1概述
在陰極(ji)保護中，陽(yang)極(ji)與保護結構(gou)(gou)之間的(de)(de)土壤電阻決(jue)(jue)定了到達保護結構(gou)(gou)的(de)(de)電流密度，而該電阻又(you)決(jue)(jue)定于土壤電阻率、埋設位置土壤的(de)(de)截面積，以及陽(yang)極(ji)到保護結構(gou)(gou)上(shang)某一(yi)點的(de)(de)距離(li)。計算公(gong)式為：
Ry=r(r/A)(1)
式中Ry——陽極(ji)與保護結構之(zhi)間土(tu)壤電阻，W
r——土壤電阻(zu)率，W·m
r——陽極到保護結(jie)構上某一點的距離，m
A——埋設位置土壤的截面積，m2
以(yi)位于均勻土壤(rang)中的(de)豎直陽(yang)極(ji)(ji)(ji)為例，電(dian)流以(yi)放射狀分(fen)布，總電(dian)流為各(ge)(ge)方(fang)向(xiang)電(dian)流之和。對于長輸管道(dao)，由(you)于管道(dao)各(ge)(ge)點距陽(yang)極(ji)(ji)(ji)地(di)床(chuang)的(de)距離(li)不(bu)相等(deng)，陰極(ji)(ji)(ji)保護(hu)電(dian)流到(dao)達(da)管道(dao)各(ge)(ge)點所經路徑的(de)電(dian)阻也不(bu)相等(deng)，因此管道(dao)各(ge)(ge)點的(de)電(dian)流密度也不(bu)相等(deng)。
2陽極與保護結構的距離分析
假定(ding)其他因素恒定(ding)，儲(chu)罐(guan)(guan)、管道(dao)等保護結構某(mou)一點得到的(de)電(dian)流與其距陽(yang)極(ji)(ji)的(de)距離成反比。以(yi)儲(chu)罐(guan)(guan)底部的(de)陰(yin)極(ji)(ji)保護為例，如果陽(yang)極(ji)(ji)距罐(guan)(guan)底太近，則(ze)電(dian)流的(de)分布(bu)很不(bu)均勻，造成距陽(yang)極(ji)(ji)近的(de)一側過保護而另一側保護不(bu)夠。
如果陽(yang)極(ji)(ji)與罐底(di)(di)的距(ju)離增大，則罐底(di)(di)各點與陽(yang)極(ji)(ji)之(zhi)間的電(dian)流回路的電(dian)阻(zu)差減(jian)小，電(dian)流分布(bu)趨于均勻。但(dan)另一方面，由于陽(yang)極(ji)(ji)與罐底(di)(di)的距(ju)離增大，回路的總(zong)電(dian)阻(zu)增大，陰極(ji)(ji)保護(hu)電(dian)流減(jian)小。因(yin)此需要提高外加(jia)電(dian)壓，從電(dian)流分布(bu)的角度出發，陽(yang)極(ji)(ji)將有一個(ge)最佳位置。
條件允許(xu)的(de)情況下(xia)，陽極(ji)(ji)(ji)距(ju)(ju)罐(guan)(guan)底(di)周邊的(de)距(ju)(ju)離(li)不小于罐(guan)(guan)直徑。如果做不到(dao)這一點，應采用(yong)分(fen)(fen)布(bu)式陽極(ji)(ji)(ji)或深井陽極(ji)(ji)(ji)，深井陽極(ji)(ji)(ji)的(de)上端(duan)距(ju)(ju)地(di)面距(ju)(ju)離(li)不小于10m，以使電流分(fen)(fen)布(bu)均勻。英國標準BS 7361推薦罐(guan)(guan)底(di)的(de)陰極(ji)(ji)(ji)保護采用(yong)分(fen)(fen)布(bu)式陽極(ji)(ji)(ji)。
對于(yu)(yu)受(shou)陰極保(bao)(bao)護(hu)的長輸管道(dao)(dao)(dao)，均勻(yun)(yun)的電(dian)流分(fen)(fen)(fen)布可(ke)以通過增大陽(yang)極與(yu)管道(dao)(dao)(dao)的間距(ju)或通過均勻(yun)(yun)布置陽(yang)極來獲得(de)(de)。陽(yang)極距(ju)管道(dao)(dao)(dao)太(tai)近(jin)，會(hui)使距(ju)陽(yang)極近(jin)的管道(dao)(dao)(dao)部位(wei)產生過保(bao)(bao)護(hu)，而(er)距(ju)管道(dao)(dao)(dao)遠(yuan)的部位(wei)保(bao)(bao)護(hu)不夠；陽(yang)極距(ju)管道(dao)(dao)(dao)太(tai)遠(yuan)，會(hui)使整條管道(dao)(dao)(dao)欠保(bao)(bao)護(hu)，此(ci)時(shi)若仍使管道(dao)(dao)(dao)得(de)(de)到充分(fen)(fen)(fen)保(bao)(bao)護(hu)，只有提高外加(jia)電(dian)壓。