城市小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)開放式陰極保護(hù)方式及地床形式優(yōu)化

趙悅春 ,莊大偉 ,杜艷霞 ,葛彩剛 ,蔣金巖

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100035;2.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院,北京 100083;3.北京凱斯托普科技有限公司,北京 100028)

大多數(shù)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)外腐蝕防護(hù)只采取防腐蝕涂層措施,隨著管道服役時(shí)間的延長,涂層劣化腐蝕失效導(dǎo)致的泄漏事故頻發(fā)[1-2]。陰極保護(hù)可為低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)提供有效的腐蝕防護(hù)[3-6],但是傳統(tǒng)的陰極保護(hù)要求預(yù)保護(hù)結(jié)構(gòu)物有完好的絕緣[7],城市小區(qū)內(nèi)有復(fù)雜的埋地金屬結(jié)構(gòu)物復(fù)合體[8],埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)無法與建筑物接地、鋼筋進(jìn)行有效絕緣,導(dǎo)致電流會(huì)分散到與低壓燃?xì)夤艿离娺B接的結(jié)構(gòu)物上,造成陰極保護(hù)電流的屏蔽,大大增加了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的難度[9]。

針對(duì)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域電連接點(diǎn)多和無法對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行完全電絕緣的問題,將在城市小區(qū)環(huán)境中施加開放式陰極保護(hù)。但是,國內(nèi)外缺少關(guān)于開放式陰極保護(hù)的研究,面臨多個(gè)技術(shù)難題,如確定低壓管網(wǎng)開放式陰極保護(hù)電流的分散規(guī)律;如何準(zhǔn)確確定電流需求量;如何選擇適用的陰極保護(hù)方式及陽極地床形式等,這些問題為低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域的開放式陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用帶來了困難。

本工作使用現(xiàn)場饋電試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算[10-15]相結(jié)合的方法,對(duì)比深井陽極地床、遠(yuǎn)陽極地床和近陽極地床的電流分散特征及保護(hù)電位分布效果,提出適用于低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域的開放式陰極保護(hù)方式及地床形式,從而為低壓管網(wǎng)開放式陰極保護(hù)技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 陰極保護(hù)電流分布范圍和需求研究

饋電試驗(yàn)?zāi)軌蚩疾祀娏鞯牧飨蚝头植挤秶?根據(jù)管道的走向和現(xiàn)場環(huán)境,采用鍍鋅扁鐵制作臨時(shí)陽極地床。確定臨時(shí)陽極地床的位置,測試臨時(shí)地床的保護(hù)范圍,以及需要的電流量。在城市小區(qū)內(nèi)進(jìn)行了3種地床形式下的饋電試驗(yàn):(1) 淺埋遠(yuǎn)陽極地床;(2) 低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)已有的深井地床;(3) 淺埋近陽極地床。

1.1 淺埋遠(yuǎn)陽極地床

淺埋遠(yuǎn)陽極地床位置和測試點(diǎn)分布情況見圖1,淺埋遠(yuǎn)陽極地床與管道最近的距離為12 m,直流電源輸出電流為18 A,輸出電壓為60 V。

圖1 遠(yuǎn)陽極地床饋電試驗(yàn)測試點(diǎn)分布示意Fig.1 Schematic diagram of distribution of test points in the far anode ground bed feeding test

淺埋遠(yuǎn)陽極地床饋電試驗(yàn)極化2 h后的測試數(shù)據(jù)如表1所示,表中電位均相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極(CSE)。由表1 可見:當(dāng)饋入電流為18 A時(shí),1號(hào)測試點(diǎn)附近5 m 的管道達(dá)到保護(hù)效果,1號(hào)測試點(diǎn)距離陽極地床12 m,其他位置的斷電電位均未達(dá)到-0.85 V,仍處于欠保護(hù)狀態(tài);靠近陽極地床的測試點(diǎn)的斷電電位負(fù)向偏移量較大,遠(yuǎn)離臨時(shí)陽極地床位置的測試點(diǎn)的斷電電位負(fù)向偏移量較小,低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的陰極保護(hù)電流需求量較大。由于城市小區(qū)內(nèi)存在大量裸露建筑物金屬接地材料,接地電阻小,吸收了大量陰極保護(hù)電流,造成待保護(hù)的低壓燃?xì)夤艿罒o法得到足夠的陰極保護(hù)電流,陰極保護(hù)范圍小,效果差。饋入的電流優(yōu)先流入臨時(shí)陽極地床附近的地下結(jié)構(gòu)物,造成遠(yuǎn)離地床的管道無法得到陰極保護(hù)電流。

