四极法电阻率测量在石油管道防腐蚀中的应用

许 越，刘兆彬

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东青岛 266590)

四极法电阻率测量在石油管道防腐蚀中的应用

许 越，刘兆彬

(山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东青岛 266590)

土壤电阻率是地下石油管道一个重要的腐蚀性指标，因为管道的腐蚀程度和土壤电阻率的大小密切相关。本文介绍了四极法电阻率测量的原理和实施过程，并应用于某石油管道周围土壤的勘测，对测试数据做了处理和分析，为输油管道施工设计的防腐蚀提供了科学依据。

土壤电阻率 土壤腐蚀 电极 四极法

Xu Yue, Liu Zhao-bin. Application of the four-electrode resistivity method to anti-corrosion design of oil pipelines[J].Geology and Exploration, 2016,52(3):0551-0555.

土壤电阻率和埋藏在土壤中的输油管道的腐蚀程度有着密切的关系(郭海旺，1993；宋光玲等，1993)。土壤电阻率是表征受腐蚀管道影响的周围土壤状况的一个重要物理参数。本文结合工程实际，运用高密度电法中的四极法对土壤电阻率进行测试，从而为土壤中输油管道的接地设计提供方法和技术。

1 工程概述

测量工程地点位于山东省青岛胶州青兰高速沿线，沿黄潍石油管道预铺设线路共选择不同测点30个，每个测点平均相距1000m～2000m左右，每个测点的地质环境有所差异。由于横向和纵向的土壤电阻率变化趋势不同，实际测量时纵向要大于横向的变化。结合不同的现场实际情况和工程环境，测量出的数据需要进一步的分析。本技术不考虑土壤深层变化对土壤电阻率的影响，只对接地装置几米以内的上层土壤层测量研究。

2 测量方法

目前，工程中常用的测量土壤电阻率的方法很多。常用的方法主要有：两极法、三极法、四极法、土壤试样分析法和电磁测探等。四极法以其高效、便捷等适应于工程的优点成为了主要的方法。在电力和管道接地等工程中这种测量方法有着广泛的应用，应用这种方法可以根据电力和管道接地工程中的实际情况进行有效的接地设计。因此，这种电法测试技术有着相当广泛的应用和良好的工程效果，成为工程中重要的测试技术之一(王文龙等，1995； 祝应宏等，2011；周密等2011)。四极法土壤电阻率测试基本工作方式是在同一直线上布置测量电极和供电电极的，其原理如图1所示。

图1 四极法土壤电阻率测试原理图Fig.1 Schematic diagram of four-electrode method to measure soil resistivity

2.1 四极法测试土壤电阻率的工作原理

土壤电阻率作为土壤的基本物理特性之一，通常情况下，指在电场作用下，测量单位体积内土壤的正方体相对两面间的电流的导电性能。目前工程上的，取1m3的正方体土壤电阻值作为土壤电阻率ρ的标准，土壤电阻率用的单位为Ω·m。

同一地层或不同地层中的土壤成分和结构都会影响运用四极法进行土壤电阻率的测试。一般通过接地电极将直流电直接供入地下来建立人工场。主要是通过在地表观测某点垂直方向上的电阻率变化来分析，进而了解地层，研究土壤电阻率的分布特点(张献民等，1990；李富等，2006；雷宛等，2007；秦福刚等，2007；陈益杰，2009)。如图 1的四极法土壤电阻率测试原理图所示，其中MN、AB分别为测量电极和供电电极，当供电电极开始供电时用仪器测出供电电流I，然后在任意两点M、N来测量期间的电位差，根据(1.1)式便可求出MN两点的电位。

(1.1)

显然，AB在MN间所产生的电位差为

(1.2)

通过上式可得到电阻率的计算公式为

(1.3)

其中ρ为土壤的电阻率，单位Ω·m;ΔU为测量电极间的电位差，单位mV； I 为供电回路的电流强度，单位mA；装置系数用字母K来表示，其与供电和测量电极间距有关，单位为m，按下式计算：

