趙會(huì)軍,杜鵬宇,董亮,杜艷霞,宋琳琳
(1.常州大學(xué) a.江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.石油工程學(xué)院,江蘇 常州 213164;2.北京科技大學(xué),北京 100083)
隨著國家對地鐵及高壓輸電系統(tǒng)的大力建設(shè),埋地管道面臨愈發(fā)嚴(yán)重的雜散電流腐蝕的威脅,存在極大的安全隱患[1-2]。目前埋地管道外部采取防腐層和陰極保護(hù)系統(tǒng)防腐,通常采用陰極保護(hù)電位(即極化電位)的水平來評(píng)判防腐效果,但由于測量過程中受到雜散電流的影響,導(dǎo)致測量的陰極保護(hù)電位包含IR降,從而不能真實(shí)反映管道的極化水平[3-4]。
檢查片斷電測量法能夠消除該類IR降的影響,其操作方便,有較好可信度,應(yīng)用日益廣泛[5-7]。但是目前檢查片在選形和埋設(shè)方式上還存在爭議。在面積選取上,國內(nèi)外通常使用的檢查片面積在6.5~50/100 cm2之間,沒有具體規(guī)定檢查片面積選取規(guī)則;在形狀選取上,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢查片形狀有棒狀、長方形和圓形,英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有錐狀,NACE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有環(huán)形[8-10];同時(shí)也沒有說明檢查片非裸露的殼體部分大小的要求等[11-12]。這些因素如何影響檢查片的極化水平值得關(guān)注。理論上,檢查片的極化電位水平取決于流經(jīng)檢查片的電流密度和該檢查片在臨近土壤環(huán)境下的極化行為。在相同的位置埋設(shè)不同類型檢查片時(shí),檢查片的極化水平主要取決于流經(jīng)檢查片的電流密度,即由通電電位和回路電阻(極化電阻和接地電阻)決定,而上述影響因素主要影響了檢查片的接地電阻。本文以該參數(shù)為對象,擬研究明確陰極保護(hù)檢查片間的差異性,這區(qū)別于以往以極化水平為對象的研究,其結(jié)果更為直觀和具有針對性。
數(shù)值模擬技術(shù)廣泛用于求解陰極保護(hù)電位場[13-16],通過得出電壓和電流,從而能夠計(jì)算出接地電阻。本文所采用的BEASY CP是一款邊界元計(jì)算的數(shù)值模擬軟件,在陰極保護(hù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[17-20]。通過數(shù)值模擬計(jì)算分析了檢查片形狀、裸露面積、殼體大小、埋深和土壤電阻率對檢查片接地電阻的影響規(guī)律,并通過X70鋼制檢查片的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證,以期為現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。
取計(jì)算區(qū)域?yàn)榱⒎襟w空間100 m×100 m×100 m,檢查片相對較小,可認(rèn)為局部土壤電阻率一致。設(shè)定無窮遠(yuǎn)處電位為0 V,檢查片邊界電位為0.1 V。選取檢查片形狀為:長方形、圓形、環(huán)形、錐狀、棒狀。常用檢查片裸露面積在6.5~50 cm2之間,取裸露面積為6.5、10、20、50 cm2。殼體面積選用5、7、10倍檢查片等效圓直徑的面積,取殼體面積為80、162、316、651 cm2。檢查片理論上應(yīng)與管道中心處于統(tǒng)一標(biāo)高,同時(shí)考慮實(shí)際開挖難度,檢查片取埋深為0.2、0.5、1、2 m。為了確定接地電阻與土壤電阻率的關(guān)系,取土壤電阻率為25、50、75、100 Ω·m。幾何模型與檢查片參數(shù)選取如圖1、表1所示。
表1 檢查片形狀尺寸Tab.1 Shape and size of coupon
檢查片相對較小,故可認(rèn)為其所處土壤相對均勻,此時(shí)電位分布滿足Laplace方程[12]:
式中:φ為土壤各處的電位;▽為Laplace算子假設(shè)所研究的檢查片及其區(qū)域被表面γ所包圍,則:
式中:γA為無限遠(yuǎn)處的大地,電位為零;γC為檢查片的外表面,電位為φ0;γD為檢查片的殼體,為絕緣體。
接地電阻是指當(dāng)電流由接地體流入土壤時(shí),接地體土壤周圍形成的電阻。其值等于接地體相對于大地零電位位置的電壓除以流經(jīng)接地體的電流,則:
式中:φ0為檢查片外表面電位;I為流經(jīng)檢查片的電流。
對長方形、圓形、環(huán)形、錐狀、棒狀這5種形狀及對應(yīng)的4種面積(6.5、10、20、50 cm2)在土壤電阻率為100 Ω·m及0.2 m埋深環(huán)境中進(jìn)行接地電阻計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,結(jié)果如圖2所示。上述數(shù)據(jù)可以看出,模擬計(jì)算出的接地電阻和經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算出的接地電阻存在較大差異,使用經(jīng)驗(yàn)公式并不能準(zhǔn)確地計(jì)算各種形狀、面積的檢查片的接地電阻。在6.5~50 cm2面積下,接地電阻最大的檢查片為圓形,最小的為長方形,兩者相差1.74倍。同種形狀檢查片,隨著面積從6.5 cm2增加到50 cm2,長方形檢查片的接地電阻降低最少,為243%,錐狀檢查片接地電阻降低最多,為341%。
通過對檢查片等效圓半徑與接地電阻的分析發(fā)現(xiàn),5種檢查片等效圓半徑的倒數(shù)同接地電阻之間存在線性關(guān)系(如表2所示),所得擬合公式為:
式中:R為接地電阻;r為等效圓半徑;ρ為土壤電阻率;a為斜率;b為截距。
表2 檢查片擬合公式系數(shù)Tab.2 Coefficients of fitting formulas for coupon
實(shí)際應(yīng)用的檢查片都會(huì)帶有殼體,考慮到殼體對檢查片接地電阻的影響,對6.5 cm2棒狀檢查片選用不同面積的殼體,進(jìn)行了接地電阻的數(shù)值模擬計(jì)算,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。對6.5 cm2棒狀檢查片來說,當(dāng)殼體面積為其5、7、10倍等效圓直徑的面積時(shí),接地電阻分別變?yōu)闆]有殼體時(shí)的1.33、1.36、1.37倍。在殼體面積為其7倍等效圓直徑的面積時(shí),檢查片接地電阻接近最大值。
在進(jìn)行陰極保護(hù)電位測量時(shí),應(yīng)使陰極保護(hù)電位檢查片與管道中心處于統(tǒng)一標(biāo)高,但實(shí)際埋設(shè)檢查片時(shí)埋設(shè)深度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在均勻土壤電阻率100 Ω·m下,選取6.5 cm2檢查片進(jìn)行埋設(shè)深度接地電阻的計(jì)算,如圖4。5種形狀檢查片的接地電阻隨著埋深增加,逐漸趨于穩(wěn)定:從埋深2 m到埋深1 m,接地電阻增加約1 Ω;從埋深2 m到埋深0.5 m,接地電阻增加約5 Ω,占比為0.5%;從埋深2 m到埋深0.2 m,接地電阻增加約20 Ω,占比為2%。在均勻土壤中,檢查片埋設(shè)0.2 m時(shí),可認(rèn)為能夠進(jìn)行電位測量。
計(jì)算6.5 cm2棒狀檢查片在不同土壤電阻率中的接地電阻,如圖5。在均勻土壤中,接地電阻同土壤電阻率成正比關(guān)系。在埋設(shè)檢查片附近澆水會(huì)使局部土壤電阻率發(fā)生變化。在土壤電阻率為100 Ω·m的均勻土壤中,假定澆水后,局部土壤電阻率變?yōu)?0 Ω·m,其土壤半徑分別為7.2、14.4、21.6、28.8 cm,計(jì)算接地電阻得圖6。在檢查片澆水后可以減少檢查片接地電阻,在澆水半徑為7.2、14.4、21.6、28.8 cm時(shí),檢查片的接地電阻分別降至43.2%、29.0%、23%、21.6%。當(dāng)澆水半徑為15倍檢查片等效圓半徑時(shí),檢查片接地電阻與檢查片在20 Ω·m下的接地電阻相差3%。由此可見,澆水半徑為15倍檢查片等效圓半徑時(shí),檢查片的接地電阻已接近其在局部土壤電阻率下的接地電阻。
檢查片極化水平主要受接地電阻和極化電阻的影響。取管道周圍土壤測得電阻率為66 Ω·m,測得的X70鋼在土壤中的極化曲線如圖7。自然電位為-638 mV時(shí),計(jì)算得出在-850、-1050、-1200 mV下的極化電阻如圖8。由圖可知,極化電阻在-1050 mV下最大,在-1200 mV下最小。
在極化電位為-850 mV下,隨著檢查片面積增加,5種形狀的接地電阻所占總電阻的比例一直增大。面積為6.5 cm2的長方形檢查片接地電阻所占總電阻比例最小,為66.2%,環(huán)狀、棒狀、錐狀這3種形狀下接地電阻所占比例接近,圓形檢查片的接地電阻所占比例最大,為77.6%,如圖9。在極化電位-1050 mV下,極化電阻為最大值,跟-850 mV時(shí)相接近,如圖10所示。6.5 cm2面積下5種形狀檢查片接地電阻占總電阻比例都很小,到50 cm2面積時(shí),檢查片的接地電阻所占回路電阻比例就會(huì)越來越大。