表1 遠(yuǎn)陽極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Feedback test data of far anode bed

1.2 深井陽極地床

現(xiàn)場深井陽極地床位置和測試點(diǎn)分布情況見圖2和圖3,深井陽極總埋深為60 m,活性段長度為20 m,活性段頂端距離地表的深度為40 m,距離最近管道的水平距離為18 m。直流電源輸出電流為25.6 A,輸出電壓為46.4 V。

圖2 現(xiàn)場深井陽極地床位置示意Fig.2 Schematic diagram of deep well anode bed location

圖3 深井陽極地床饋電試驗(yàn)測試點(diǎn)分布示意Fig.3 Schematic diagram of distribution of test points in deep well anode bed feeding test

深井陽極地床饋電試驗(yàn)極化3 h后的測試數(shù)據(jù)如表2所示,表中電位均相對(duì)于CSE。由表2可見,距離深井陽極最近的低壓燃?xì)夤艿?號(hào)測試點(diǎn)的斷電電位未達(dá)到-0.85 V(vs.CSE),由于存在接地的影響,只有少量陰極保護(hù)電流流入低壓燃?xì)夤芫W(wǎng),管網(wǎng)處于欠保護(hù)狀態(tài),低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的陰極保護(hù)電流需求量大,陽極保護(hù)范圍未達(dá)到16 m,若采用深井陽極地床形式對(duì)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域進(jìn)行保護(hù),將面臨陰極保護(hù)電流屏蔽、陰極保護(hù)電流需求量大等問題。深井陽極地床不適用于低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)開放式陰極保護(hù)。

表2 深井陽極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Feedback test data of deep well anode bed

1.3 淺埋近陽極地床

在管道1.5 m 附近,埋設(shè)角鋼臨時(shí)陽極地床,角鋼的間距約為2.5 m,共布置11個(gè)角鋼,為近陽極地床。近陽極地床的分布位置見圖4,測試點(diǎn)位置見圖5。直流電源輸出電流為4.7 A,輸出電壓為60 V。

圖4 近陽極地床饋電試驗(yàn)近陽極地床位置示意Fig.4 Schematic diagram of distribution position of temporary ground bed for near-anode ground bed feeding test

圖5 近陽極地床饋電試驗(yàn)測試點(diǎn)位置示意Fig.5 Schematic diagram of test point locations of near-anode ground bed feed test

近陽極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示,表中電位均相對(duì)于CSE。由表3可見,距離臨時(shí)陽極地床23 m 的4號(hào)測試點(diǎn),管道斷電電位超過-0.85 V(vs.CSE),有40～50 m的管道達(dá)到了有效的保護(hù)狀態(tài),臨時(shí)陽極地床靠近管道時(shí),從地床流出的電流會(huì)優(yōu)先流入管道,因此管道能吸收足夠的電流,從而達(dá)到保護(hù)狀態(tài);當(dāng)測試點(diǎn)距離臨時(shí)陽極地床35 m左右時(shí),陽極地床流出的電流會(huì)被管道附近的其他結(jié)構(gòu)物吸收,管道吸收的電流明顯減少,電位衰減較快。

表3 近陽極地床饋電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Near-anode ground bed feeding test data

