并行管道陰極保護(hù)干擾分析

【摘 要】本文以一個(gè)真實(shí)的交叉并行油氣管道陰極保護(hù)干擾案例，針對(duì)國(guó)內(nèi)某油氣管道存在的陰極保護(hù)干擾問題現(xiàn)狀，分析現(xiàn)場(chǎng)干擾檢測(cè)數(shù)據(jù)和干擾管/地電位特點(diǎn)，并利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾強(qiáng)度進(jìn)行重新評(píng)估，最后對(duì)干擾治理方案進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)評(píng)估，結(jié)果表明治理方案可以完全消除該處干擾影響。

【關(guān)鍵詞】交叉并行管道；陰極保護(hù)；干擾；數(shù)值模擬；治理方案

1、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與分析

1.1.干擾現(xiàn)場(chǎng)基本情況

該陰極保護(hù)干擾現(xiàn)場(chǎng)位于西北某輸油站附近，有3條埋地管道，分別為管道1、管道2和管道3（圖1）3條管道有各自獨(dú)立的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，防腐層均為3PE。

管道1的陰極保護(hù)間與輸油站共建，恒電位儀工作模式為恒電位模式，控制電位為一1.20V（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極CSE，下同），輸出電壓為6.50V，輸出電流為1.61A。管道1的陽極地床由20支高硅鑄鐵水平鋪設(shè)面成，總長(zhǎng)度約80m。管道2橫穿管道1，在平行段管道1和管道2相距約50m，管道2近距離穿過管道1的陽極地床（圖1），最近處直線距離為25m。管道3距離管道1約60m。該地區(qū)為沙漠戈壁地貌，實(shí)測(cè)土壤電阻率偏高，范圍為300--800Ω.m。

1.2.被干擾管道陰極保護(hù)電位測(cè)量

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查和電位測(cè)量，發(fā)現(xiàn)管道3管/地電位變化不大，管道2受干擾最嚴(yán)重。

1.2.1.管道2干擾段電位分布

根據(jù)管道2在輸油站前后9個(gè)測(cè)試樁上的管/地電位分布（圖2），測(cè)試樁5距離管道1的陽極地床距離最近，測(cè)試樁4和6為后來臨時(shí)安裝的加密電位測(cè)試樁，距離測(cè)試樁5約500m。隨著管道2向管道1的陽極地床不斷靠近，管道2的管/地電位明顯向負(fù)向偏移，在距離陽極地床最近處（測(cè)試樁5）達(dá)到管/地電位最負(fù)值一1.76V。隨著管道2遠(yuǎn)離管道1的陽極地床，管/地電位逐漸向正向偏移，在測(cè)試樁8和測(cè)試樁9處，管/地電位基本穩(wěn)定在一0.95V左右?？梢姡艿?管/地電位分布特點(diǎn)符合陰極保護(hù)干擾電流流入管段的特征，應(yīng)該注意被干擾管道的過保護(hù)。

1.2.2.管道1管/地電位分布

圖3顯示的是管道1在輸油站前后的管/地電位分布圖，測(cè)試樁4和5分別為管道1進(jìn)出站的測(cè)試樁，對(duì)應(yīng)的管/地電位分別為一1.35V和一1.31V，測(cè)試樁3和6，對(duì)應(yīng)的電位分別為一0.97V和一1.03V，遠(yuǎn)離陽極地床的測(cè)試樁2和7的電位分別為一0.89V和一0.93V?？梢?，在管道1進(jìn)出站前后約2}3km范圍內(nèi)，管/地電位就正向偏移了約400mV，推測(cè)可能是受到了本身地床電位場(chǎng)的影響。

