岑 康，黃夏雨，代敏雪，韓宗芷，董春娟，曾策凡，王書亮

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500；2.四川川港燃?xì)庥邢挢?zé)任公司成都分公司，四川 成都 610051；3.四川川港燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，四川 成都 610000；4.西南石油大學(xué) 新能源與材料學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)問(wèn)題是燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，采用外防腐層和陰極保護(hù)相結(jié)合的方式能有效防止鋼質(zhì)管道腐蝕[1]。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)是常用陰極保護(hù)方法之一，陽(yáng)極地床是其重要組成部分，主要包括淺埋陽(yáng)極地床和深井陽(yáng)極地床2種類型。

淺埋陽(yáng)極地床作為施工最為簡(jiǎn)單的1種陽(yáng)極埋設(shè)形式，維修更換容易、成本相對(duì)較低，在早期陰極保護(hù)中得到廣泛使用。但淺埋陽(yáng)極地床存在占地面積大、保護(hù)電流分布范圍小等問(wèn)題[2]。近年來(lái)，深井陽(yáng)極憑借保護(hù)范圍廣、占地面積小、在城區(qū)易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)[3]，逐步取代淺埋陽(yáng)極地床，但存在施工復(fù)雜、造價(jià)高等缺點(diǎn)。由于陽(yáng)極地床周圍存在其它埋地金屬管道、鋼筋混凝土等未受陰極保護(hù)的金屬構(gòu)筑物，無(wú)論淺埋陽(yáng)極還是深井陽(yáng)極，都必然會(huì)給鄰近金屬構(gòu)筑物帶來(lái)一定程度的雜散電流干擾[4]，加速金屬構(gòu)筑物腐蝕，造成一定安全隱患。

目前，關(guān)于雜散電流干擾研究主要集中在地鐵、電氣化鐵路、高壓輸電線路等產(chǎn)生的雜散電流對(duì)鋼質(zhì)油氣管道等的影響[5-9]。針對(duì)直流雜散電流，已建立基于管地電位、地電位梯度等參數(shù)的干擾強(qiáng)弱程度判據(jù)，根據(jù)地電位梯度大小，將雜散電流干擾程度分為強(qiáng)中弱3個(gè)等級(jí)[10-13]。針對(duì)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)陽(yáng)極地床對(duì)鄰近未受陰極保護(hù)金屬構(gòu)筑物雜散電流干擾的影響范圍及嚴(yán)重程度，目前鮮有研究。

雜散電流干擾源復(fù)雜，如軌道交通、電力線路等雜散電流均會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。因此，本文以無(wú)明顯外界干擾源的典型深井陽(yáng)極地床和淺埋陽(yáng)極地床為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并對(duì)比分析地床附近地表電位梯度分布，量化評(píng)價(jià)雜散電流干擾范圍及影響程度，以期為陽(yáng)極地床類型選擇、選址提供可靠依據(jù)，保障陽(yáng)極地床鄰近金屬構(gòu)筑物使用壽命及安全運(yùn)行。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 測(cè)試對(duì)象

測(cè)試對(duì)象為典型深井陽(yáng)極地床和淺埋陽(yáng)極地床，分別位于簡(jiǎn)陽(yáng)市郊和資陽(yáng)市郊。2處地床地表附近平均土壤電阻率均為50 Ω·m，地床現(xiàn)場(chǎng)概貌與安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1(a)和圖1(c)可知，深井陽(yáng)極地床共安裝4組分段預(yù)制式貴金屬陽(yáng)極體，每根陽(yáng)極體長(zhǎng)6 m，距地表最近的陽(yáng)極體埋深為16 m；由圖1(b)和圖1(d)可知，淺埋陽(yáng)極地床由30支高硅鑄鐵陽(yáng)極體組成，每根陽(yáng)極體長(zhǎng)1.5 m，陽(yáng)極體埋深1.2 m，陽(yáng)極體埋設(shè)間距4 m。陽(yáng)極地床工作參數(shù)見表1。

圖1 陽(yáng)極地床現(xiàn)場(chǎng)概貌與安裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Field overview and installation structure of the anode ground beds

