埋地管道牺牲阳极阴极保护中a和E0的确定

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1991.06.031 北京科技大学学报 第13卷第6期 Vol.13No.6 1991年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1991 埋地管道牺牲阳极阴极保护中 a和E,的确定 杨福辰·葛占英·余泽· 张薇·丁莹莹… 摘要：通过对埋地煤气管线实施柄牲阳极阴极保护的大量潮试数据，经系统整理分 析，得出电位衰减系数与修正系数r和涂层电导之间的关系，以及通电点答地电位偏移量 E的计算公式。 关健词：管地电位，衰减系数，阴极保护 Determination of a and Eo on Cathodic Protection System of Underground Pipelines with Sacrificial Anodes Yang Fuchen.Ge Zhanyiug'Yu Ze Zhaug Wei.Ding Yingying' ABSTRACT:The equation of negative shift "E."of pipe/ground potential at connection point,the relation-ship between potential attenuation coefficient “a”and calibration coefficient“r”as well as electric conductivity“g:”of coating are dedueecl by systematic analysis a vast amount of experimental data collected from cathodic protection system of underground pipelines with sacrificial anodes, KEY WORDS:pipe/groud potential,attenuation coefficient,cathodic protection 1991-03-28收 ·表面科学与腐蚀工程系(Department of Surface Science and Corrosion Engincering) ··北京煤气公司 参加工作还有表面科学与腐，工程系的吴萌顺、李青问志，北京煤气公司的，张占力同志 583

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 丁 。 。 埋地管道牺牲阳极阴极保护 中 和 。的确定 杨福辰 ’ 葛 占英 ‘ 余 泽 ’ 张 薇” 丁 莹莹 ’ ‘ 摘 要 通 过对埋地煤气管线实施 牺牲阳极阴极保护的 大量测试 数据 ， 经 系 统 整 理 分 析 ， 得出 电位衰减系数 与修 正系数 和 涂 层 电导之 间的 关 系 ， 以 及通 电点管地 电 位 偏 移 量 。 的 计算公 式 。 关健词 管地 电位 ， 衰减系数 ， 阴极保护 夕 ， “ 夕 平 “ ， 夕 ’ 夕夕 夕 布 ，’ 。 ” ， 一 “ ” 夕 似 ， ， 一 一 收稿 分 表面科学与腐蚀工程系 公 北京煤气公 司 参加工作还有表面科学 与腐 蚀工 程系的吴荫顺 、 李 青同志 ， 北京煤气公 司 的 ， 张 占力同志 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．06．031

在理地管道牺牲阳极阴极保护设计中，通过管地电位的纵向分布，可以确定阴极保护的 保护程度和保护范围。管地电位的负偏移量由E.=E。“给出1-3，因此通过确定电位 衰减系数α和通电点电位负偏移量E,即可得到E,任意距离x处的电位。理论上a=√R。·g, 其中R是单位长度管线金属的纵向电阻，g是单位长度管线涂层内外表面间的电导〔3)。理 论计算值与实验值往往相差1~2个数量级。关于通电点管地电位负偏移量E,文献〔3〕中只 作了简单描述，没有给出具体的计算方法和计算公式。本文通过系统的推导，得出E的计算 公式。 1实验方法 本实验对实际运行的新旧埋地管线实施栖牲阳极阴极保护，因此分旧管线和新管线两 项实验。 1.11旧管线实验 某煤气管线已运行10a,取实验管线长度为2,2km,管线直径D=600mm,管壁厚T= 8mm,沥青涂层，管线深度土壤电阻率在10~30（9·m)之间。 采用Zn牺牲阳极进行保护，阳极床间隔100m,每个阳极床有4根单支阳极，每支重15kg, 通电点及两个阳极床中间点设有测试桩。 1.2新管线实验 埋地煤气新管线长6.2km,直径D=600mm,管壁厚度T=8mm,沥青涂层，管线深度 土壤电阻率是在20~70(Q·m)之间。采用Mg牺牲阳极进行保护实验。阳极床间距600m, 每个阳极床有2~3根单支阳极，每支阳极重11kg,通电点和两个阳极床中间点设有测试桩。 2结果与讨论 2,1关于电位衰减系数 当牺性阳极与管道接通后，阴极保护系统开始运行，距通电点×的管地电位负偏移值为 Ex=E。e一“，即管地电位呈指数衰减。 (1)埋地旧管线实验结果 管道金属的电阻率是P。=0.135(0·mm2m1),单位长度管线金属的纵向电阻则为2)： R。=元T(D-T)=9.08×100(Qm) 对于运行10a的管线作外观分析，单位面积涂层内外表面间电导取g1=2×10-2(2~1·m-2)3), 单位长度涂层内外表面间电导是g=xD·91=3.77×10~2(2~1·m~2),故理论衰减系数为： a=V√R。g=5.85×104(m1) 584