1.2.3.關(guān)閉干擾源后被干擾管道的電位變化

依據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0017-2006規(guī)定的判斷直流干擾程度指標(biāo)：一般以管/地電位較自然電位的偏移量或者被干擾結(jié)構(gòu)附件土壤電位梯度作為衡量指標(biāo)，當(dāng)管/地電位較自然電位正向偏移100mV，或被干擾管道附近土壤電位梯度大于2.5mV/m時(shí)，需采取治理措施。面對(duì)于由于直流干擾導(dǎo)致的管/地電位負(fù)向偏移的問題，標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出明確的指標(biāo)，但是指出不應(yīng)超過防腐層陰極剝離電位。管道2在電位測(cè)試樁上的實(shí)測(cè)最負(fù)管她電位達(dá)到一1.76V，可能導(dǎo)致管道2防腐層陰極剝離。由于管道2和管道1的管/地電位數(shù)據(jù)都是在電位測(cè)量樁上獲得的，數(shù)據(jù)量有限，可能無法反映出管道管/地電位分布全貌。為此，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)上述干擾現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行重新模擬評(píng)估。

2、陰極保護(hù)干擾強(qiáng)度評(píng)估

2.1.有限元算法控制方程

陰極保護(hù)干擾涉及的物理過程均為穩(wěn)態(tài)過程，可以采用經(jīng)典無源靜電場(chǎng)方程描述電位在土壤、管道中的分布規(guī)律：

式中：ρ為管道所在介質(zhì)的電阻率，Ω·m；?為電位，V。

2.2.陰極保護(hù)干擾幾何模型

在干擾現(xiàn)場(chǎng)，管道3距離干擾源較遠(yuǎn)，受到干擾較小，數(shù)值模擬時(shí)不考慮其影響。以下將完全按照現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際走向、管道參數(shù)和地床位置建立對(duì)應(yīng)的幾何模型。管道1由兩條管道同溝敷設(shè)面成，管徑分別為559mm和813mm，埋深為1.8m，采用聯(lián)合陰極保護(hù)方式。為便于數(shù)值模擬，將兩條同溝敷設(shè)管道等價(jià)為一根虛擬管道，管徑為兩根管道之和，即1372mm，并相應(yīng)調(diào)整其管材等價(jià)電阻率，保證虛擬管道與采用聯(lián)合陰極保護(hù)的實(shí)際管道具有相等的單位長(zhǎng)度縱向電阻。管道2管徑為1219mm埋深為2.0m。

依據(jù)實(shí)際的管道1陽極地床參數(shù)，建立陽極地床幾何模型。地床具體參數(shù)：埋深2.1m，高硅鑄鐵陽極20支，每支陽極間距為2.5m，單支陽極長(zhǎng)1.5m，直徑7.5cm，陽極埋設(shè)方式為平鋪淺埋式，焦炭層厚度為0.3m，陽極地床輸出總電流1.61A，計(jì)算區(qū)域土壤電阻率取500Ω.m。為了充分減小土壤邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，土壤計(jì)算范圍取5km.

2.3.幾何模型網(wǎng)格劃分與求解

幾何模型網(wǎng)格劃分采用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件ICEMCFD完成，共劃分網(wǎng)格數(shù)33.9*104個(gè)，為了更好地捕捉電場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域，在網(wǎng)格模型的局部進(jìn)行加密處理。模型的求解采用ANSYSCFX電場(chǎng)模塊完成，計(jì)算模型除地床邊界采用電流源邊界外，其他采用電位邊界。管道1與土壤之間電阻效應(yīng)采用等價(jià)面電阻來表示，設(shè)為1*104Ω。m2（包括涂層面電阻和陰極極化等價(jià)面電阻），管道2對(duì)應(yīng)的等價(jià)面電阻為2*104Ω.m2。為了提高計(jì)算精度，采用雙精度求解器求解，計(jì)算收斂精度設(shè)定為10-5，一般求解器進(jìn)行30次迭代即可達(dá)到收斂準(zhǔn)則。

