4.4 阳极地床结构及接地电阻
4.4.1 浅埋式阳极地床
将阳极埋入距地表1～5m的土层中，这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式、水平式两种，对于废钢阳极可以两种联合称为联合式阳极。
（1）单支竖直阳极接地电阻
将单支阳极埋设在土壤中，其接地电阻按下式计算。该式中阳极的长度和直径按填料尺寸计算。
式中 Ra——阳极接地电阻，Ω；
ρ——土壤电阻率，Ω·m；
L——阳极长度，m；
d——阳极直径，m。
（2）多支竖直阳极接地电阻（图4-4）
图4-4 浅埋竖直阳极地床
由多根垂直埋入地中的阳极排列构成。电极间用电缆连接或将阳极引线全部连接到接线箱，阳极间距一般为3m，其优点有：
① 全年接地电阻变化不大；
② 当阳极尺寸相同时，立式阳极地床的接地电阻较水平式阳极地床小。
式中 Rgb，v——阳极接地电阻，Ω；
ρ——土壤电阻率，Ω·m；
L——阳极长度，m；
d——阳极直径，m；
N——阳极数量，支；
S——阳极间距，m。
（3）单支水平阳极接地电阻（图4-5）
图4-5 浅埋水平单支阳极地床
式中 Rgb，h——阳极接地电阻，Ω；
ρ——土壤电阻率，Ω·m；
L——阳极长度，m；
d——阳极直径，m；
h——阳极埋深的两倍（2t），m。
（4）多支水平阳极用填料整体回填接地电阻（图4-6）
图4-6 浅埋水平连续阳极地床
将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中，用填料将整条阳极沟回填至规定高度，其优点有：
① 安装土石方量较小，易于施工；
② 容易检查地床各部分的工作情况，其接地电阻计算公式与单支水平阳极相同。
（5）多支阳极水平埋设，独立回填接地电阻（图4-7）
图4-7 浅埋水平多支阳极地床
目前，预填包阳极的使用日益广泛，安装此类阳极时，阳极之间的空间不用回填料，而是用土壤直接回填，每支阳极相对独立，其接地电阻按下式计算：
式中 Rgb，h——N支阳极接地电阻；
Ra，h——单支阳极接地电阻；
N——阳极数量。
式中 F——多支阳极干扰系数；
ρ——土壤电阻率；
S——阳极中心间距。
（6）浅埋阳极地床安装（图4-8）
图4-8 浅埋水平多支阳极地床安装
用挖沟机开挖阳极地床沟，按设计间距布置阳极并用清水浸泡。硅铁阳极填包料中还要有充足的水分，以避免硅铁阳极钝化膜的产生。
将主电缆与各支阳极电缆连接后，连接到接线箱，并连接到恒电位仪正极。阳极电缆最好在阳极中间连接或在两端连接，尽量减小电压延阳极地床的下降。否则，靠近通电点的阳极会比末端阳极输出更大的电流，优先消耗完。
4.4.2 网状阳极
网状阳极是由混合金属氧化物钛阳极带与钛连接片垂直铺设，并在交叉处点焊而成，埋设在储罐基础中，为储罐底板外侧提供阴极保护电流。其接地电阻按CorrStop Grid Formula计算。
式中 R——阳极网接地电阻，Ω；
ρ——土壤电阻率，Ω·m；
L——阳极长度，m；
r——阳极当量半径，m；
D——阳极网埋深，m；
Q——电阻系数，Corr-Tape Ⅱ：1.5。
4.4.3 深井阳极地床
（1）深井阳极的优点
深井阳极是深度在15m以下的竖直阳极。主要用作地表空间狭小或地表土壤电阻率高的场合下的阴极保护系统阳极。采用深井阳极的优点之一是阳极距离被保护结构有一定距离，使保护电流的分布更加均匀，另外，也会减小对其他埋地金属结构的腐蚀干扰。深井阳极多采用硅铁阳极或混合金属氧化物筒状阳极，并用冶金焦炭或煅烧石油焦炭回填。如果阳极被预填包在金属管内，现场分段组装，则深井阳极的安装过程是一样的，不能体现混合金属氧化物体积小、质量轻的优点。另外，预填包阳极时，容易损伤混合金属氧化物阳极表面的氧化膜，影响其工作性能。从应用经验来看，混合金属氧化物深井阳极的接地电阻有逐步增大的先例。