表1 陽(yáng)極地床工作參數(shù)Table 1 Operating parameters of anode ground beds

1.2 測(cè)試方案

采用雙參比電極法測(cè)試陽(yáng)極地床地表電位梯度。具體測(cè)試方法為：將2支已配對(duì)的Cu/CuSO4參比電極插入土壤，若土壤干燥,需澆水濕潤(rùn)地面，以保證參比電極底部與土壤接觸良好；按同等間隔3 m同時(shí)移動(dòng)2支參比電極，測(cè)量2電極電位差，然后除以極距得到電位梯度。為統(tǒng)一方向，靠近陽(yáng)極體一側(cè)參比電極均接微電壓差計(jì)正極，如圖2所示。

圖2 雙參比電極法Fig.2 Double reference electrode method

測(cè)試前對(duì)陽(yáng)極地床周圍環(huán)境進(jìn)行初步調(diào)研，選擇土壤介質(zhì)較均勻、測(cè)試距離足夠長(zhǎng)、易于檢測(cè)的測(cè)試方向，使測(cè)試結(jié)果盡可能包含從高到低的電位梯度值。深井陽(yáng)極地床以陽(yáng)極井為中心，選擇北偏東30°(方向1)、南偏東60°(方向2)、北偏西60°(方向3)3個(gè)方向測(cè)量地表電位梯度，如圖3(a)所示；淺埋陽(yáng)極的陽(yáng)極體呈一字排布，在陽(yáng)極體兩側(cè)選擇4個(gè)方向進(jìn)行地表電位梯度檢測(cè)，方向分別為以陽(yáng)極體末端為測(cè)試起點(diǎn)北偏東10°(方向1)和南偏西10°(方向2)，以及陽(yáng)極體中點(diǎn)為測(cè)試起點(diǎn)北偏東10°(方向3)和南偏西10°(方向4)，如圖3(b)所示。

圖3 地表電位梯度測(cè)試方向Fig.3 Test directions of ground surface potential gradient

因測(cè)試環(huán)境存在其它雜散電流，如自然電場(chǎng)或周圍其它干擾源電場(chǎng)產(chǎn)生雜散電流，使直接測(cè)試結(jié)果摻雜其它雜散電流電位梯度在測(cè)試方向上分量。為消除其它雜散電流對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，在恒電位儀無(wú)電流輸出且陽(yáng)極地床充分放電后,進(jìn)行地表電位梯度測(cè)試,測(cè)得的地表電位梯度是除陽(yáng)極地床雜散電流之外，其它外部雜散電流在測(cè)試方向上的電位梯度。同時(shí),根據(jù)多次測(cè)試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，判斷陽(yáng)極地床附近僅受穩(wěn)定外部雜散電流干擾。在恒電位儀額定輸出電流范圍內(nèi)，等間隔調(diào)節(jié)恒電位儀輸出電流進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)深井陽(yáng)極地床恒電位儀輸出電流分別為2,4,6,8 A時(shí)，淺埋陽(yáng)極地床恒電位儀輸出電流為0.3,1,2,3 A時(shí)，測(cè)量不同方向地表電位梯度,并分別與恒電位儀無(wú)電流輸出的電位梯度值矢量合成，最終得到不同方向陽(yáng)極地床雜散電流形成的地表電位梯度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 深井陽(yáng)極地床雜散電流干擾特性

以陽(yáng)極井為中心，3個(gè)方向(方向1、2、3)地表電位梯度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，深井陽(yáng)極地床地表電位梯度隨測(cè)試點(diǎn)與陽(yáng)極井中心距離增大，整體呈先增大后減小的變化趨勢(shì),測(cè)試結(jié)果與陽(yáng)極電壓錐衰減速率經(jīng)驗(yàn)公式[13]計(jì)算結(jié)果相符。3個(gè)方向地表電位梯度峰值分別為62.15,34.36,32.33 mV/m，分別距陽(yáng)極井15,12,3 m。方向1地表電位梯度峰值相對(duì)最高，因?yàn)榉较?測(cè)試環(huán)境多為坡地，地表電位下降速率較快;與方向1、2相比，方向3地表電位梯度峰值位置距陽(yáng)極井較近。由圖3(a)可知，由于方向3的3～9 m處跨過(guò)混凝土道路，其電阻率比陽(yáng)極井附近土壤電阻率高，又因電位梯度與土壤電阻率成正比[14]，因此該處地表電位梯度隨土壤電阻率增大而升高；由圖4(c)可知，在方向3距陽(yáng)極井51 m處，地表電位梯度有明顯陡增，因?yàn)榇颂幙缭礁采w水泥板的田埂，地表土壤電阻率升高，導(dǎo)致地表電位梯度突變。

