不同辅助阳极地床的杂散电流影响特性研究

张璐

新疆油田公司基本建设工程处

随着工业化进程的不断发展，油气管道受交直流输电线路、铁路、电车及地下电缆漏电的影响，特别是在地形限制下的公共廊带区域[1-2]。杂散电流干扰情况越来越严重，目前，曹方圆等[3-4]、周军峰等[5]、覃慧敏等[6]、周毅等[7]针对此类问题进行了研究和探讨，但这些干扰往往影响范围有限，持续时间较短。管道或站场的阴极保护系统在为受保护管道提供保护电流、促使管道电位发生阴极极化的同时，也会向其余管道释放杂散电流，加速其受干扰的情况。因此，阴极保护系统是一把双刃剑，研究辅助阳极地床对临近金属构件的影响显得尤为重要。廖臻等研究了外加电流和牺牲阳极阴极保护系统联用时对局部管道的影响，得到了管道穿越段的保护方案[8]；徐友鹏等针对深井阳极和浅埋阳极的特点进行了归纳分析，总结了两者的适用范围[9]；赵升富利用边界元软件研究了交叉管道间阴极保护系统相互干扰的规律，并对不同影响因素进行了敏感性分析[10]；金光彬通过对两条管道的管地电位、地电位梯度和交流干扰电位进行检测，分析了阳极地床位置对临近管道的干扰影响[11]。以上研究对于阳极地床的选址和优化设计具有重要意义，但迄今为止对于不同类型阳极地床干扰规律的研究还较少。基于以上原因，采用直流电压梯度法测试不同阳极地床在不同方向上的地电位梯度，定量描述其干扰范围和干扰规律，以期为管道的阴极保护设计提供实际参考。

1 现场试验

1.1 基本情况

辅助阳极地床按布置方式可分为深井阳极地床、浅埋阳极地床和柔性阳极地床三种，其占地面积、施工难度、保护范围和接地电阻均有所不同。本次研究对象为三处不同位置辅助阳极地床，分别是深井阳极地床、立式浅埋阳极地床和水平式浅埋阳极地床。采用四电极法测试土壤电阻率，三处位置的电阻率为50～60 Ω·m，满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中关于阳极地床选址的一般规定。深井阳极采用高硅铸铁材料，共2支阳极，每支阳极直径50 mm、长10 m，距离地面最近的阳极埋深40 m；立式浅埋阳极采用高硅铸铁材料，共6 支阳极，每支阳极直径50 mm、长1.5 m，距离地面最近的阳极埋深1.5 m；水平式浅埋阳极采用高硅铸铁材料，一共30 支阳极，每支阳极直径50 mm、长1.5 m，阳极体埋设间距为5 m，埋深1.5 m。三种阳极地床的位置示意见图1，恒电位仪工作参数见表1。

表1 不同阳极地床的工作参数Tab.1 Working parameters of different anode ground beds

图1 不同阳极地床位置示意图Fig.1 Schematic diagram of different anode ground bed positions

1.2 测试方法

采用双参比法测试不同阳极地床在不同方向上的地电位梯度，具体方法是采用毫伏表连接两个Cu/CuSO4电极，将两个电极等间距插入土壤中，根据电极活性的不同，测试两点之间电压大小，再除以极距，获得地电位梯度[12]。

深井阳极和立式浅埋阳极均选择以阳极井为中心，对北、西两个方向测试地电位梯度；在水平式浅埋阳极的阳极体起点和中点处分别设置北偏西30°、南偏东30°等四个方向，对其测试沿线电位梯度（图2）。

图2 不同阳极地床的测试方向Fig.2 Test orientations for different anode ground beds

为防止因其余杂散电流分量施加至阴极保护系统上而对测试结果造成影响，在阳极地床充分放电且恒电位仪输出电流时测试管地电位波动值，测试结果见表2。由表2 可知，不同方向上的干扰电位大部分小于80 mV，参照GB/T 19285—2014《埋地钢制管道腐蚀防护工程检验》中的规定，干扰程度为弱或中等，则无需采用排流保护措施，此时周围管道只受阴极保护系统辅助阳极地床的影响，不受其余杂散电流干扰源的影响。

