在核电厂区、油气厂站等区域存在多种材料、管径及长度不一的钢质管道,且其与庞大的接地网集中在同一区域内,易造成严重腐蚀。接地网有效降低了电击及雷击的危害,可以对整个厂站进行安全防护。但研究发现,当厂站中使用区域性阴极保护时,接地网与管道电连接会使电流需求量成倍增加,并且会使管道电位分布不均,管道同时存在过保护和欠保护的风险[1-2]。 

针对上述现象,许多研究者进行了更深入的讨论。有研究者认为,接地对管道影响的主要原因是接地材料与管道材料存在电偶腐蚀。将其共同埋入一定区域内的土壤中,接地材料的自腐蚀电位比管道材料的更正,这使得阴极保护电流无序流失且沿线管道电位分布不均[3]。因此,探寻接地对管道的阴极保护影响规律是十分重要的。要使阴极保护系统达到较好的保护效果,应尽可能使被保护设施远离接地,但这受限于厂站内的有限空间[4-5]。不同接地材料的电负性不同,对管道的影响也不同,一些阳极性材料如镀锌钢、锌阳极及不锈钢是目前较为理想的接地材料[6-8],相较于铜接地,它们更能与区域性阴极保护系统兼容[9-11]。目前相关研究仍主要集中于接地材料,虽然已有许多研究证实阳极性材料与区域性阴极保护系统更兼容,但仍会造成阴极保护电流流失,使管道电位分布不均甚至管道出现欠保护。而对于已建厂站,将早期使用的铜接地材料完全更换为阳极性材料较为困难,故开展铜接地对临近钢质埋地管道阴极保护影响研究具有现实意义。 

数值模拟技术应用于阴极保护的电场计算已较为成熟,目前已有多项研究及实践证明了数值模拟技术的可靠性[12-17],特别是边界元算法用于大型厂站中复杂结构物的阴极保护计算,大大提高了计算效率,使工程具有预见性[18-20]。运用边界元方法还可详细研究阴极保护在不同条件（如介质环境、相对位置及自身极化特性等）下的电位及电流分布规律[21-22],这为阴极保护的发展应用提供便利。 

笔者通过室内试验对厂站埋地管道及接地材料极化行为进行了测试,以此为边界条件,采用数值模拟方法对3种因素影响下接地对管道阴极保护电流和电位分布的变化规律进行了分析,建立等效电路,对变化规律进行理论分析,推导了电流分配公式并验证了公式的可靠性,以期为工程实践中分析接地对阴极保护电流需求影响及对管道电位分布影响提供借鉴。 

1.   试验

1.1   试验材料

试验材料为某厂站取得的20号碳钢管材及铜接地。根据试验要求,对材料进行车加工,将管材切割为ϕ20 mm×10 mm的圆柱形棒状试样,以圆柱一端圆形面为工作面,非工作面用环氧树脂封装,将铜接地切割为ϕ16 mm×20 mm的圆柱形棒状试样,以圆柱侧面为工作面,非工作面使用环氧树脂封装,考虑厂站内局部土质差异,试验介质取自某站场不同位置,分别为土壤1和土壤2。将制备完好的20号碳钢及铜接地试样放入两种土壤中充分静置,待其开路电位稳定后,再进行极化行为测试。 

1.2   极化行为测试

极化测试采用标准三电极体系,工作电极为待测试样（带涂层的20号管材试样和铜接地试样）,参比电极为铜/饱和硫酸铜电极（CSE）,辅助电极为石墨电极。阴极极化测试由电化学工作站完成,采用恒电位控制模式,管道材料的极化电位为-850,-1 000,-1 150,-1 300 mV（电位相对于铜/饱和硫酸铜参比电极,以下电位若无特指,均相对于该参比电极）,接地材料极化电位为-550,-700,-850,-1 000,-1 150,1 300 mV。首先进行30 min开路电位测试,待开路电位稳定后采用恒电位测量极化电位下的电流密度,每组恒电位测试时间为2 h,将所得极化曲线作为极化边界条件用于后续数值模拟计算。 

1.3   数值模拟

1.3.1   模型建立及网格划分

采用边界元商用软件BEASY Corrosion & CP进行模拟,选取厂站中常见的接地与管道的基础结构,为消除阳极地电位对管道及接地的影响,采用深井远阳极,并采用Beasy GID模块创建模型。根据管道和接地的特点即一个方向上的比例远远大于另外两个方向上的比例,假设铜接地一横截面的电位相同,选用将管道和接地当作常值单元加一个横截面的管单元结构,对管道及接地进行离散。 