2.4.干擾強(qiáng)度有限元模擬結(jié)果

根據(jù)管道2在地床附近干擾電位分布有限元的計(jì)算結(jié)果（圖4），管道2的干擾電位分布以地床所在位置（2000m處）為對(duì)稱線，呈左右對(duì)稱分布，干擾峰值電位為一2.55V。將有限元計(jì)算結(jié)果與管道2的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量干擾電位進(jìn)行對(duì)比（圖2），可以發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電位的最負(fù)值為一1.76V，面有限元計(jì)算結(jié)果給出的最負(fù)干擾電位為一2.55V，二者相差0.79V。原因在于圖2所示檢測(cè)干擾電位數(shù)據(jù)均是在電位測(cè)試樁上測(cè)量的，并沒有測(cè)量到管道2所受到的最大干擾強(qiáng)度（應(yīng)該位于最靠近管道1的地床位置）。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際電位測(cè)試樁的位置，在有限元模型對(duì)應(yīng)位置提取有限元計(jì)算的電位結(jié)果，二者偏差在0.15V之內(nèi)，這反映了數(shù)值模擬技術(shù)在分析陰極保護(hù)干擾問題上良好的可靠性。因此，在檢測(cè)評(píng)價(jià)類似陰極保護(hù)干擾時(shí)，除了測(cè)量電位測(cè)試樁處的電位之外，還應(yīng)該采用密間隔電位測(cè)量方法（LIPS）全面評(píng)價(jià)干擾區(qū)段被干擾管道的電位分布，必要時(shí)采用數(shù)值模擬技術(shù)輔助分析。

根據(jù)管道1在干擾管段數(shù)值模擬的管/地電位分布（圖5），相對(duì)于管道2左右對(duì)稱的分布特點(diǎn)，管道1的電位分布呈現(xiàn)出3個(gè)明顯波峰，最負(fù)值為一1.83V，這是由于管道1走向呈“幾”字形以及距離地床遠(yuǎn)近不一所導(dǎo)致的。

3、治理方案預(yù)評(píng)估與合理性探討

3.1.基于有限元的預(yù)評(píng)估

現(xiàn)場(chǎng)勘查可知，輸油站北側(cè)和東北側(cè)為隆起的小山包，西側(cè)為平坦的開闊地，管道1新陽極地床位置傾向于在站場(chǎng)西北方向，距離站場(chǎng)西圍墻延長(zhǎng)線350m，距離管道2350m。新陽極地床采用平鋪淺埋式，包含25支高硅鑄鐵陽極，其他采用陽極地床通用設(shè)計(jì)。

針對(duì)該干擾治理設(shè)計(jì)方案，采用以上介紹的基于有限元的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)治理方案進(jìn)行預(yù)評(píng)估。治理方案數(shù)值模型中的參數(shù)與2.2節(jié)中的設(shè)置完全一致，不同在于管道1的陽極地床位置和高硅鑄鐵陽極數(shù)量不同。幾何模型網(wǎng)格劃分、求解器的設(shè)置見2.3節(jié)。

3.2.合理性討論

針對(duì)以上干擾現(xiàn)場(chǎng)，管道1北側(cè)是管道2，南側(cè)是管道3，管道間距又不允許將地床置于兩個(gè)管道之間，管道1的地床置于任何一側(cè)都會(huì)遇到在地床和被保護(hù)管道之間存在其他金屬構(gòu)筑物的問題。采用3條管道聯(lián)合保護(hù)的方式也許是一種合理的選擇，但是，文中涉及的3條管道路徑并非從始至終近距離平行，這就會(huì)造成聯(lián)合保護(hù)和獨(dú)立保護(hù)“混雜”在一起的局面，給陰極保護(hù)日常管理和有效性評(píng)價(jià)帶來一定困難。因此，維持目前獨(dú)立保護(hù)方式是一種比較現(xiàn)實(shí)的選擇。治理方案中陽極地床距離管道2有350m，通過增大地床與中間構(gòu)筑物間距，可以緩解管道1地床地電位場(chǎng)對(duì)管道2的干擾效應(yīng)，這可以通過圖6給出的管道2上的模擬管/地電位分布得到驗(yàn)證；依圖7中管道1的管/地電位分布可知，設(shè)計(jì)的治理方案也沒有對(duì)管道1的電位分布產(chǎn)生明顯影響。

結(jié)束語

（1）在對(duì)陰極保護(hù)干擾問題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該采用密間隔電位測(cè)量技術(shù)測(cè)量被干擾管道的管/地電位，僅在電位測(cè)試樁上測(cè)量電位有可能得不到最大干擾強(qiáng)度。

（2）在分析復(fù)雜陰極保護(hù)干擾問題時(shí)，有必要借助數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行輔助分析。

（3）針對(duì)多條并行管道采用聯(lián)合陰極保護(hù)還是獨(dú)立陰極保護(hù)的問題，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況具體分析。

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