在極化電位-1200 mV下,極化電阻為最小值,檢查片的接地電阻在回路電阻中占比最大(如圖11)。在6.5 cm2面積下,長方形檢查片接地電阻占比最小,為79.8%,圓形檢查片占比最多,為84.1%。在50 cm2面積下,長方形檢查片接地電阻占比最小,為92.7%,圓形檢查片占比最多,為94.7%。
本文通過Wenner四極法對室外土壤環(huán)境進(jìn)行實(shí)地測試,測量設(shè)備為VC4106接地電阻測試儀,得出結(jié)果如表3。選取測量平均值(50.5±0.02) Ω·m為計(jì)算值。
表3 土壤電阻率分布Tab.3 Soil resistivity distribution
在測試過的土壤環(huán)境中,選取6.5 cm2面積的5種形狀檢查片和4種不同面積的棒狀檢查片進(jìn)行0.2 m和0.5 m埋深的接地電阻測試,檢查片材質(zhì)為X70鋼,測量示意圖如圖12。電位極和電流極的引線長度設(shè)置為20 m和40 m,測量過程中,電位極沿接地體與電流極的連線移動(dòng),每次1 m,所得測量值如圖13。取電位平穩(wěn)區(qū)的電阻值作為測量值,測試結(jié)果如表4。
表4 檢查片的接地電阻Tab.4 Grounding resistance of coupon
將實(shí)驗(yàn)測得的檢查片的接地電阻按比例換算成數(shù)值模擬所選的100 Ω·m土壤電阻率下的接地電阻值。同數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相對比,如表5。從表中可以看出,實(shí)驗(yàn)值略高于計(jì)算值。0.2 m埋深處,6.5 cm2圓形檢查片實(shí)驗(yàn)值比邊界元模擬值大1.4%,6.5 cm2棒狀檢查片實(shí)驗(yàn)值比邊界元模擬值大6.3%;0.5 m埋深處,6.5 cm2圓形檢查片實(shí)驗(yàn)值比邊界元模擬值大1.2%,6.5 cm2棒狀檢查片實(shí)驗(yàn)值比邊界元模擬值大7.1%。邊界元模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好一致性。說明上述模型用于檢查片接地電阻的計(jì)算是可行的。
表5 檢查片接地電阻計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比Tab.5 Comparison between calculated and experimental values of grounding resistance of coupon
建立了檢查片的邊界元模型,研究了檢查片形狀、裸露面積、殼體大小、埋深和土壤電阻率對檢查片接地電阻的影響及規(guī)律,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性,得出如下結(jié)論:
1)檢查片裸露面積從6.5 cm2增加至50 cm2,其接地電阻降低約1/2。同一裸露面積下,圓形檢查片接地電阻最大,長方形的最小,兩者相差1.7倍左右。隨著面積從6.5 cm2增加到50 cm2,同種形狀的檢查片的接地電阻最少降低243%,最多降低341%。5種形狀檢查片的接地電阻從模擬結(jié)果中得出擬合公式,可以用來現(xiàn)場計(jì)算這5種形狀檢查片的接地電阻。
2)加上絕緣殼體會(huì)增加檢查片的接地電阻。當(dāng)殼體面積為檢查片7倍等效圓直徑面積時(shí),接地電阻變?yōu)闆]有殼體時(shí)的1.36倍,檢查片接地電阻接近最大值。
3)均勻土壤中,檢查片從埋設(shè)2 m到0.2 m時(shí),接地電阻會(huì)增加2%,可認(rèn)為檢查片埋設(shè)0.2 m時(shí)能夠進(jìn)行電位測量。
4)均勻土壤中,接地電阻與土壤電阻率成正比關(guān)系,檢查片附近土壤澆水會(huì)大幅減少檢查片接地電阻值。當(dāng)澆水半徑為15倍檢查片等效圓半徑時(shí),檢查片的接地電阻已接近其在局部土壤電阻率下的接地電阻。
5)檢查片接地電阻在對地總電阻中占絕大比重,最大占比可達(dá)94.7%,最小占比達(dá)66.2%。
6)檢查片接地電阻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果具有良好的一致性,上述模型對于檢查片接地電阻的計(jì)算是可行的。