在 埋地管道 牺牲阳极阴极保护设计 中 ， 通过管地电位的纵向分布 ， 可以确定阴极保护的 保护程度和 保护范 围 。 管地电 位的 负偏移量 由 二 二 。 一 “ ‘ 给出 〔 ’ 一 “ 〕 ， 因此通过 确 定 电 位 衰减系数 和通电点电位负偏移量 。 即可得到 二 任意距离二 处的电位 。 理论上 亿 。 · ， 其 中 。 是单位长度管线金属的纵向电阻 ， 是单位长度管线 涂层 内外表 面间的 电 导〔 〕 。 理 论计算值与实验值往往相差 一 个数量 级 。 关于通电 点 管地电 位负偏 移量 。 ， 文 献〔 〕 中只 作了简单描述 ， 没 有给出具体的 计算方法和 计算公式 。 本文通过 系统 的推导 ， 得 出 。 的计算 公 式 。 实验方法 本实验对实际运行的新 旧埋地管线 实施牺牲阳极阴极保护 ， 因此分 旧管线和 新 管 线 两 项实验 。 。 旧 管线实验 某煤气管线 已运行 ， 取实验管线长度为 。 。 ， 管线直径 刀 ， 管壁 厚 二 ， 沥青涂层 ， 管线 深度土壤电阻 率在 · 之 间 。 采用 牺牲阳极进行保护 ， 阳极床 间隔 ，每 个阳极床 有 根单支阳极 ， 每 支 重 魄 ， 通 电点及两个阳极床 中间点设有侧试桩 。 新管线实验 埋地煤气新管线 长 。 ， 直径 ， 管壁厚度 二 ， 沥青涂层 ， 管线 深度 土壤电阻率是在 · 之 间 。 采用 牺牲阳极进行保护实验 。 阳极床间距 ， 每个阳极床有 一 根单支阳极 ， 每支阳极重 ， 通电点和两个阳极床 中间点设有测试桩 。 结果与讨论 。 关于 电位衰减 系数 当牺牲阳 极与管道接通后 ， 阴极保护系统开始运行 ， 距通电点二 的 管地电 位 负偏移值为 二 。 。 一 ， 即管地电位呈指数衰减 。 埋地 旧管线实验结果 管道金属的电 阻率是 。 二 。 · 。 “ 一 ‘ ， 单位长度管线金属 的纵向电阻 则为 ‘ “ ’ 。 。 。 。 。 。 。 ， 八 、 一蔽蔽万三可 ” · ” “ 一 “ · 一 ， 对于 运行 的管线 作外观分析 ，单位面积涂层 内外表 面间电 导取 ， 火 一 “ 。 一 ‘ 一 “ 〔 “ 〕 ， 单 位长度涂层内外表 面间电导是 二 二 · ， 二 义 一 。 一 ‘ · 。 一 “ ， 故理论衰减系数为 了 · 。 一 一 ‘

通过实验测得管地电位分布曲线（相对于饱和硫酸铜电极，下同）。3、5◆测试桩附近 测试结果如图1,8#、10*测试结果如图2所示。 1000 0* 900 800 0 700 Corneet.c pu:nt t 500L 25 201510 510 152025 围1管地电位曲线分布 Fig.1 Pipe/ground potential distribution near the measuring staffs 00 069 500 -/e:qualod 700 600 Ccanection poinL 500 15 10 10 1520 Distance,m 3 图2管地电位分布曲钱 Fig.2 Pipe/ground potential distribution near the measn ring staffs 测定该段管线自然腐蚀电位是-0,55V,通电点管地电位值E。及管地电位负偏移值E 如表1。 表1E。与E。值 Table 1 Pipe/ground potential Eo and ne gative shifts Eo of pipe/ground potential 桩 号 3* 5 8* 10* E6(V) -0.940 -0.935 -0.835 -0.855 Eo (V) 0.390 0.385 0.285 0.305 用Ex=E。e~拟合图1、图2中的7条曲线，衰减系数是： a1=1.33×10-1(m-1) a2=1.23×10-1(m-1) 08=1.13×10-1(m-1) a4=6.35×10-1(m~1) a后=7.96×10-2(m-1) a。=1.00×10-2(m-1) a7=6.27×10-2(m1) 585