陽(yang)極的最佳位(wei)置應使管道(dao)(dao)(dao)最遠(yuan)端(duan)得(de)(de)到有效保(bao)(bao)護(hu)而(er)匯流點處(chu)不發生過保(bao)(bao)護(hu)。由于(yu)(yu)電(dian)流分(fen)(fen)(fen)布還受(shou)到土壤電(dian)阻(zu)率、防腐層狀況(kuang)、管道(dao)(dao)(dao)電(dian)阻(zu)等多個因素影(ying)響(xiang)，因此(ci)陽(yang)極與(yu)管道(dao)(dao)(dao)的間距(ju)應不小于(yu)(yu)100m，一般為300～500m。
3土壤電阻率對電流分布的影響
當(dang)土(tu)壤(rang)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)率(lv)均(jun)勻、管道電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)忽略(lve)不計時，與陽極距離最近的(de)(de)點(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)密(mi)度最大(da)(da)。距陽極越遠，電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)密(mi)度越小(xiao)。然(ran)而大(da)(da)多數土(tu)壤(rang)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)率(lv)是不均(jun)勻的(de)(de)，當(dang)沿管道的(de)(de)土(tu)壤(rang)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)率(lv)有較大(da)(da)變化時，將(jiang)對(dui)管道的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)分布產生(sheng)較大(da)(da)影響。比(bi)如(ru)穿越河流(liu)的(de)(de)管道，由于(yu)河水的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)率(lv)遠小(xiao)于(yu)周圍土(tu)壤(rang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)率(lv)，導致臨近河床的(de)(de)管道電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)密(mi)度增大(da)(da)，電(dian)(dian)(dian)(dian)位下降。
當對井套(tao)(tao)(tao)管(guan)(guan)進行陰(yin)極(ji)保護時，由(you)于套(tao)(tao)(tao)管(guan)(guan)會(hui)穿(chuan)過不同電(dian)阻率的(de)巖石層和土壤層，使陰(yin)極(ji)保護電(dian)流沿套(tao)(tao)(tao)管(guan)(guan)的(de)分(fen)布不均勻。與陽(yang)極(ji)之間(jian)的(de)電(dian)阻最(zui)小的(de)套(tao)(tao)(tao)管(guan)(guan)表面處電(dian)流密度最(zui)大，電(dian)位最(zui)負。
管(guan)(guan)地(di)電(dian)位與土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)的變化有(you)很(hen)大關系。秦(qin)京輸(shu)油管(guan)(guan)道(dao)曾經在距(ju)泵(beng)站(zhan)1km處(chu)發生了腐(fu)蝕穿孔，而(er)距(ju)泵(beng)站(zhan)較遠的一段裸管(guan)(guan)卻(que)腐(fu)蝕輕微，原因是(shi)該段裸管(guan)(guan)處(chu)于(yu)電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)較低(di)的河(he)床(chuang)處(chu)，陰(yin)極保護(hu)(hu)充(chong)分。