建立2 000 m×2 000 m×2 000 m正方体模型,内为土壤,取现场实测平均分层土壤电阻率,设置土壤纵向分层,土壤电阻率如表1所示,各材料表面极化状态由极化电位与极化电流密度关系表示,根据实测结果确定不同材质在不同条件下的极化行为。 

1.3.2   极化边界条件

1.2节中极化行为测试获得的极化曲线即为数值模拟计算中的边界条件,铜接地材料在不同土壤中的极化边界条件测试结果如图1（a）所示：当极化电位为-750~0 mV时,铜接地试样在两种土壤中的阴极极化电流密度相差不大；在-850 mV极化电位条件下,铜接地在土壤1和土壤2中的稳定电流密度分别为241 mA/m2和736 mA/m2；当极化电位负于-850 mV,铜接地试样在两种土壤中的阴极极化电流密度出现较大差距。这种差异对埋地管道电位分布和电流密度分布的影响将在数值模拟中进行探讨。由于土壤1的电阻率更接近于现场实测土壤平均电阻率,因此将铜接地试样与管道共同置于土壤1中进行测试,结果见图1（b）：铜接地材料的极化电流密度是管道的几千甚至几万倍,当极化电位为-850 mV时,管道的极化电流密度为0.06 mA/m2,铜接地试样的极化电流密度为241 mA/m2。 

图  1  试样在不同条件下的E-I曲线

Figure  1.  E-I curves of samples under different conditions:（a) E-I curves of copper grounding in different soils; (b) E-I curves of copper grounding and pipeline in soil No.1

 

1.3.3   数值模拟参数设置

考虑到实际厂站中不同区域内铜接地的极化行为（即接地的极化电流密度）差异较大、接地长度不一、管道管径多样,采用数值模拟对3种因素（铜接地极化行为、管径及接地长度）影响下,管道阴极保护电流和电位分布规律进行模拟分析,参数设置见表2。钢质管道埋深2 m,接地埋深1 m,二者相对位置分别为并行和交叉。深井阳极设定输出相同的阴极保护电流（434.67 mA）。 

2.   结果与讨论

2.1   影响因素

2.1.1   铜接地极化电流密度的影响

当接地与管道并行,并行间距为管径的3倍即3d时,在土壤1中,流入铜接地的电流为427.81 mA,铜接地吸收了98.24%的阴极保护总电流,流入管道的阴极保护电流为6.86 mA,占比为1.76%。而在土壤2中,流入接地的电流增加到431.48 mA,流入管道的阴极保护电流降低为3.19 mA,占比仅为0.73%,这是由于在土壤2中,铜接地阴极极化所需极化电流密度更大,因此吸收了更多的阴极保护电流,管道得到的阴极保护电流降低。由图2可见：在土壤1中,管道的保护电位为-956~-921 mV,保护电流密度为0.079 8~0.088 8 mA/m2,此时管道达到了-850 mV（最小保护电位准则）,且保护电位和电流密度分布相对均匀,管道得到良好的阴极保护；而在土壤2中,管道的保护电位为-835~-803 mV,保护电流密度为0.033 7~0.052 3 mA/m2,电位不满足-850 mV的最小保护电位准则,管道处于欠保护状态,这是由于铜接地吸收了更多电流,管道所得阴极保护电流不足。 

图  2  不同土壤条件下管道沿线电位及电流密度分布（接地与管道并行）

Figure  2.  Distribution of potential (a) and current density (b) along the pipeline under different soil conditions (the grounding in parallel with the pipeline)

 

当接地与管道30°交叉,交叉点垂直间距为1 m时,在土壤1中,流入接地的电流为426.91 mA,铜接地吸收了98.21%的阴极保护总电流,与并行时的电流吸收量接近,流入管道的阴极保护电流为7.76 mA,占比为1.79%；而在土壤2中,流入接地的电流增至429.90 mA,流入管道的电流降低至4.77 mA,占比为1.10%。由图3可见,在土壤1中,管道的保护电位为-1 013 ~-926 mV,电流密度为0.080 9~0.117 4 mA/m2,保护电位和电流密度分布不均匀性较接地与管道并行时的增加,管道两端受到保护,管道中间出现欠保护。在土壤2中,管道的保护电位为-895 ~-808 mV,电流密度为0.036 6~0.072 8 mA/m2,其规律与在土壤1中的类似,此时管道两端也受到保护,而在交叉点附近电位与并行时的相比更正。这表明,铜接地不仅会吸收阴极保护电流,在铜接地与管道交叉时还会造成邻近管道沿线电位分布不均匀,这是因为流入接地中的电流会在管道沿线产生不均匀的地电场。铜接地极化电流密度增大,这种不均匀性将进一步增加。 