3種形式陽極地床的輸出電流和保護(hù)范圍如表4所示。由表4可見:開放式低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域電流散失點(diǎn)多,遠(yuǎn)陽極地床和深井陽極地床電流分散到管道以外的其他金屬結(jié)構(gòu)物的電流較多,造成待保護(hù)的低壓燃?xì)夤艿罒o法獲得足夠多的電流,且電流沿低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)衰減較快,保護(hù)距離較短;近陽極地床能夠保證盡可能多的電流進(jìn)入低壓燃?xì)夤芫W(wǎng),每組地床及總的電流需求量下降,更適用于低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)開放式陰極保護(hù)。對(duì)比3種陽極地床形式下的電流分散特征,在低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)中,適用于開放式陰極保護(hù)的陽極地床形式為近陽極地床形式。

表4 3種陽極地床的輸出電流和保護(hù)范圍Tab.4 Output current and protection range of three anode ground beds

2 基于數(shù)值模擬技術(shù)的陽極地床優(yōu)化設(shè)計(jì)

陽極地床的形式和分布是開放式陰極保護(hù)技術(shù)的重點(diǎn),數(shù)值模擬技術(shù)能夠有效設(shè)計(jì)合適的陽極地床?；跀?shù)值模擬技術(shù)建立低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)陽極優(yōu)化方案的過程包括:(1) 建立低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)和樓層接地的幾何模型,并對(duì)其劃分網(wǎng)格;(2)使用極化曲線和饋電試驗(yàn)得到的管道電位分布,反演低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)和接地邊界條件;(3) 計(jì)算求解;(4) 根據(jù)管道保護(hù)效果,調(diào)整陽極地床形式、數(shù)量、位置以及輸出電流。

在開放式小區(qū)管網(wǎng)模型中,計(jì)算淺埋分布陽極地床形式、深井陽極地床形式和犧牲陽極地床電位分布,并對(duì)比了3種陽極地床的保護(hù)效果。采用邊界元計(jì)算軟件BEASY 對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解。邊界元在保證計(jì)算精度的同時(shí),可降低問題維數(shù),加快計(jì)算速率。

土壤電阻率是陰極保護(hù)數(shù)值模擬的重要參數(shù),在現(xiàn)場進(jìn)行土壤電阻率的測試,采用溫納四極法測試相同埋深管道的土壤電阻率,其土壤電阻率測量值為77Ω·m。

2.1 幾何模型建立

根據(jù)調(diào)研結(jié)果建立低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的幾何模型和網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

圖6 低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的幾何模型和網(wǎng)格劃分示意Fig.6 Schematic diagram of geometric model(a)and mesh division(b)of low-pressure gas pipeline network

2.2 邊界反演

在所考察的城市小區(qū)土壤環(huán)境中,測試接地網(wǎng)材料Cu和低壓燃?xì)夤艿啦牧螿235鋼的極化曲線,如圖7所示。

圖7 接地網(wǎng)材料Cu和低壓燃?xì)夤艿啦牧螿235鋼在土壤中的陰極極化曲線Fig.7 Cathodic polarization curves of Cu grounding grid material and Q235 steel of low pressure gas pipeline material in soil

對(duì)城市小區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的邊界條件進(jìn)行反演,將饋電試驗(yàn)測得的斷電電位與反演的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,見圖8,其相對(duì)誤差在18%以內(nèi),表明該模型能夠擬合實(shí)際低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的極化特性和涂層狀況。

圖8 反演計(jì)算電位與測試斷電電位誤差Fig.8 Error of inversion calculation potential and test power-off potential

2.3 淺埋分布式輔助陽極地床形式

根據(jù)饋電試驗(yàn)和反演的燃?xì)夤艿肋吔鐥l件,在可埋設(shè)地床的空間范圍內(nèi),不斷調(diào)整輔助陽極地床位置、數(shù)量和輸出電流,優(yōu)化后確定了淺埋分布式輔助陽極地床的數(shù)量為73支,埋深為3 m,距離管道為2～4 m,其分布位置見圖9,總輸出電流為104 A,輸出電流為0.8～3 A,絕大多數(shù)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的電位為-1 200～-850 mV(相對(duì)于CSE),低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)達(dá)到了有效保護(hù)狀態(tài),其電位分布見圖10。