因此，當土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)變化大或者保護(hu)(hu)結構形狀復雜時(shi)，要想使(shi)電(dian)流分布(bu)(bu)均勻，有(you)效的措施是(shi)正(zheng)確地(di)布(bu)(bu)置陽極。另外，在土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)低(di)的地(di)方測得的電(dian)位滿(man)足(zu)要求，并(bing)不意(yi)味著處(chu)于(yu)土(tu)壤(rang)(rang)電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)高(gao)的地(di)段的管(guan)(guan)道(dao)也得到了充(chong)分的陰(yin)極保護(hu)(hu)。
4陽極布置對電流分布的影響
陽極(ji)(ji)(ji)有多種布置(zhi)方式：近間距(ju)陽極(ji)(ji)(ji)、遠(yuan)距(ju)離陽極(ji)(ji)(ji)、分布式陽極(ji)(ji)(ji)、集中陽極(ji)(ji)(ji)、深(shen)井陽極(ji)(ji)(ji)。
①分布式陽極
分(fen)布式陽(yang)(yang)極(ji)可(ke)(ke)有效地改善電流分(fen)布，使保護結構上的電位均(jun)勻分(fen)布。當陰極(ji)電纜或管道太長(chang)時，應考慮其(qi)電阻對電流的影響。必要時，可(ke)(ke)以另(ling)加陰極(ji)電纜和陽(yang)(yang)極(ji)電纜。保護結構復雜時，經常采用分(fen)布式陽(yang)(yang)極(ji)，見圖1。
②深井陽極
當(dang)地(di)表(biao)空間小(xiao)(xiao)，不(bu)能采(cai)用(yong)分(fen)布式陽(yang)(yang)極(ji)或地(di)表(biao)土(tu)壤電阻率太高(gao)時，經常(chang)采(cai)用(yong)深(shen)井(jing)(jing)陽(yang)(yang)極(ji)(見圖2)。深(shen)井(jing)(jing)陽(yang)(yang)極(ji)的(de)優點：占地(di)面積小(xiao)(xiao)；對(dui)其(qi)他保護(hu)結構的(de)影(ying)響小(xiao)(xiao)；陽(yang)(yang)極(ji)接(jie)地(di)電阻小(xiao)(xiao)；遭破壞的(de)可能小(xiao)(xiao)；對(dui)地(di)表(biao)保護(hu)結構或井(jing)(jing)套管的(de)保護(hu)電流分(fen)布均勻；陽(yang)(yang)極(ji)接(jie)地(di)電阻受季節變化影(ying)響小(xiao)(xiao)。
5參比電極位置對測量結果的影響
電(dian)流從土壤(rang)經(jing)防(fang)腐層流入管(guan)道(dao)時(shi)，其通(tong)路電(dian)阻由(you)兩(liang)部分(fen)組成——防(fang)腐層電(dian)阻和(he)土壤(rang)電(dian)阻，假設管(guan)道(dao)的自然電(dian)位(wei)為(wei)-0.6V(相對于銅／飽和(he)硫酸銅參比(bi)電(dian)極(ji))，受陰極(ji)保護(hu)后保護(hu)電(dian)位(wei)為(wei)-0.9V(參比(bi)電(dian)極(ji)位(wei)于地表)。
通路電阻計算(suan)公(gong)式為：
R=Rc+Re (2)
式中R——通路電阻(zu)，W
Rc——防腐層電阻，W
Re——土壤電阻(zu)，W
防腐(fu)層電阻計算(suan)公式為：
Re=ryc(d/A) (3)
式中rc——防腐層電阻率，W·cm
d——防(fang)腐層(ceng)厚度(du)，cm
A——防腐層表(biao)面(mian)積(ji)，cm2
土壤電阻計算公式為：
Re=rt/8rt ; (4)
式中rt——土壤電阻率，W·m
rt——土壤(rang)截面半徑，m