对于站场、炼厂等管网复杂的厂区施加阴极保护时，最初采用的是浅埋阳极，阳极地床距离厂区管网300m以上。实际应用发现，仅有靠近阳极地床一侧的管道能够得到保护，而内部管道得不到保护。后来，又将阳极地床沿管道布置，这样，虽然解决了阴极保护电流的分布问题，但阳极经常受到场内施工的破坏，带来极大的维护费用。因此，人们开始考虑采用深井阳极。自美国在20世纪50年代首次采用后，加拿大也在1964年开始采用深井阳极。
（2）阳极井的尺寸
影响阳极接地电阻的主要因素是阳极井深度。深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井（20～40m）、中深井（50～100m）和深井（>100m）三种。决定阳极深度的因素是地质条件以及阳极电压场范围，深井阳极活性段要位于电阻率低的土壤层中，被保护结构一般处于阳极电压场之外（地电位小于0.5～1.0V）。考虑阳极井的直径时，应充分考虑到排气管（25mm）、阳极以及电缆将占据相当的空间。因此，阳极井的直径一般不小于200mm。直径小于200mm时，应对阳极的安装进行严格控制，输出电流大时，应增大阳极井直径。
（3）回填料的电流密度
阳极井的尺寸不是随意确定的，它将受到一系列因素的影响。其中之一是填料与土壤接触面上的电流密度。经验表明，对于回填料的电流密度要进行限制，其原因如下：
① 阳极与土壤之间必须保持一定的湿度，由于电渗透效应，阴极保护电流试图将水分蒸干，其程度取决于土壤类型以及电流密度。
② 阳极反应消耗水分并产生气体，气体的积聚或阳极表面的干燥都会增大阳极的接地电阻。气体的产生量直接与电流密度有关。
③ 在特殊情况下，阳极与土壤接触面的温度会升高，这也会加快水分的蒸发速度，而温度又和电流密度、土壤导热性以及阳极尺寸有关。
④ 建议回填料电流密度按表4-10选取。
表4-10 回填料电流密度
填料电流密度确定后，就可以确定阳极活性段长度了。阳极活性段长度大于该计算值。
（4）回填料的选择
使用填料的目的是减小阳极接地电阻、将阳极反应转移到填料上，减小阳极的消耗、减少气阻、降低阳极表面电流密度，以免水分远离阳极，导致阳极处干燥，保持阳极井的形状。因此，填料应具有低电阻率、小粒径以及高密度是很重要的。回填料分为两类，即石油焦炭以及冶金焦炭。建议采用石油焦炭，它是高温烧制成的，具有良好的导电性和均匀性。建议将焦炭回填料用泵从阳极井底部打入井中。回填料的指标见表4-11。
表4-11 回填料的指标
采用低电阻率填料将减少阳极用量，在同一地质条件以及阳极井尺寸情况下，填料电阻率低，阳极间距增大，填料电阻率高，阳极间距减小。尽管厂家声称的填料电阻率会很低，但考虑到实际安装阳极时，阳极的密实程度、水含量等不确定因素，设计时，填料电阻率最小取2.0Ω·cm。填料颗粒最好是球形，这种形状易于回填和压实。另外，为了补充阳极工作时对填料的消耗，填料长度一般要低于最下面的阳极3m，高于最上面的阳极3m。
深井阳极地床的特点是接地电阻小，对周围金属结构干扰小，消耗功率低，电流分布比较理想。它的缺点是施工复杂技术要求高，单井造价贵，阳极损坏后难以修复。尤其是深度超过100m的深阳极，施工需要大钻机，这就限制了它的应用。
（5）开口式深井阳极
深井阳极分为开口式和闭口式深井阳极。开口阳极是指不进行回填的深井阳极，当地下水位较高，能够保证阳极全年浸泡时，宜采用开口式深井阳极。开口阳极应采用混凝土套管、多孔ABS塑料管进行护壁，以防止井壁的坍塌。ABS塑料管的直径在200～250mm之间，要尽量多的钻孔（管表面布满直径≥20mm的孔），用玻璃纤维布做外侧缠绕。
开口阳极的优点是安装简单，维修方便，采用混合金属氧化物线状阳极时，安装更加简便，尤其是沿海地区以及地下水位比较高的区域应该尽量采用。
（6）闭口式深井阳极
闭口阳极是用焦炭填料将阳极井阳极段回填，以降低接地电阻。闭口阳极安装复杂，尤其是回填过程，对阳极性能影响大，而且一旦出现问题，难以修复。影响深井阳极质量的因素除了设计、材料质量外，主要是填料的回填方式。
在最初安装深井阳极时，填料是从井口润湿后铲入的。由于填料的密度和水接近，细颗粒的填料会浮在水面以上，而阻挡了大颗粒填料的下沉。采用润滑剂虽然情况有所改善，但也不能消除填料的架空问题。后来，将填料浆体用管道从井底泵入，并把泥浆顶出井口的方式，极大地改善了回填质量，降低了阳极接地电阻，保证了深井阳极的质量，缩短了回填时间。最初使用的是冶金煅烧焦炭，后来逐渐被石油煅烧焦炭替代。