通过实验测得管地电位分布 曲线 相对于饱和硫酸铜电极 ， 下 同 。 手 、 测试桩 附 近 测试结 果如图 ， 气 测试结果如图 所示 。 。 ， 一 卜屯一一 。丫 “ 了 「 勺 ‘ ︶﹂︹次吕 ﹃ 门曰 曰 生 一 三 之 。 己 。 ， 乙 与卜 工 一 一 比 叮 一 工 图 管地 电位曲线分布 。 。 飞。 扮 之 二 。 万下 口 卜司 二 七 ， 一 二 口户卜一－ 门 王 工 一 只 ‘乙一斗 丫‘ ︸走尸二︺曰叫牙 。。。‘ 戈 一 明 饰 岛 币 － 共 图 管地电位分布曲线 让 侧定该段 管线 自然 腐蚀电位是 一 。 ， 通电 点管地电位值 洁及管地电 位 负偏移值 如表 。 表 右与 。 值 石 。 桩 号 挤 钾 吕 一 。 一 一 一 一 一 。 。 一 。 。 用 。 一 二 拟合图 、 图 中的 条曲线 ， 其衰减 系数是 二 。 一 卫 一 ’ 。 一 一 。 “ 。 一 么 一 之 。 一 么 一 。 一 一 。 一 一 ’ 。 。 一 “ 一

由此可见，管线不同部位的电位衰减系数不同，取平均值，实际电位衰减系数为： 7 a: a'=L 7 =9.64×10-2(m-1) 实际衰减系数a'与理论计算值a之比为： a'9.64×10-2 45.85×10-4=164 即a'=164a 实际衰减系数远大于理论衰减系数。在工程设计计算时必须以实际衰减系数为依据，只 有这样才能提出合理的牺牲阳极阴极保护设计方案。 (2)埋地新管线实验结果 管线金属的电阻率是P。=0,135(Q·mm2•m-),单位长度管道金属纵向电阻是 R。=πTD-T节=9.08×10-(Qm),单位面积涂层内外表面间电阻大于1×10Q2。 经模拟测定为1.07×104Q,则g1=9.35×10-5(Q-1.m-)、9=1.76×10-4(2-1m-2)。 理论衰减系数： a=VR。"9=4.00×10-5(m-2) 实验测量通电点管地电位一1.24V,在离通电点300m处（两个阳极床间点）管地电位 -1.16V,其管地电位偏移值分别是0.69V,0.61V。考虑到中间点两组阳极床电位叠加的结 果，故一个阳床在中间点产生的管地电位偏移值是0,305V。故实际衰减系数a'由公式E.= E。e=推得a'=2,72×10-3(m-1) 实际童减系数与理论减系数之比是：名-：品8=68 由以上实验得出，a'与a相差很大。令a'=ra,r是修正系数，对不同涂层，r有不同的 值。实验中旧管线涂层91=2×10-2(9-1m-2),r=164; 新管线涂层g1=9.35×10-5(Q-1m~2), 200r r=68。 以上结果说明，涂层质量好坏直接影响电 位衰减系数的大小，涂层质量越差，值越大， 即实际衰减系数越大。这里由于涂层质量差， 导电性提高，阳极发生电流在通电点附近流入 管道，因而保护范围狭小。当涂层完全没有缺 陷时，（即9：趋于零），实际衰减系数与理论 0.2 衰减系数相等，此时r趋于1。 /2x102x10-42x0-2x10-2 8h-1.m-2 根据上述计算结果，将r与91的关系绘 图3r与g1的关系 图，见图3。计算实际衰减系数时，首先确定 Fig.3 Relationship between calibration 91,然后计算理论衰减系数及由图3查出相应 coefficient“rm and“g,” 的r值，用公式a=ra求得。 586