防腐(fu)層(ceng)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)率一般數(shu)量(liang)級為(wei)(wei)109～1012W·m，厚(hou)度(du)為(wei)(wei)0.05～0.15cm。此(ci)處取(qu)防腐(fu)層(ceng)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)率為(wei)(wei)1×109W·cm，厚(hou)度(du)為(wei)(wei)0.05cm，土(tu)壤電(dian)(dian)阻(zu)(zu)率為(wei)(wei)1000W·cm，根據(ju)(ju)公(gong)式(3)得截面積(ji)為(wei)(wei)1m2的(de)(de)(de)(de)防腐(fu)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)為(wei)(wei)5000W。根據(ju)(ju)公(gong)式(4)得截面積(ji)為(wei)(wei)1m2的(de)(de)(de)(de)土(tu)壤的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)為(wei)(wei)2.2W。根據(ju)(ju)歐姆(mu)定律公(gong)式，得流入防腐(fu)層(ceng)截面積(ji)為(wei)(wei)1m2的(de)(de)(de)(de)管道(dao)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)流為(wei)(wei)60m，土(tu)壤IR降為(wei)(wei)0.13mV，可以忽略不計。因此(ci)在地表測(ce)到的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)位(wei)萎本(ben)為(wei)(wei)管道(dao)的(de)(de)(de)(de)實際保(bao)護電(dian)(dian)位(wei)。
如果防(fang)(fang)腐(fu)層(ceng)(ceng)有(you)漏(lou)點，防(fang)(fang)腐(fu)層(ceng)(ceng)電(dian)阻顯著減(jian)小，外加電(dian)流明(ming)顯增(zeng)大，土壤中的IR降增(zeng)大，在(zai)地表(biao)產生電(dian)壓場，電(dian)壓場的梯(ti)度(du)與范圍受漏(lou)點大小、漏(lou)點與陽極地床的距(ju)離、土壤電(dian)阻率等多個因素影響。
①如(ru)果參比電(dian)(dian)極位(wei)于漏點中心正上方，即在電(dian)(dian)壓(ya)場的中心，則沒(mei)有(you)電(dian)(dian)流(liu)自該(gai)點流(liu)入管道(dao)，所(suo)測電(dian)(dian)位(wei)為管道(dao)的實際保護電(dian)(dian)位(wei)，不含IR降。
②如果參比(bi)電(dian)極位置(zhi)偏(pian)離電(dian)壓場中心(xin)，則所(suo)測(ce)電(dian)位偏(pian)負，含有(you)IR降，不(bu)能反映(ying)該處管(guan)(guan)道(dao)防腐(fu)層(ceng)漏(lou)點(dian)(dian)的實際保(bao)(bao)護狀(zhuang)況(kuang)。由于(yu)(yu)(yu)管(guan)(guan)道(dao)所(suo)處的環(huan)境復雜(za)，防腐(fu)層(ceng)漏(lou)點(dian)(dian)大小、分布差異大，使地表電(dian)壓場復雜(za)，參比(bi)電(dian)極很難恰好位于(yu)(yu)(yu)電(dian)壓場中心(xin)。因此，管(guan)(guan)道(dao)電(dian)位測(ce)量值中可能含有(you)IR降。在測(ce)試樁處測(ce)量管(guan)(guan)地電(dian)位時，由于(yu)(yu)(yu)不(bu)了解測(ce)點(dian)(dian)處管(guan)(guan)道(dao)防腐(fu)層(ceng)的狀(zhuang)況(kuang)，所(suo)測(ce)電(dian)位只能粗略地說明該部分管(guan)(guan)道(dao)陰(yin)極保(bao)(bao)護的大概狀(zhuang)況(kuang)，以及測(ce)點(dian)(dian)附近0.5m范圍內的漏(lou)點(dian)(dian)是(shi)否得到(dao)了充分的陰(yin)極保(bao)(bao)護，而不(bu)能說明管(guan)(guan)道(dao)的所(suo)有(you)漏(lou)點(dian)(dian)處是(shi)否都(dou)得到(dao)了充分保(bao)(bao)護。
