ip為流向管道的保護電流,Ig為流向接地的保護電流,Rpp為管道的極化電阻,Rp為管道的對地電阻,Rgg為接地的極化電阻,Rg為接地的對地電阻,Ep為管道的自然電位,Eg為接地的自然電位。

圖 8陰極保護回路圖及等效電路圖

Figure 8.Cathodic protection circuit diagram (a) and equivalent circuit diagram (b)

以遠大地為零電勢點時,電流流入管道與電流流入接地兩端電壓相等且總保護電流為流入接地電流與流入管道電流之和,如式（1）至（3）所示,根據陰極保護手冊[22],對地電阻主要與土壤電阻（ρ）、管徑（D）、管長（l）及埋深（t）有關,見式（4）,推導出流入接地的電流分配公式,見式（5）。

式中：tp為管道埋深；tg為接地埋深；Dp為管道直徑；Dg為接地直徑；ρ為介質電阻率；lg為接地長度；lp為管道長度。

保護電流流入接地,將會產生地電場,如式（6）所示,地電位將是造成管道沿線分布不均的原因。

式中：t為接地埋深；I為流入接地的電流；r為接地與產生電壓的某點的距離；ρ為介質電阻率。

2.2.2 數值模擬驗證

為了驗證上述公式推導的可靠性,選取兩組不同管徑,不同相對位置的模擬結果,如表（3）所示。通過測試不同材料的極化電阻,采用上述等效電路推導公式,用管道不同極化電位下對應的極化電阻求得接地流入電流（Iground）,結果見表（4）,其中,管道和接地的自然電位分別為-745 mV和-79 mV,長度均為50 m；土壤電阻率為21 Ω·m；采用公式（4）計算得到102 mm管道、914 mm管道和接地的對地電阻分別為0.48,0.63,0.82 Ω。對比表4和表3,可以看出表4中采用推導公式得出流入接地的電流與表3中的模擬結果相近,不同管徑和交叉并行關系對應的電流變化趨勢相同。

通過上文計算所得電流可進一步根據公式（6）計算接地對管道電位分布的影響,由于接地和管道較長,接地各個位置對管道不同位置的影響不同,為此將接地和管道分成多段,分別計算每段接地對每段管道電位的影響,根據疊加原理確定整個接地對管道不同位置即不同段的總影響。以102 mm管道并行間距1.5d為例進行計算：將管道及接地各等分成10段,假設每段接地分配到的電流量一致,計算每段接地在每段管道處產生的地電位,再根據電位疊加原理,計算每段管道總的地電位分布,結果如圖9所示。由圖9可見,接地影響下管道不同位置的最大電位差為33 mV（即管道兩端與中心的差值）,這與模擬計算結果（電位差為33.19 mV）幾乎一致。由此可知,當接地與管道電連接時,管道沿電位差異主要為流入接地電流在管道沿線產生的地電位差異。

圖 9等效電路法獲得接地電流引起的管道沿線地電位分布

Figure 9.Ground potential distribution along pipelines caused by grounding current obtained by circuit method

3. 結論

（1）在3種因素（極化電流密度、管徑及接地長度）作用下,接地對于管道電位的影響首先體現在陰極保護電流分配上。接地的極化電流密度、長度及其與管道的相對位置為主要因素,管徑的影響相對較小為次要因素。接地所需極化電流密度增加,接地長度增加或接地鄰近管道時,接地獲取的電流增加,埋地管道所受陰極保護電流流失量增加,管道電位明顯正移。

（2）接地除了吸收陰極保護電流外,還可能在管道沿線產生不均勻的地電位,這是造成管道沿線電位分布不均的主要原因之一。

（3）將大地、接地、管道及陽極構成一個等效回路,電流經過自身的極化電阻和對地電阻時會產生電壓,根據等效電路模型進行公式推導,采用推導公式得出的接地電流與模擬結果接近,證實了公式的有效性。該公式可用于接地流失陰極保護電流及其對管道電位分布影響的預測。

文章來源——材料與測試網