最初采用的阳极是将3支硅铁阳极串联在一根电缆上，这样尽管降低了材料费用，但安装起来非常麻烦，而且如果一根电缆断路，3支阳极全部报废。最后还是选用了单支阳极单根电缆的方式。这样，一根电缆断路，只影响一支阳极。输出电流小时，可以选用多根预包装MMO线性阳极或MMO丝状阳极做深井阳极。
对于硅铁阳极的表面电流密度要进行限制，电流密度大时，水分会离开阳极，如果水分不能及时补充，硅铁阳极表面干燥，这将使硅铁阳极表面生成不导电的氧化膜，加大了深井阳极的接地电阻。断掉外部电源，电阻会减小，但重新供电后，电阻又会迅速增大。
（7）排气管
阳极反应产生的气体要及时排放，否则，气体的积聚会加大深井阳极接地电阻，即气阻。所以，深井阳极一般要安装排气管。
采用排气管的目的除了排除气体，减小气阻外，它还可以用来散发热量、回注水。安装阳极时，可以利用排气管辅助阳极安装。为防止排气管上的小孔或狭缝被填料或淤泥堵塞。建议在排气管处缠绕玻璃纤维布或麻片。推荐排气管直径为25mm，每隔2cm在排气管周向均布4个直径4～5mm的孔。填料柱以上的排气管没有钻孔或狭缝。
（8）定位器
使用定位器的目的是保证阳极处于填料的中心部位。填料密实以及阳极工作后，定位器将很快腐蚀掉。一般一支阳极安装两个定位器。
（9）阳极串配重
为了使阳极串顺利地下降到阳极井的底部，要在阳极串底部连接一个重物，通常是混凝土重块，质量在5.0～7.0kg之间。将此重物用塑料绳与阳极串底部连接，距离底部阳极下端3m。
（10）套管
套管不仅为阳极井提供支撑作用，方便阳极串安装，同时可以限制阴极保护电流从近地表释放。套管的长度、材质、高出地表的距离都取决于阳极井类型以及土质条件。
（11）不导电填料
采用不导电填料的目的是减小阴极保护电流在近地表处释放。通常用砾石、粗砂回填阳极柱上方的阳极井。
（12）分段式阳极
为了方便现场安装，国内普遍采用预填包式阳极，即把几支阳极放置在一段钢管中，并用炭粉填满。采用这种阳极时，钢管壁上要适当地打孔，以利于水分渗透到内部的炭粉。如果采用焊接方式将各段阳极连接在一起，排气管可以兼做电缆导管；如果现场各段阳极采用机械连接，排气管应单独设置，接头处良好密封，其目的是避免泥浆进入排气管堵塞排气孔。阳极段下到井口后，连接下一阳极段之前，要通过排气管注入清水，润湿内部炭粉，采用高硅铸铁阳极时尤为必要。
（13）各阳极电流排放
深井阳极会经过电阻率不同的地层，在不同电阻率的地层中，阳极电流排放量是不一样的。处于土壤电阻率低的位置，阳极排放较大量的电流，所以也会较快消耗掉。有必要在每支阳极电缆中安装电阻器，调节各阳极的输出。深井阳极的接地电阻计算公式和单支竖直阳极接地电阻计算公式相同，此时，阳极的长度采用阳极井活性部分高度，直径为阳极井直径。
式中 Ra——阳极接地电阻，Ω；
ρ——土壤电阻率，Ω·m；
L——阳极长度，m；
d——阳极直径，m。
当深井打好后，有时需要实际测量地层的电阻以确定阳极的安装位置，此时，可以利用蓄电池、可调电阻及电流表，实际进行测量。
首先将蓄电池的负极连接到被保护管道或附近的接地体上，正极连接到一支阳极上，将阳极自井口逐步放入井中（此时，深井中充满水），每下放1.0m，读一次电流值。直到阳极到达井底。将电流和井深关系绘制成图，即可以找出电阻最小的地层位置，并以此确定阳极地床活性段位置。
不论何种形式的阳极地床，由于电源功率主要消耗在和发生在阳极地床上，因此，应尽量降低阳极地床电阻，降低阴极保护电源的能量消耗。尤其是采用太阳能、风能发电设备时，降低阴极保护系统的功率可以大量降低投资。如一座阴极保护站，如果输出电流10A，回路电阻为5Ω时，功率消耗是50W，而当回路电阻降低到1Ω时，功率消耗仅10W。如果采用太阳能发电设备，系统的最初投资将大幅度降低。
深井阳极安装测试完后需做井口防护，如图4-9所示。
图4-9 深井阳极地床井口防护