③如果所測電(dian)位(wei)比-0.85V正，則此(ci)處(chu)管道(dao)(dao)一定沒有得到充分(fen)保護；而所測電(dian)位(wei)比-0.85V負(fu)時(shi)，此(ci)處(chu)管道(dao)(dao)防腐層漏(lou)點(dian)處(chu)也不一定就得到了充分(fen)的(de)陰極(ji)(ji)保護，認為陰極(ji)(ji)保護良好(hao)的(de)管道(dao)(dao)卻(que)發生腐蝕(shi)穿(chuan)孔(kong)的(de)實例(li)已(yi)充分(fen)證明了這一觀點(dian)。因此(ci)，正確(que)測量管地(di)電(dian)位(wei)的(de)關(guan)鍵是(shi)(shi)將參比電(dian)極(ji)(ji)靠(kao)近(jin)漏(lou)點(dian)處(chu)，位(wei)于陰極(ji)(ji)電(dian)壓場中心。只有使用(yong)直(zhi)流電(dian)位(wei)梯度法(fa)(DCVG)和近(jin)間距管地(di)電(dian)位(wei)法(fa)(CIPS)相結(jie)合，或瞬時(shi)斷電(dian)法(fa)才能準(zhun)確(que)地(di)判斷管道(dao)(dao)是(shi)(shi)否得到了充分(fen)的(de)陰極(ji)(ji)保護。
6結論及建議
①影響(xiang)電(dian)流(liu)分(fen)(fen)布(bu)(bu)的因素眾多，主要有三方面：土(tu)壤電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)(lv)、陽極與保護結構的距離以及防腐(fu)層質(zhi)量。土(tu)壤電(dian)阻(zu)(zu)率(lv)(lv)、陽極與保護結構距離大有利于改(gai)善電(dian)流(liu)分(fen)(fen)布(bu)(bu)，小則不(bu)利于改(gai)善電(dian)流(liu)分(fen)(fen)布(bu)(bu)；防腐(fu)層質(zhi)量好有利于電(dian)流(liu)分(fen)(fen)布(bu)(bu)，不(bu)好則反之。
②陰(yin)極(ji)(ji)(ji)保護設計成功與否的關鍵是陽極(ji)(ji)(ji)的布置(zhi)，對于區域性陰(yin)極(ji)(ji)(ji)保護，這一點更為重要。對于防腐層老化的管(guan)道，采(cai)用(yong)柔性陽極(ji)(ji)(ji)可有效改善(shan)電(dian)流分布，減(jian)小外(wai)加(jia)電(dian)流，延長管(guan)道壽(shou)命(ming)。
③在(zai)管(guan)地(di)電位(wei)測(ce)(ce)量(liang)工作(zuo)中，要充(chong)分認(ren)識土壤(rang)電阻率、陽極(ji)位(wei)置(zhi)、防腐(fu)層漏點(dian)(dian)大小及分布對測(ce)(ce)量(liang)結果(guo)的(de)影響(xiang)。盡管(guan)在(zai)測(ce)(ce)試樁處測(ce)(ce)到的(de)結果(guo)滿足保護要求，這并不意味(wei)整(zheng)條管(guan)道都處于有效的(de)陰極(ji)保護之下(xia)，管(guan)地(di)電位(wei)測(ce)(ce)量(liang)的(de)關鍵是(shi)將參比電極(ji)位(wei)于防腐(fu)層漏點(dian)(dian)處，而(er)實(shi)際上做到這一(yi)點(dian)(dian)是(shi)很(hen)困(kun)難(nan)的(de)，可靠的(de)方法(fa)是(shi)進行近間距管(guan)地(di)電位(wei)測(ce)(ce)量(liang)(CIPS)或用直(zhi)流電位(wei)梯度法(fa)(DCVG)測(ce)(ce)量(liang)漏點(dian)(dian)處的(de)實(shi)際保護電位(wei)。
④對于(yu)區域性陰(yin)極(ji)保(bao)護(hu)(hu)，判斷保(bao)護(hu)(hu)結構是(shi)否(fou)得(de)到了有效的陰(yin)極(ji)保(bao)護(hu)(hu)，應使(shi)參(can)比電(dian)極(ji)位于(yu)被測保(bao)護(hu)(hu)結構附近(jin)，我國陰(yin)極(ji)保(bao)護(hu)(hu)測量規(gui)范中(zhong)規(gui)定的遠參(can)比電(dian)極(ji)法(fa)，不能(neng)說明(ming)保(bao)護(hu)(hu)結構是(shi)否(fou)得(de)到了有效的陰(yin)極(ji)保(bao)護(hu)(hu)。