(1.4)

2.2 四极法测试土壤电阻率的工作方法

测试布极时将四个测试接地电极以相等的间距打入地下，电极打入深度应小于电极间距的5%。考虑到每一测点土壤电阻率的不均匀性，本次测量采用高密电阻率温纳四极(AMNB)装置测量方式，即AMNB等间隔排列。通常实际工作中测量的地层既不均匀也不同性，用视电阻率ρs来表示实际中测量的电阻率。

该系统在实际测量时的电极组合是通过电极转换开关实现的，当把点距设为x的时候，测量系统的电极距a=nx(n=1,2,3,…)，视电阻率的计算公式分别为：

(1.5)

具体测量方法为：首先沿着地面测线以固定点距布置一系列的电极，间距为x，由此可得测量装置的电极间距为a=ix(i=1,2,…n)。通过转换开关把相距为a的一组电极接到仪器上，装置类型也通过转换开关来实现，对于ρs观测要对该测点上各种装置形式一次性完成。电极排列的记录点取在中点位置，记录深度为a，如图2所示。一个测点观测完后，紧接着进行下一相邻测点对应的电极的观测，用转换开关来完成不同间距的转换，同一间距的整条剖面都要以同样的方法进行观测。完成一个间距的测量之后，根据以上测量的步骤，多次测量不同间距的剖面。

图2 测量点和深度记录点图Fig.2 Measurement points and depth record points

一般依据探测精度要求来进行点距x的选择，通常精度要求越大，x就越小。预期探测深度大小决定了最大电极距a=nx。探测精度要求是点距x的选择的主要依据。

3 高密度电阻率法野外勘探方法研究

工程实践证明，在高密度电法勘探工作中，野外数据采集是影响高密度电阻率法勘探的准确性最主要的基础工作。保证野外数据采集的高质量效果的途径是：在数据采集阶段、接地电阻测试阶段以及准备阶段要准确仔细，针对出现的问题做出有效的应对措施，避免问题的出现。

3.1 野外工作准备阶段

在开展工作之前，首先对所使用的实验仪器进行检查，确保其能在野外的复杂环境下进行长时间工作，测量方法的可行性主要是通过研究勘探对象的物理性质以及分布形态来确定。

电极间隔的均匀分布是高密度电法仪器设备的要求，比如电极距2.5m、5m 等。如果地面起伏太大，电极在水平位置上的偏差也随之变大。采集数据的准确性受到电极位置的影响，因为一个电极的位置变化会影响后续电极的位置。为了减少因为电极布设引起的故障和干扰，因此电极的布设应一次性完成。

3.2 测点土壤电阻率的电极布置

本次电阻率测量目的是为输油管道防腐设计而进行的土壤电阻率测量，主要测量输油管道铺设深度范围内的土壤电阻率。根据输油管道预设深度，每测点布置16根电极，电极间距2.5m，分别测量a=2.5m、5m、7.5m和10m的电阻率，高密度电阻率探测系统的结构示意图如图3所示，提供不同深度的土壤电阻率值是为接地电阻设计的，通常测量结果所反映的实际深度为测量极距a的1/2。

图3 高密度电阻率探测系统的结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the structure of high-density resistivity measurement system

野外设置电极时，应尽量选择表层土致密和潮湿地带，尽量避开含砾层和树根多的地方。如果在干燥地点布置电极，应该多撒一些盐水和水在电极周围，以减小接地电阻。地层的湿润部分接地电阻较小，因此如果条件允许，电极直接打入湿润层会有更好的效果。

3.3 野外接地电阻测试阶段

如果在野外工作中电极的接地电阻出现错误，会影响整个工作的质量，因此，在进行工程测量前，要先检查测量装置。根据野外实践经验，在检测过程中，如发现接地电阻的某电极电阻较大，系统会自动提示。电极与大地接触不良、有电极周围干燥、遗漏未布设电极等都是产生这种问题的主要原因(葛如冰，1997；郭秀军，2000；吕玉增等，2005；葛如冰，2011)。如果出现这种现象，要从分析电阻过大、找出有问题的电极等方面找出相应的原因，从而来进行电极的合理布设。