表2 不同方向的干扰电位Tab.2 Interference potential in different directions

2 结果与讨论

2.1 深井阳极

以深井阳极的阳极井为中心，不同方向上的地电位梯度见图3。随着与地床距离的增加，地电位梯度呈先增加后减小的趋势；方向1 和方向2 分别在10 m 和15 m 处，地电位梯度到达峰值，在恒电位仪输出电流7 A时分别为39.24 mV/m和52.61 mV/m。方向1的地电位梯度峰值距离地床较近，这是由于方向1 沿线的土壤电阻率较低，此时阳极埋设越深，地床接地电阻越小，土壤的导电性能越强[11]；方向2 沿线的地下水位较浅，土层薄、石块较多，因此地电位梯度下降较快。此外，在方向2距离地床约40 m 的区域内，地电位梯度有所增加，这与该区域穿越公路路段，土质硬化程度大，土壤压实度97%，阴保电流在土壤中的损耗较大有关。

参照GB/T 19285—2014中关于直流干扰程度的判定方法，判断图3中的地电位梯度均大于0.5 mV/m，则认为有直流杂散电流干扰。当土壤电位梯度小于0.5 mV/m 时，杂散电流干扰程度为“弱”；当土壤电位梯度在0.5～5 mV/m 时，杂散电流干扰程度为“中”；当土壤电位梯度大于5 mV/m 时，杂散电流干扰程度为“强”。直流杂散电流干扰程度越大，干扰范围越广，故在此只统计强干扰下的影响范围（图4）。随着恒电位仪输出电流的不断增大，强干扰下的干扰范围先缓慢增加，后快速增加；当输出电流从1 A 增加到3 A 时，最大干扰半径和平均干扰半径的增速较小，甚至最大干扰半径还出现了下降的情况，这可能与双参比法测试结果存在误差有关；当输出电流从3 A 增加到7 A 时，最大干扰半径和平均干扰半径的增速较大，分别为6.5 m/A 和5.8 m/A，说明较大输出电流下的直流干扰程度有所增加。此外，考虑到恒电仪的额定输出为30 A，故当满电流输出时，深井阳极的影响范围可能在120～150 m。

图4 直流干扰下的影响范围（深井阳极）Fig.4 Influence range under DC interference(deep well anode)

2.2 立式浅埋阳极

以立式浅埋阳极的阳极井为中心，不同方向上的地电位梯度见图5。立式浅埋阳极与深井阳极的地电位梯度分布趋势类似，只是浅埋阳极的输出电流小，地电位梯度较小。随着与地床距离的增加，地电位梯度也呈先增加后减小的趋势；方向1和方向2 分别在15 m 和20 m 处，地电位梯度到达峰值，在恒电位仪输出电流3 A时分别为20.61 mV/m和13.24 mV/m。两个方向上的土壤介质分布较均匀，因此电位梯度随着距离增加均匀减小。

图5 不同方向上的地电位梯度（立式浅埋阳极）Fig.5 Ground potential gradients in different directions(vertical shallow buried anode)

同理，立式浅埋阳极的影响范围内均为强干扰影响，不同方向上的干扰范围见图6。随着输出电流的增加，最大干扰半径和平均干扰半径均呈直线增长，增速分别为10 m/A和8 m/A。此外，当管道防腐层存在漏点或质量较差时，立式浅埋阳极的影响范围可能超过80 m。

图6 直流干扰下的影响范围（立式浅埋阳极）Fig.6 Influence range under DC interference(vertical shallow buried anode)