圖4 深井陽(yáng)極地床地表電位梯度分布Fig.4 Distribution of ground surface potential gradient of deep well anode ground bed

雜散電流干擾強(qiáng)弱判斷指標(biāo)見表2。結(jié)合圖4和表2可知，陽(yáng)極地床在測(cè)試距離內(nèi)地表電位梯度基本均大于0.5 mV/m，屬于雜散電流中干擾影響范圍。因此，本文著重分析強(qiáng)干擾影響范圍，深井陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾影響半徑如圖5所示。由圖5(a)可知，隨恒電位儀輸出電流增大，深井陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾影響半徑近似線性增長(zhǎng)。其中，輸出電流由2 A增大到4 A時(shí)，強(qiáng)干擾最大影響半徑和平均影響半徑增長(zhǎng)速率達(dá)到最大，分別為10.8，12.4 m/A；然后2種影響半徑以5 m/A的增長(zhǎng)速率進(jìn)一步擴(kuò)大，在恒電位儀輸出電流為8 A時(shí)分別達(dá)到90，75 m。城區(qū)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?存在施工質(zhì)量差、防腐層破損嚴(yán)重等問(wèn)題，恒電位儀輸出電流甚至高達(dá)數(shù)十安培，導(dǎo)致深井陽(yáng)極地床雜散電流強(qiáng)干擾最大影響半徑遠(yuǎn)超過(guò)恒電位儀輸出電流為8 A時(shí)的90 m。對(duì)圖5(b)中深井陽(yáng)極地床雜散電流強(qiáng)干擾平均影響半徑進(jìn)行擬合，函數(shù)關(guān)系如式(1)所示：

表2 雜散電流干擾強(qiáng)弱判斷指標(biāo)Table 2 Judgment indexes of stray current interference strength

圖5 深井陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾影響半徑Fig.5 Influence radius of strong interference for deep well anode ground bed

(1)

深井陽(yáng)極擬合曲線可決系數(shù)R2=0.95，表明深井陽(yáng)極擬合曲線與深井陽(yáng)極平均影響半徑值能較好吻合。

2.2 淺埋陽(yáng)極地床雜散電流干擾特性

淺埋陽(yáng)極地床4個(gè)方向地表電位梯度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，淺埋陽(yáng)極地床與深井陽(yáng)極地表電位梯度分布規(guī)律存在顯著區(qū)別。隨測(cè)試點(diǎn)與陽(yáng)極體距離增大，淺埋陽(yáng)極地床地表電位梯度整體呈遞減趨勢(shì)。越靠近陽(yáng)極體，地表電位梯度越大。4個(gè)方向(方向1、2、3、4)地表電位梯度峰值分別為30.02，29.42，40.07，38.00 mV/m，遠(yuǎn)大于表2中強(qiáng)干擾電位梯度閾值。其中，方向3、4測(cè)試起點(diǎn)為陽(yáng)極體中點(diǎn)，由于兩側(cè)陽(yáng)極體電場(chǎng)對(duì)該段存在顯著疊加效應(yīng)，導(dǎo)致方向3、4地表電位梯度較大。因此淺埋陽(yáng)極地床地表電位梯度最大值出現(xiàn)在以陽(yáng)極體中點(diǎn)為測(cè)試起點(diǎn)的測(cè)試方向。此外，由于方向2、4靠近河道，土壤含水量高于周圍土壤，使土壤電阻率下降[15]，導(dǎo)致方向2、4地表電位梯度低于方向1、3。

圖6 淺埋陽(yáng)極地床的地表電位梯度分布Fig.6 Distribution of ground surface potential gradient of shallow-buried anode ground bed

由圖6和表2可知，該淺埋陽(yáng)極地床中干擾影響區(qū)域超過(guò)測(cè)試范圍。淺埋陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾影響半徑，如圖7所示。由圖7(a)可知，隨著恒電位儀輸出電流增大，淺埋陽(yáng)極地床最大影響半徑和平均影響半徑都近似線性增長(zhǎng)，影響半徑增長(zhǎng)速率約10 m/A。在防腐層質(zhì)量較差的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)中，淺埋陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾影響半徑可擴(kuò)大到100 m以上。對(duì)圖7(b)中淺埋陽(yáng)極地床雜散電流強(qiáng)干擾平均影響半徑進(jìn)行擬合，得到其函數(shù)關(guān)系式：

