并行管道陰極保護干擾分析

【摘 要】本文以一個真實的交叉并行油氣管道陰極保護干擾案例，針對國內某油氣管道存在的陰極保護干擾問題現(xiàn)狀，分析現(xiàn)場干擾檢測數(shù)據(jù)和干擾管/地電位特點，并利用數(shù)值模擬技術對現(xiàn)場干擾強度進行重新評估，最后對干擾治理方案進行數(shù)值模擬預評估，結果表明治理方案可以完全消除該處干擾影響。

【關鍵詞】交叉并行管道；陰極保護；干擾；數(shù)值模擬；治理方案

1、現(xiàn)場檢測與分析

1.1.干擾現(xiàn)場基本情況

該陰極保護干擾現(xiàn)場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條管道有各自獨立的強制電流陰極保護系統(tǒng)，防腐層均為3PE。

管道1的陰極保護間與輸油站共建，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面成，總長度約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，實測土壤電阻率偏高，范圍為300--800Ω.m。

1.2.被干擾管道陰極保護電位測量

經(jīng)過現(xiàn)場勘查和電位測量，發(fā)現(xiàn)管道3管/地電位變化不大，管道2受干擾最嚴重。

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個測試樁上的管/地電位分布（圖2），測試樁5距離管道1的陽極地床距離最近，測試樁4和6為后來臨時安裝的加密電位測試樁，距離測試樁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/地電位明顯向負向偏移，在距離陽極地床最近處（測試樁5）達到管/地電位最負值一1.76V。隨著管道2遠離管道1的陽極地床，管/地電位逐漸向正向偏移，在測試樁8和測試樁9處，管/地電位基本穩(wěn)定在一0.95V左右?？梢?，管道2管/地電位分布特點符合陰極保護干擾電流流入管段的特征，應該注意被干擾管道的過保護。

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，測試樁4和5分別為管道1進出站的測試樁，對應的管/地電位分別為一1.35V和一1.31V，測試樁3和6，對應的電位分別為一0.97V和一1.03V，遠離陽極地床的測試樁2和7的電位分別為一0.89V和一0.93V?？梢?，在管道1進出站前后約2}3km范圍內，管/地電位就正向偏移了約400mV，推測可能是受到了本身地床電位場的影響。

1.2.3.關閉干擾源后被干擾管道的電位變化

依據(jù)石油行業(yè)標準SY/T0017-2006規(guī)定的判斷直流干擾程度指標：一般以管/地電位較自然電位的偏移量或者被干擾結構附件土壤電位梯度作為衡量指標，當管/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，需采取治理措施。面對于由于直流干擾導致的管/地電位負向偏移的問題，標準中沒有給出明確的指標，但是指出不應超過防腐層陰極剝離電位。管道2在電位測試樁上的實測最負管她電位達到一1.76V，可能導致管道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)值模擬技術對上述干擾現(xiàn)場進行重新模擬評估。

2、陰極保護干擾強度評估

2.1.有限元算法控制方程

陰極保護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為管道所在介質的電阻率，Ω·m；?為電位，V。

2.2.陰極保護干擾幾何模型

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

依據(jù)實際的管道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1.5m，直徑7.5cm，陽極埋設方式為平鋪淺埋式，焦炭層厚度為0.3m，陽極地床輸出總電流1.61A，計算區(qū)域土壤電阻率取500Ω.m。為了充分減小土壤邊界效應對計算結果的影響，土壤計算范圍取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，為了更好地捕捉電場變化劇烈的區(qū)域，在網(wǎng)格模型的局部進行加密處理。模型的求解采用ANSYSCFX電場模塊完成，計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采用等價面電阻來表示，設為1*104Ω。m2（包括涂層面電阻和陰極極化等價面電阻），管道2對應的等價面電阻為2*104Ω.m2。為了提高計算精度，采用雙精度求解器求解，計算收斂精度設定為10-5，一般求解器進行30次迭代即可達到收斂準則。

2.4.干擾強度有限元模擬結果

根據(jù)管道2在地床附近干擾電位分布有限元的計算結果（圖4），管道2的干擾電位分布以地床所在位置（2000m處）為對稱線，呈左右對稱分布，干擾峰值電位為一2.55V。將有限元計算結果與管道2的現(xiàn)場測量干擾電位進行對比（圖2），可以發(fā)現(xiàn)檢測電位的最負值為一1.76V，面有限元計算結果給出的最負干擾電位為一2.55V，二者相差0.79V。原因在于圖2所示檢測干擾電位數(shù)據(jù)均是在電位測試樁上測量的，并沒有測量到管道2所受到的最大干擾強度（應該位于最靠近管道1的地床位置）。依據(jù)現(xiàn)場實際電位測試樁的位置，在有限元模型對應位置提取有限元計算的電位結果，二者偏差在0.15V之內，這反映了數(shù)值模擬技術在分析陰極保護干擾問題上良好的可靠性。因此，在檢測評價類似陰極保護干擾時，除了測量電位測試樁處的電位之外，還應該采用密間隔電位測量方法（LIPS）全面評價干擾區(qū)段被干擾管道的電位分布，必要時采用數(shù)值模擬技術輔助分析。

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），相對于管道2左右對稱的分布特點，管道1的電位分布呈現(xiàn)出3個明顯波峰，最負值為一1.83V，這是由于管道1走向呈“幾”字形以及距離地床遠近不一所導致的。

3、治理方案預評估與合理性探討

3.1.基于有限元的預評估

現(xiàn)場勘查可知，輸油站北側和東北側為隆起的小山包，西側為平坦的開闊地，管道1新陽極地床位置傾向于在站場西北方向，距離站場西圍墻延長線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計。

針對該干擾治理設計方案，采用以上介紹的基于有限元的數(shù)值模擬技術對治理方案進行預評估。治理方案數(shù)值模型中的參數(shù)與2.2節(jié)中的設置完全一致，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、求解器的設置見2.3節(jié)。

3.2.合理性討論

針對以上干擾現(xiàn)場，管道1北側是管道2，南側是管道3，管道間距又不允許將地床置于兩個管道之間，管道1的地床置于任何一側都會遇到在地床和被保護管道之間存在其他金屬構筑物的問題。采用3條管道聯(lián)合保護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，這就會造成聯(lián)合保護和獨立保護“混雜”在一起的局面，給陰極保護日常管理和有效性評價帶來一定困難。因此，維持目前獨立保護方式是一種比較現(xiàn)實的選擇。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筑物間距，可以緩解管道1地床地電位場對管道2的干擾效應，這可以通過圖6給出的管道2上的模擬管/地電位分布得到驗證；依圖7中管道1的管/地電位分布可知，設計的治理方案也沒有對管道1的電位分布產(chǎn)生明顯影響。

結束語

（1）在對陰極保護干擾問題進行現(xiàn)場檢測時，應該采用密間隔電位測量技術測量被干擾管道的管/地電位，僅在電位測試樁上測量電位有可能得不到最大干擾強度。

（2）在分析復雜陰極保護干擾問題時，有必要借助數(shù)值模擬技術進行輔助分析。

（3）針對多條并行管道采用聯(lián)合陰極保護還是獨立陰極保護的問題，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況具體分析。

參考文獻：

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