3.4 野外数据采集阶段

在通过电极检测和电阻检测后进行数据采集，在数据采集的过程中确保采集区域周边环境不发生突变以影响采集结果。采集完数据后要对该数据所对应的区域进行标记，同时要对采集数据进行完好的保存。

4 数据处理研究

4.1 土壤电阻率的测量结果

按工程设计要求，本次共测量30个点的土壤电阻率，各测点在不同深度的土壤电阻率实测结果如图4、图5、图6、图7所示。

图4 测点a=2.5m时电阻率测量结果Fig.4 Resistivity measured at point a=2.5m

图5 测点a=5m时电阻率测量结果Fig.5 Resistivity measured at point a=5m

4.2 测量结果分析

土壤在外加电场的作用下，会发生导电现象。土壤导电能力的指标包括土壤电导率和电阻率两个方面，通常土壤电阻率和土壤腐蚀性呈反相关的关系(金名惠等，2001)。

埋地管道的腐蚀大多属于土壤腐蚀，土壤腐蚀受土壤的电阻率、pH值、杂散电流等因素的影响，尤其是土壤的结构，管道的埋深，回填土的松紧等条件的影响，管道四周的含氧浓度和含水量都将存在着差异，这就为产生土壤腐蚀提供了条件。

图6 测点a=7.5m时电阻率测量结果Fig.6 Resistivity measured at point a=7.5m

图7 测点a=10m时电阻率测量结果Fig.7 Resistivity measured at point a=10m

由测量结果看出，在第14个测量点出现异常，这是由于该点地势偏高，土壤偏干旱，土壤中水含量较低，所以该处电阻率较高。但不影响整体测量结果。a=2.5m极距的土壤电阻率相对明显且在横向上变化较大，而a=5m、7.5m和10m极距的土壤电阻率相对较小且在横向上变化明显减小，表明土壤电阻率1.5m深度范围具有较强的不均匀性，而1.5m～5m深度范围土壤电阻率比较均匀，故1.5m～5m深度范围的土壤电阻率相对合适石油管道的位置选取。

5 结论

本文所取得的重要研究成果和创新之处主要体现在利用高密度电法为我区石油管道防腐提供一定的理论依据，研究野外测量土壤电阻率的方法和技术，为管道防腐进行有效的接地设计。通过测量结果分析，该区黄潍石油管道铺设的最佳位置选取在1.5m～5m的深度较为合适，该深度范围土壤电阻率比较均匀且相对较高。从而判断土壤的腐蚀性相对较低。本文从理论与实践相结合的角度，在国内外高密度电阻率法测量土壤电阻率的基础上，对其有关的应用技术问题以及方法原理进一步探讨，针对具体工作中存在的问题，提出自己的解决方案和处理手段。

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Application of the Four-electrode Resistivity Method to Anti-corrosion Design of Oil Pipelines

XU Yue，LIU Zhao-bin

(MiningandSafetyEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266590)

Soil electric resistivity is an important indicator of corrosion status nearby underground oil pipeline, because the degree of corrosion of the oil pipeline is closely related with the soil resistivity. This paper presents the principle and implementation process of the four-electrode resistivity method, and its application to a survey for an oil pipeline as well as its data processing and analysis. The test results provide scientific evidence for anti-corrosion design of oil pipelines.

soil resistivity, soil corrosion, electrode, four-electrode method

2015-12-17；

2016-04-28；[责任编辑]陈伟军。

国家自然科学基金(编号：51404145)和山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地主任基金(编号：MDPC2012ZR02)资助。

许 越(1990年-)，男，硕士研究生，主要从事地球物理探测等研究工作。E-mail：xuyuechn@163.com。

P618

A

0495-5331(2016)03-0551-05