圖7 淺埋陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾影響半徑Fig.7 Influence radius of strong interference for shallow-buried anode ground bed

(2)

淺埋陽(yáng)極擬合曲線可決系數(shù)R2=0.98，證明淺埋陽(yáng)極擬合曲線與淺埋陽(yáng)極平均影響半徑值擬合較好。

2.3 陽(yáng)極地床影響范圍對(duì)比

當(dāng)深井陽(yáng)極地床和淺埋陽(yáng)極地床恒電位儀輸出電流均為2 A時(shí)，分別計(jì)算深井陽(yáng)極3個(gè)方向地表電位梯度和淺埋陽(yáng)極地床4個(gè)方向地表電位梯度平均值，2者平均地表電位梯度分布如圖8(a)所示。由圖8(a)可知，淺埋陽(yáng)極地表電位梯度峰值遠(yuǎn)大于深井陽(yáng)極。但在距陽(yáng)極體埋設(shè)位置20 m處，淺埋陽(yáng)極地表電位梯度已衰減至接近深井陽(yáng)極地表電位梯度，表明淺埋陽(yáng)極地表電位梯度衰減速率更快。這是因?yàn)殛?yáng)極地床等電勢(shì)線在陽(yáng)極體附近分布最為密集，隨距離增加，等電勢(shì)線逐漸稀疏。深井陽(yáng)極地床距地面最近陽(yáng)極體覆土厚度為16 m，電流在從陽(yáng)極體流出到達(dá)地表過(guò)程中已趨于均勻分布，等電勢(shì)線同樣如此。因此，深井陽(yáng)極地床地表電位梯度峰值和衰減速率均小于淺埋陽(yáng)極地床地表電位梯度。

圖8 陽(yáng)極地床雜散電流干擾特性Fig.8 Characteristics of stray current interference of anode ground beds

深井陽(yáng)極地床和淺埋陽(yáng)極地床雜散電流強(qiáng)干擾平均影響半徑對(duì)比，如圖8(b)所示。由圖8(b)可知，深井陽(yáng)極地床強(qiáng)干擾平均影響半徑大于淺埋陽(yáng)極地床，且為淺埋陽(yáng)極地床的2倍。這是由于深井陽(yáng)極地表電位梯度衰減速率較慢，而強(qiáng)干擾范圍較大。

因此，從減小陽(yáng)極地床對(duì)鄰近金屬構(gòu)筑物雜散電流干擾的角度看，在敷設(shè)條件允許情況下，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)宜優(yōu)先選用淺埋陽(yáng)極地床。但因敷設(shè)環(huán)境受限時(shí)，例如地表狹小或地表土壤電阻率高等情況，宜優(yōu)先選用深井陽(yáng)極地床。通過(guò)適當(dāng)增加井深方式減小地表電位梯度，盡可能降低深井陽(yáng)極雜散電流對(duì)鄰近金屬構(gòu)筑物的干擾。同時(shí)，這種處理方式也可降低陽(yáng)極體接地電阻，進(jìn)而降低電源輸出功率，節(jié)約電費(fèi)。此外，針對(duì)重要受干擾金屬構(gòu)筑物，也可考慮采用針對(duì)性的排流保護(hù)等方式，以排除陽(yáng)極地床雜散電流干擾影響。

3 結(jié)論

1)深井陽(yáng)極地床地表電位梯度沿陽(yáng)極井中心輻射線呈先增大后減小的趨勢(shì)，地表電位梯度峰值出現(xiàn)在距陽(yáng)極井15 m左右；淺埋陽(yáng)極地床地表電位梯度沿垂直于陽(yáng)極體方向呈遞減趨勢(shì)，地表電位梯度峰值出現(xiàn)在靠近陽(yáng)極體的位置。

3)淺埋陽(yáng)極地床地表電位梯度峰值和衰減速率均大于深井陽(yáng)極，強(qiáng)干擾平均影響半徑僅為深井陽(yáng)極的1/2。

4)在敷設(shè)條件允許情況下，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用雜散電流干擾范圍較小的淺埋陽(yáng)極地床;因敷設(shè)環(huán)境受限，例如地表狹小或地表土壤電阻率高等情況，宜優(yōu)先選用深井陽(yáng)極地床?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)增加井深、為重要受干擾金屬構(gòu)筑物排流等方式，排除深井陽(yáng)極地床雜散電流干擾影響。