图  3  不同土壤条件下所得管道沿线电位分布及电流分布结果（接地与管道交叉）

Figure  3.  The results of potential distribution (a) and current density distribution (b) along the pipeline under different soil conditions (the grounding and pipeline crossing)

 

2.1.2   管径的影响

在计算模型中,管道电位和电流密度对称分布,选取一侧作图分析。由图4和图5可见,当管道和接地并行间距或交叉角度相同时,随着管径d的增大,管道电位整体正移,对应阴极保护电流密度逐渐减小。以交叉角度为90°为例,随着管径增大,管道表面积增加,阴极保护电流增加,但对应阴极保护电流密度逐渐减小,管道电位整体正移,当管径为102,508,914 mm时,阴极保护电流分别为1.93,8.67,14.43 mA。 

图  4  接地极与管道并行条件下,管径及并行间距对管道电位分布及电流分布的影响

Figure  4.  The influence of pipe diameter and parallel distance on pipeline potential (a) distribution and current density distribution (b) under the condition of parallel grounding electrode and pipeline

 

图  5  接地极与管道并行交叉条件下,管径及交叉角度对管道电位分布及电流分布的影响

Figure  5.  The influence of pipe diameter and intersection angle on pipeline potential distribution (a) and current density distribution (b) under the condition of parallel intersection of grounding electrode and pipeline

 

当两个因素（管径、并行间距或交叉角度）共同影响时,508 mm中管径的1.5d并行间距与914 mm大管径的3d并行间距影响效果大致相同。102 mm小管径的30°交叉角度与508 mm中管径的60°交叉角度影响效果大致相同。由此可见,管道电位分布由多种因素共同影响。其中,管径越大即表面积越大,管道电位越正；当接地与管道并行间距增加或交叉角度变大,接地流失的阴极保护电流降低,管道将会得到更多的阴极保护电流,接地对管道的影响变小；当相对位置与管径两种因素共同作用时,并行间距近的或交叉角度小的914 mm大管径管道的电位将会更正,这是由于当阴极保护总输出电流不变时,近距离及交叉角度小都会使大部分电流流向接地,914 mm大管径管道表面积更大,因此管道受到保护电流密度会更小,管道的电位会更正。 

2.1.3   接地长度的影响

当深井阳极输出电流相同时,接地极与管道并行（并行间距为1.5d）条件下接地长度对管道电位分布及电流分布的影响见图6。可以看出,随着接地长度由25 m依次增加到50 m、75 m和100 m,管道的电流由75.67 mA依次减少为6.71 mA、-1.65 mA和-6.77 mA,即大部分阴极保护电流将流向接地,管道电位整体逐步正移。当接地长度为25 m时,管道最负电位为-1 400 mV,管道处于过保护状态。当接地长度为100 m时,管道最正电位约为-600 mV,管道处于欠保护状态。当接地长为75 m及100 m时,管道的电流密度小于0。当阳极的输出总电流不变时,增加接地长度即增加了接地的表面积,接地会吸收更多的保护电流,累计到一定值,因铜接地与钢质管道间产生的电偶作用,管道将作为阳极向接地提供电流,就会出现管道电流密度小于0的情况,接地长度即接地的表面积对管道电位分布及电流分布影响较大。当接地与管道30°交叉,交叉点垂直间距为1 m时,接地长度对管道电位分布及电流分布的影响见图7,其影响规律与并行条件下的相似。 

图  6  接地极与管道并行条件下,接地长度对管道电位分布及电流分布的影响

Figure  6.  The influence of grounding length on pipeline potential distribution (a) and current density distribution (b) under the condition of parallel between grounding electrode and pipeline

 

图  7  接地极与管道交叉条件下,接地长度对管道的电位分布及电流分布的影响

Figure  7.  The influence of grounding length on the potential distribution (a) and current density distribution (b) of pipelines under the condition of crossing grounding electrode and pipeline

 