由此可 见 ， 管线不同部位的电位衰减系数不 同 ， 取平均值 ， 实际电 位衰减系数为 云 ‘ 二 “ 。 一 一 ’ 实际衰减系数 ‘ 与理论计算值 之 比为 声 。 一 艺 ， 万 一 瓦丽反五币户 理 即 ’ “ 实际衰减系数远大于理论衰减 系数 。 在工程设计计算时必须 以实际衰减 系数为依 据 ， 只 有这样才能提出合理的 牺牲阳极阴 极保护设计方案 。 埋地新 管线实 验结果 管线金属的 电阻率 是 。 二 · “ · 一 ‘ ， 单 位 长 度 管 道 金 属 纵 向 电 阻是 。 汀 一 一 “ · 一 ‘ ， 单位面积涂层内外表面间电阻大于 今 。 〔 “ 〕 。 经模拟测定为 。 礴 。 ， 则 。 一 “ 一 ‘ · 一 “ 、 夕 一 。 一 ‘ 一 。 理论衰减 系数 了 。 一 。 一 ” 一 ’ 实验 侧量通电 点管地电位 一 。 ， 在离通电点 。 处 两个阳极床 间点 管地 电 位 一 。 ， 其管地电位偏移值分 别是 ， 。 。 。 考虑到 中间点两组阳 极床电 位叠加的结 果 ， 故一个阳床在 中间点产生的管地电 位偏移值是。 。 故实际衰减 系数。 ’ 由 公 式 二 。 一 “ 推 得 ， 。 一 一 ’ 实际衰减系数与 理论衰减系数之 比是 ， 。 一 － 了一又二下于丁言二蔺 吕 “ 一 入 由以上实验得 出 ， ， 与 相差很大 。 令 。 ‘ ， 。 。 ， 是修正系数 ， 对不 同涂层 ， 有不 同的 值 。 实验 中旧管线涂层夕 一 “ 一 ‘ · 一 ， 新管线涂层 ，、 。 一 “ 。 一 ‘ 一 ， 二 。 以上结果说明 ， 涂层质量好坏直接影响电 位衰减 系数的 大小 ， 涂层质量越差 ， ，值越大 ， 即实际衰减 系数越大 。 这里 由于涂层质量差 ， 导电性提高 ， 阳极发生电流在通电点附近流入 管道 ， 因而保护范围狭小 。 当涂层完全没 有缺 陷时 ， 即 ，趋于零 ， 实际衰减系数与理论 衰减系数相 等 ， 此时 趋于 。 根据上述计算结果 ， 将 与 ， 的 关 系 绘 图 ， 见图 。 计算实际衰减 系数时 ， 首先确定 、 ， 然后计算理论衰减 系数及 由图 查 出相应 的 值 ， 用 公 式 求得 。 匕一一一一 」 厂 扣 一 ， 。 一 图 与 的关 系 “ ，

22关于E。的确定 首先推导阳极床发生电流的两种计算方法。 (1)电流密度积分法牺性阳极与管道接通后，管地电位向负方向移动。对无限长管道， 设距通电点x处的管地电位负偏移值是E:,则在E:的作用下电流由土壤经涂层流人管道，设 距通电点×处，流入单位长度管道的电流是i(x),则有： E.=i(x)1/g 即： i(x)=g-E. (1) 此式即电流密度沿管道的纵向分布，如图4所示。图4表示两个阳极床之间各自的电流密 度分布。A:、A2是两个阳极床的位置；阴影部分电流是由阳极床A:发生电流的一半。设阳 极床A:的发生电流是IA,则由图4可得： Pipe line i) x/m 图4两个阳极床之间各自的(x)分布 图5阴极保护的等效电路图 Fig.4 Vertical distribution of current Fig.5 Equivalent clectric circuit of intensity i(x) cathodic protection r22 i(x)dx 将(1)式代入积分得： I=2g-E..C1-exp(-20L) (2) a (2)等效电路计算法图5是牺性阳极保护系统等效电路图。其中： E。一阳极开路电位； E。一管道自然电位； Ra一阳极床接地电阻： R。。一管道等效电阻： E。一一管道保护电位。 由电路图可知： E。=E。+IaR. (3) E。=E。+I4R。 (4) 587

· 关 于 。 的 确定 首 先推导阳 极床发生 电流的 两种 计算方法 。 电 流密度积分法 牺牲阳极与管道接通后 ， 管地电 位向负方向移动 。 对 无限长管道 ， 设距通电点二 处 的 管地电位负偏 移值是 二 ， 则在 二 的 作用 下 电流 由土壤经涂层流人管道 ， 设 距通电 点二 处 ， 流 入单位长度管道 的电流是 ‘ ， 则有 二 ￡ 二 。 即 劣 一 二 此 式即 电流密度沿 管道的纵 向分布 ， 如图 所示 。 图 表示两 个阳极床 之 间各 自的 电流密 度分布 。 ， 、 是两 个阳极床 的位置 阴影部分 电流是 由阳极床 ， 发生 电流的一半 。 设阳 极床 的 发生 电流是 ， 则 由图 可得 ‘ 几心 ，任。 ， 迁 图 两 个 阳极 床之间各 自的议 芳 分布 义 图 阴极保护 的 等效电路图 住 “ ， ’ 、 一二一 ， 二 艺 ‘ 戈 将 式仕入积分得 几 望典旦竺 〔 一 一 ，〕 “ 等效电路计算法 图 是 牺牲阳极保护系统 等效电 路图 。 其 中 。 － 阳极开 路电位 。 － 管道 自然电位 ‘ － 阳极床接地电阻 。 －管道等效电阻 ， － 管道保护电位 。 由电路图可知 、 了 任月 尹、少、 爪了、、 几 。 。 ， 吕