2.3 分布式浅埋阳极

以阳极体起点和中点处为中心，不同方向上的地电位梯度见图7。可见分布式浅埋阳极地电位梯度的分布趋势与其余两种地床截然不同。随着与地床间距的增大，分布式浅埋阳极的地电位梯度呈整体下降趋势，且越靠近阳极体，电位梯度越大。在恒电位仪输出电流3 A时，四个方向上的地电位梯度峰值分别为15.41、12.31、30.45 和26.89 mV/m，其中方向3 和方向4 因在阳极地床的中点处，此时阴保电流从两端向中间流入土壤，叠加作用下地电位梯度达到最大，且影响范围最远。此外，方向2和方向4靠近湖泊区域，土壤的温度、湿度、含氧量有所不同，导致土壤电阻率较低，地电位梯度要小于方向1和方向3。

图7 不同方向上的地电位梯度（分布式浅埋阳极）Fig.7 Ground potential gradients in different directions(distributed shallow buried anode)

同理，分布式浅埋阳极的影响范围内均为强干扰影响，不同方向上的干扰范围见图8。随着输出电流的增加，最大干扰半径和平均干扰半径均呈直线增长，但增速要小于其余两种阳极地床，增速分别为5.5 m/A 和3.2 m/A。此外，当管道防腐层存在漏点或质量较差时，立式浅埋阳极的影响范围可能超过60 m。

图8 直流干扰下的影响范围（分布式浅埋阳极）Fig.8 Influence range under DC interference(distributed shallow buried anode)

2.4 不同阳极地床的影响范围对比

当恒电位仪输出电流均为3 A时，统计不同阳极地床在不同方向上的地电位梯度平均值（图9）。可见分布式浅埋阳极的地电位梯度峰值远大于深井阳极和立式浅埋阳极。在距离地床5 m时，分布式浅埋阳极和深井阳极的地电位梯度接近，在距离地床10 m 时，分布式浅埋阳极和立式浅埋阳极的地电位梯度接近，说明分布式浅埋阳极的衰减速度更快，这是由于虽然阳极以等电流的方式流入土壤，但只在阳极体附近会形成一个集中电压场，当距离增加后，电压迅速降低。深井阳极的衰减速度最慢，在距离地床60 m 时的地电位梯度依然较大，说明深井阳极直流干扰的影响范围较大，其干扰范围是分布式浅埋阳极的2～3倍（图10）。

图9 不同辅助阳极地床的地电位梯度平均值Fig.9 Average value of ground potential gradient of different auxiliary anode ground beds

图10 不同阳极地床的干扰半径平均值Fig.10 Average value of interference radius of different anode ground beds

综上所述，从减小阳极地床对周围管道或金属构筑物的影响出发，在地理条件允许的范围内，应优先采用分布式浅埋阳极地床，但要注意地床中心位置地电位梯度过高的现象；当施工场地狭小或征地困难时，应优先采用深井阳极地床，可通过降低地床输出电流、增大深井井深、降低土壤电阻率的方式缓解深井阳极对周围管道的影响，但这也会牺牲深井阳极对受保护管道的保护范围；当既想降低干扰影响范围，又想一定程度上满足对管道的阴极保护时，可以采用立式浅埋阳极地床。此外，可增加接地排流、直流排流、极性排流、绝缘保护、屏蔽保护或跨接保护等针对性的防护措施，减少阳极地床对周边管道的影响。

3 结论

（1）深井阳极和立式浅埋阳极的地电位梯度均随距离的增加先增大后减小，在10～20 m的范围内达到峰值；分布式浅埋阳极地床的地电位梯度随距离的增加逐渐减小，峰值出现在阳极地床附近。

（2）随着恒电位仪输出电流的增大，不同阳极地床的干扰范围也逐渐增大，深井阳极直流干扰的影响范围是分布式浅埋阳极的2～3倍。

（3）分布式浅埋阳极的地电位梯度峰值和衰减速度均大于其余两种阳极地床，从减小阳极地床对周围管道或金属构筑物的影响出发，应优先使用分布式浅埋阳极地床；在施工场地狭小时，应优先采用深井阳极地床。