并行管道陰極保護(hù)干擾分析

摘 要：為了研究土壤電阻率、涂層面電阻、管道間距對并行管道陰極保護(hù)干擾的影響，建立了并行管道陰極保護(hù)數(shù)值模型，通過對數(shù)據(jù)的分析得出：土壤電阻率越大，干擾越嚴(yán)重。管道涂層面電阻越小，干擾越嚴(yán)重。兩管道間距越小，干擾越嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：陰極保護(hù) 數(shù)值模擬 并行管道 干擾分析

中圖分類號：TG174.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0068-01

我國是世界上少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一，然而煤炭的使用嚴(yán)重的污染了人類賴以生存的環(huán)境。作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源，天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位不斷提升[1]。隨著西氣東輸管道、中亞輸氣管道、川氣東送管線等大型工程的建設(shè)，我國天然氣長輸管道建設(shè)迎來了一個空前的高峰期。近年來長輸油氣管道的大規(guī)模建設(shè)導(dǎo)致管道并行敷設(shè)情況也逐漸增多，并行敷設(shè)導(dǎo)致管道陰極保護(hù)相互干擾嚴(yán)重，甚至在管道局部出現(xiàn)過保護(hù)或欠保護(hù)情況[2]。

如果使用實(shí)驗(yàn)方法研究各主要因素對并行管道干擾規(guī)律的影響，這必將花費(fèi)大量的人力、物力。然而數(shù)值模擬方法卻可以很容易的通過建立并行管道陰極保護(hù)的數(shù)值模型，分析各主要因素對并行管道干擾規(guī)律的影響。國內(nèi)外眾多學(xué)者利用數(shù)值計(jì)算方法解決了大量陰極保護(hù)的重要問題[3～5]，且Jacques Parlongue發(fā)表了一篇名為《陰極保護(hù)進(jìn)入數(shù)值模擬時代》的論文[6，7]。顯然數(shù)值模擬方法已成為一種研究陰極保護(hù)的重要方法。本文利用COMSOL建立并行管道的數(shù)學(xué)模型，并基于此模型分析土壤電阻率、涂層面電阻、兩管道間距對并行敷設(shè)管道干擾強(qiáng)度的影響。

1 控制方程及邊界設(shè)置

國內(nèi)外對陰極保護(hù)體系電位分布的數(shù)值研究，大多數(shù)采用拉普拉斯方程為電勢分布的控制方程[8～11]，如方程1

（1）

其中為電勢；為電導(dǎo)率；為電阻率。

從數(shù)學(xué)上講滿足一個偏微分方程的解很多，必須有特定的邊界條件才能得到定解。同樣，對于管道陰極保護(hù)控制方程的求解也需要設(shè)定合理的邊界條件。陽極采用電流邊界條件，陰極考慮了涂層面電阻和電化學(xué)反應(yīng)，地表面采用法向電流為零。模型中管道直徑為0.72 m，管道的長度為200 m，兩管道的間距為2 m，管壁厚8 mm，管道埋深為2 m。

2 結(jié)果分析與討論

當(dāng)今文獻(xiàn)中對雜散電流對陰極保護(hù)的研究已有不少，但是美中不足的是沒有提出衡量干擾強(qiáng)度的物理量。因而也就無法定量化干擾強(qiáng)度，同樣也不能給出定量化的防止干擾的理論。經(jīng)過深入分析，我們定義了干擾強(qiáng)度量。物理意義為當(dāng)只存在一個管道時管道電勢與兩個管道共同存在時管道電勢之差與只存在一個管道時管道電勢比值的絕對值。

其中，分別為只存在管道1或管道2時管道表面的ON電勢，，分別為存在兩管道時管道1，2表面的極化電勢。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著電阻率的增加，管道ON電勢越負(fù)，這主要是增加了陰極保護(hù)回路的歐姆壓降。土壤電阻率越大，干擾強(qiáng)度越大。這主要是因?yàn)橥寥离娮杪试酱?，電流在土壤中的流動引起的歐姆壓降越大，而管道的電阻率極低。因而陽極發(fā)出的電流首先選擇電阻最小的路徑，因此部分電流先進(jìn)入非聯(lián)合管道，然后沿著管道流到某部位再離開管道，流向被保護(hù)管道。土壤電阻率越大，電流流入非聯(lián)合管道的動力就越大。

從計(jì)算結(jié)果可以看出隨著涂層面電阻的增加，管道ON電勢更負(fù)，這主要是增加了電流流經(jīng)涂層所引起的歐姆壓降。涂層面電阻越大，干擾強(qiáng)度越小。這也就是說明涂層面電阻越大防干擾能力越強(qiáng)。為了減小電流在土壤中流動所產(chǎn)生的歐姆壓降（IR），電流先從非聯(lián)合保護(hù)管道的一個部位流入，然后沿著管線流到某部位離開管線進(jìn)入土壤，最后流到保護(hù)管道。一般管道有保護(hù)涂層，而保護(hù)涂層的面電阻很大。電流進(jìn)出管道所引進(jìn)的歐姆壓降越大，因而保護(hù)層面電阻越大，干擾越小。

從計(jì)算結(jié)果可以看出可以看出隨著兩管道間距的增加，管道ON電勢越正，更接近單管時的ON電勢。這主要是隨著兩管道間距的增加，兩管道相互干擾的強(qiáng)度減小。一個極端的例子如果兩管道相距足夠遠(yuǎn)，那么他們之間就不會有干擾。因而干擾強(qiáng)度也隨著兩管道距離的增加而降低。

3 結(jié)論

本文首先建立了并行管道的數(shù)值模型，然后分析了土壤電阻率、管道涂層面電阻、兩管道間距對并行敷設(shè)管道陰極保護(hù)干擾的影響。通過分析得出如下結(jié)論。

（1）土壤電阻率越大，干擾越嚴(yán)重。

（2）管道涂層面電阻越小，干擾越嚴(yán)重。

（3）兩管道間距越小，干擾越嚴(yán)重。

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