2.2   影响规律

2.2.1   等效电路

根据接地对埋地管道影响的模拟规律分析结果可知,保护电流分配是影响管道电位分布的主要原因,材质、相对位置、极化行为等都会引起电流分配的改变。管道与接地直接电连接时,绝大部分保护电流将流向接地,阳极输出电流的需求大大增加,而流失的电流正是造成管道电位不均匀的主要原因。通过研究分析,大地、接地、管道及阳极构成完整回路,回路中存在自身极化电阻及土壤介质电阻。阳极输出的电流经过回路电阻时会产生电压,由此可以推导出整个回路的等效电路图如图8所示。图中,Ip为流向管道的保护电流,Ig为流向接地的保护电流,Rpp为管道的极化电阻,Rp为管道的对地电阻,Rgg为接地的极化电阻,Rg为接地的对地电阻,Ep为管道的自然电位,Eg为接地的自然电位。 

图  8  阴极保护回路图及等效电路图

Figure  8.  Cathodic protection circuit diagram (a) and equivalent circuit diagram (b)

 

以远大地为零电势点时,电流流入管道与电流流入接地两端电压相等且总保护电流为流入接地电流与流入管道电流之和,如式（1）至（3）所示,根据阴极保护手册[22],对地电阻主要与土壤电阻（ρ）、管径（D）、管长（l）及埋深（t）有关,见式（4）,推导出流入接地的电流分配公式,见式（5）。 

式中：tp为管道埋深；tg为接地埋深；Dp为管道直径；Dg为接地直径；ρ为介质电阻率；lg为接地长度；lp为管道长度。 

保护电流流入接地,将会产生地电场,如式（6）所示,地电位将是造成管道沿线分布不均的原因。 

式中：t为接地埋深；I为流入接地的电流；r为接地与产生电压的某点的距离；ρ为介质电阻率。 

2.2.2   数值模拟验证

为了验证上述公式推导的可靠性,选取两组不同管径,不同相对位置的模拟结果,如表（3）所示。通过测试不同材料的极化电阻,采用上述等效电路推导公式,用管道不同极化电位下对应的极化电阻求得接地流入电流（Iground）,结果见表（4）,其中,管道和接地的自然电位分别为-745 mV和-79 mV,长度均为50 m；土壤电阻率为21 Ω·m；采用公式（4）计算得到102 mm管道、914 mm管道和接地的对地电阻分别为0.48,0.63,0.82 Ω。对比表4和表3,可以看出表4中采用推导公式得出流入接地的电流与表3中的模拟结果相近,不同管径和交叉并行关系对应的电流变化趋势相同。 

通过上文计算所得电流可进一步根据公式（6）计算接地对管道电位分布的影响,由于接地和管道较长,接地各个位置对管道不同位置的影响不同,为此将接地和管道分成多段,分别计算每段接地对每段管道电位的影响,根据叠加原理确定整个接地对管道不同位置即不同段的总影响。以102 mm管道并行间距1.5d为例进行计算：将管道及接地各等分成10段,假设每段接地分配到的电流量一致,计算每段接地在每段管道处产生的地电位,再根据电位叠加原理,计算每段管道总的地电位分布,结果如图9所示。由图9可见,接地影响下管道不同位置的最大电位差为33 mV（即管道两端与中心的差值）,这与模拟计算结果（电位差为33.19 mV）几乎一致。由此可知,当接地与管道电连接时,管道沿电位差异主要为流入接地电流在管道沿线产生的地电位差异。 

图  9  等效电路法获得接地电流引起的管道沿线地电位分布

Figure  9.  Ground potential distribution along pipelines caused by grounding current obtained by circuit method

 

3.   结论

（1）在3种因素（极化电流密度、管径及接地长度）作用下,接地对于管道电位的影响首先体现在阴极保护电流分配上。接地的极化电流密度、长度及其与管道的相对位置为主要因素,管径的影响相对较小为次要因素。接地所需极化电流密度增加,接地长度增加或接地邻近管道时,接地获取的电流增加,埋地管道所受阴极保护电流流失量增加,管道电位明显正移。 

（2）接地除了吸收阴极保护电流外,还可能在管道沿线产生不均匀的地电位,这是造成管道沿线电位分布不均的主要原因之一。 

（3）将大地、接地、管道及阳极构成一个等效回路,电流经过自身的极化电阻和对地电阻时会产生电压,根据等效电路模型进行公式推导,采用推导公式得出的接地电流与模拟结果接近,证实了公式的有效性。该公式可用于接地流失阴极保护电流及其对管道电位分布影响的预测。