油气站场钢筋混凝土基础对管道阴极保护电流需求量影响的数值模拟

孙冰冰

(管网集团(新疆)联合管道有限责任公司，乌鲁木齐 830013)

油气站场内钢筋混凝土基础(简称基础)种类繁多，形式各样，数量庞大，主要有建筑钢筋、压缩机钢筋混凝土基础及各种钢质管托管架基础等[1]。这些基础会影响区域阴极保护电流分布及保护效果：如基础通过地脚螺栓和设备支座底板与基础支撑接触面漏电，增大了站内阴极保护电流需求量，降低了埋地管道的阴保有效率[2]；土壤中的阴极保护电流遇到管道周围的钢筋混凝土基础时，会在土壤中产生明显电位梯度，对管道阴极保护产生屏蔽效应[3]。

目前，应对基础(钢筋)漏电的主要措施包括避免钢筋与埋地管道直接电连接、将钢筋表面绝缘、将钢筋所在的混凝土本体及表面加强绝缘，对于通过接地系统与埋地管道电连接的钢筋混凝土考虑使用“阻直通交”类型隔离器将接地系统与埋地管道直流电隔离等[2,4-6]。应对钢筋混凝土屏蔽效应的主要措施包括在屏蔽的区域增设阳极[7-21]。

本工作通过数值模拟的方法研究了混凝土电阻率(即对应混凝土本体的绝缘性)、钢筋与埋地管道的电连接性、钢筋绝缘性(即考虑表面增加涂层绝缘)、钢筋混凝土基础数量(即对应密集程度)、与埋地管道相对位置等因素对阴极保护电流漏失量及屏蔽效应(即电位分布)的影响规律，并基于模拟结果分析了绝缘措施。

1 几何模型构建及边界条件确定

选取尺寸为φ219 mm×10 mm、长100 m、埋深1.5 m的埋地管道结构构建几何模型，管道外涂层为沥青玻璃布，达到-850 mV的最小保护电位(文中电位均相对于铜/饱和硫酸铜参比电极，简称CSE)，保护电流密度为1.5 mA/m2，土壤电阻率为50 Ω·m。为单独考虑钢筋混凝土基础对临近管道阴极保护电流漏失和电位分布不均匀的影响，降低了阳极地床对电位梯度的影响，在模型中将埋地管道阴极保护系统设为远阳极形式的深井阳极地床外加电流阴极保护系统，地床深度为80 m，距离管道100 m。

设定钢筋混凝土基础的尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m，混凝土顶部与地表平齐，每根钢筋直径18 mm，长0.4 m。钢筋数量为4(2×2)根，钢筋之间间隔0.2 m，距离端面均0.05 m。基础位于管道中间位置，侧边距离管道0.3 m。

图1所示为土壤中涂层管道和混凝土中钢筋的极化曲线；构建的三维几何模型即管道和钢筋的布置示意见图2。

图1 土壤中管道和混凝土中钢筋的极化曲线Fig. 1 Polarization curves of pipes in soil and steel bars in concrete

图2 三维几何模型示意图Fig. 2 Schematic diagram of 3D geometric model

2 几种参数对管道电位影响的模拟结果

2.1 混凝土电阻率与电连接性对管道电位的影响

设定钢筋混凝土电阻率分别为50，200，1 000 Ω·m，且钢筋未绝缘(处于裸露状态)。在电连接和未电连接情况下，参数设置情况和计算得到的钢筋吸收电流、管道电位详见表1。不同条件下埋地管道的电位分布见图3。可以看出，随着混凝土电阻率的升高，钢筋对阴极保护电流的吸收减小，对管道电位的影响逐渐减小。

表1 不同混凝土电阻率与电连接条件下的管道电位及钢筋的吸收电流Tab. 1 Pipe potential and current absorbed by steel bars under different concrete resistivity and electrical connectivity conditions

图3 不同条件下管道的电位分布Fig. 3 Potential distribution of pipeline under different conditions

2.2 钢筋绝缘性对管道电位的影响

设定钢筋未绝缘、绝缘面电阻率为1 000 Ω·m2和5 000 Ω·m2，在此条件下的对应参数设置和计算所得钢筋吸收电流、管道电位详见表2，不同条件下埋地管道的电位分布如图4所示。可以看出，增加绝缘层且随着绝缘面电阻率增大，钢筋对阴极保护电流的吸收大幅度减小，且增加绝缘层对管道电位的影响可以忽略。

2.3 钢筋混凝土基础数量对管道电位的影响

钢筋混凝土基础数量设为1，3，5组，等间距分布于管道沿线，侧边距离管道0.3 m，此条件下对应的参数设置情况和计算所得钢筋吸收电流、管道电位详见表3，埋地管道的电位分布见图5。可以看出，随着钢筋混凝土基础数量的增加，钢筋对阴极保护电流的吸收量成倍数增加，管道电位也正向偏移。

表2 不同钢筋绝缘性条件下，管道电位及钢筋的吸收电流Tab. 2 Pipeline potential and current absorbed by steel bars under different insulation property conditions pipeline potential

图4 不同条件下管道的电位分布Fig. 4 Potential distribution of pipeline under different conditions

图5 不同条件下管道的电位分布Fig. 5 Potential distribution of pipeline under different conditions

2.4 与埋地管道相对位置

设定钢筋混凝土基础位于管道中间位置，侧边距离管道分别为0，0.3，0.8 m，此条件下对应的参数设置情况和计算所得的钢筋吸收电流、管道电位详见表4，埋地管道的电位分布见图6。可以看出：阴极保护电流的吸收量与钢筋混凝土基础至管道的距离无关，距离越远对管道电位的影响相对越小。

表4 不同钢筋混凝土基础与埋地管道距离条件下的管道电位及钢筋的吸收电流Tab. 4 Pipeline potential and current absorbed by steel bars under different distances between reinforced concrete foundation and buried pipeline

图6 不同条件下管道的电位分布Fig. 6 Potential distribution of pipeline under different conditions

3 大型设备基础和封闭式建筑基础对穿越和临近管道阴保效果影响的数值模拟

选取尺寸φ219 mm×10 mm，长200 m，埋深2 m的埋地管道结构，构建几何模型，管道外涂层为沥青玻璃布，土壤电阻率设为50 Ω·m。埋地管道阴极保护系统的阳极地床考虑两种，一种是远阳极即以深井阳极为地床的外加电流阴极保护系统，深井阳极地床的深度为80 m，距离管道100 m；另一种是近阳极即以浅埋柔性阳极为地床的外加电流阴极保护系统，浅埋阳极长度为200 m，距离管道1m。参考某典型压气站压缩机厂房基础底板配筋图(图7)，混凝土基础为78.8 m×31.2 m×4.51 m，混凝土顶部与地表平齐，每根钢筋直径18 mm，长77.2 m，钢筋数量为3 171(151×21)根，钢筋之间间隔0.2 m。

基于上述几何参数在专业软件中构建的数值模拟模型如图8所示。

图7 某压气站压缩机厂房基础底板配筋图Fig. 7 Reinforcement drawing of foundation slab of compressor plant of a compressor station

图8 以某压气站压缩机厂房基础为例的数值模拟模型Fig. 8 Numerical simulation model of a compressor building foundation of a compressor station as an example

在模拟中分别考虑钢筋表面绝缘状况、混凝土电阻率、钢筋与管道电连接状况、采用近阳极以及增大管道与钢筋距离等因素设置了如下10个条件，参数设置与计算结果如表5所示。其中负电流表示电流从管道流入大地即腐蚀。

由表5可见：与无钢筋时的结果相比(条件1)，钢筋与管道电连接，会大量吸收阴极保护电流，且由于材质不同即开路电位的差异还会与埋地管道形成电偶对，导致埋地管道流出电流而发生腐蚀(条件2)。当钢筋不与管道存在电连接时不会吸收阴极保护电流，当钢筋表面带有涂层时，所吸收的电流随着涂层绝缘性能的提高而降低(条件3和条件4)。增大混凝土的电阻率一定程度上降低了吸收阴极保护电流量，但由于钢筋数量较多，降低量不明显(条件5)。

由图9可见：使用远阳极地床，且阴保系统输出电流不变时，由于钢筋吸收了大量阴保电流，管道电位整体偏正，在管道靠近大型混凝土钢筋基础时电位更正(条件2)。当钢筋不与管道电连接或者表面绝缘处理时，其对管道电位分布影响较小(条件6)。增大阴极保护输出电流(条件8)对靠近混凝土区域的管道电位提升(即负移)不明显。

在实际的大型混凝土基础工程中可以考虑采用更高绝缘性的混凝土或表面刷绝缘漆、或者给钢筋增加绝缘层增加其绝缘性，以降低阴极保护电流需求量，进而降低屏蔽效应。或者分散钢筋的密集程度或加大埋地管道与结构钢筋的距离，进而降低屏蔽效应。

表5 构建的计算模型参数与结果Tab. 5 Parameters and results of the constructed calculation model

对于大型设备基础，可以考虑加强连接螺栓和设备基础与环境介质的绝缘性，采用憎水性的绝缘材料处理或施加涂层。对于封闭式建筑基础，则可以考虑采用更高绝缘性的混凝土或表面刷绝缘漆、或者给钢筋增加绝缘层增加其绝缘性。在条件允许情况下，可以考虑增加构筑物与埋地管道的间距。或者断开构筑物中金属结构与埋地管道之间的电连接，这种措施适用于金属结构与埋地管道电连接点少且易于增加绝缘垫片等绝缘措施的情况。

在无法断开钢筋与管道搭接或钢筋无法表面绝缘时，采用近阳极可以在一定程度上降低电流漏失量，近阳极对屏蔽效应有很好的改善作用，通过优化可以使管道获得较均匀的电位分布(条件7和条件10)。

图9 某压气站内管道在不同条件下管道电位分布Fig. 9 Pipeline potential distribution in a compressor station under different conditions

4 结论

(1) 随着混凝土电阻率升高，钢筋对阴极保护电流的吸收减小，对管道电位的影响逐渐减小。

(2) 随着钢筋增加绝缘层且绝缘面电阻率增大，其对阴极保护电流的吸收大幅度减小，对管道电位的影响逐渐减小。

(3) 增加钢筋混凝土基础的数量，钢筋对阴极保护电流的吸收量成倍数增加，且会导致管道电位水平正向偏移。钢筋对阴极保护电流的吸收量与钢筋混凝土基础至管道的距离无关。

(4) 基于大型设备基础的模拟结果表明，断开钢筋与管道搭接或钢筋表面进行绝缘处理是降低电流漏失量和屏蔽效应最有效的方法。采用近阳极对降低电流漏失量有一定的效果，通过优化可以使管道得到较均匀的电位分布。