圖9 優(yōu)化后淺埋分布式輔助陽極地床分布位置示意Fig.9 Schematic diagram of distribution position of shallow buried distributed auxiliary anode bed after optimization

圖10 優(yōu)化后淺埋分布式輔助陽極地床電位分布云圖Fig.10 Cloud map of potential distribution of shallow buried distributed auxiliary anode ground bed after optimization

2.4 深井地床形式

在城市小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域內(nèi)埋設(shè)深井陽極,最終優(yōu)化方案為深井陽極數(shù)量23 支,埋深60 m,活性段長度20 m,埋深40 m,總輸出電流136 A,其位置見圖11。經(jīng)過計(jì)算求解,保護(hù)電位分布范圍為-1 200～-850 mV(相對(duì)于CSE),如圖12所示。為了使低壓燃?xì)夤艿阔@得足夠的電流,避免大量電流流入臨近的接地網(wǎng)中,降低屏蔽效應(yīng),需安裝大量深井陽極,且相同電流輸出條件下,深井陽極的施工成本比淺埋分布式輔助陽極地床的高[16]。因此,開放式陰極保護(hù)設(shè)計(jì)使用深井陽極地床方案的可行性較低。

圖11 優(yōu)化后深井陽極地床分布位置示意Fig.11 Schematic diagram of distribution position of deep well anode bed after optimization

圖12 優(yōu)化后深井陽極地床電位分布云圖Fig.12 Cloud map of potential distribution in deep well anode bed after optimization

2.5 犧牲陽極地床形式

在城市小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域內(nèi)埋設(shè)鎂合金犧牲陽極地床,間隔2 m,鋪設(shè)1 674支,埋深為3 m,距離管道1 m,其位置見圖13,總輸出電流為55.4 A。經(jīng)過計(jì)算求解,其電位為-650～-1 200 mV(相對(duì)于CSE)。

圖13 優(yōu)化后犧牲陽極地床分布位置示意Fig.13 Schematic diagram of distribution position of sacrificial anode ground bed after optimization

如圖14所示,單支犧牲陽極地床的輸出電流較小,管道保護(hù)范圍較小,低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)大部分保護(hù)電位均正于-850 mV(相對(duì)于CSE),陰極保護(hù)電流流入臨近的接地網(wǎng)中,低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)獲得的電流較少。因此,犧牲陽極地床不適用于城市小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)開放式陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。

圖14 優(yōu)化后犧牲陽極地床電位分布云圖Fig.14 Cloud map of potential distribution of sacrificial anode ground bed after optimization

如表5所示(表中電位均相對(duì)于CSE):3 000 m左右的低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)需使用23支深井陽極地床,但其輸出電流較大,施工成本較高;犧牲陽極地床輸出電流較小,1 674支犧牲陽極無法為低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)提供足夠的陰極保護(hù)電流,導(dǎo)致低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)大部分范圍處于欠保護(hù)狀態(tài);淺埋分布式陽極地床可以解決接地的屏蔽效應(yīng),對(duì)于防腐蝕層遭到破壞的燃?xì)夤艿榔鸬搅擞行У谋Ｗo(hù)作用,在城市小區(qū)內(nèi)埋設(shè)73支淺埋分布式輔助陽極可有效保護(hù)城市小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)。

表5 3種陽極地床形式下的保護(hù)效果Tab.5 Protection effects in three anode ground bed forms

3 結(jié)論

(1) 針對(duì)城市低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)電連接點(diǎn)較多和無法充分絕緣的特征,提出了開放式陰極保護(hù)方式。

(2) 通過饋電試驗(yàn),對(duì)比了近陽極地床、深井陽極地床和遠(yuǎn)陽極地床等3種開放式陰極保護(hù)地床形式下的電流分散特征,近陽極地床能夠有效屏蔽接地干擾,是適用于低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)的陽極地床形式。

(3) 通過數(shù)值模擬計(jì)算,分析了深井陽極地床、犧牲陽極地床和淺埋分布式陽極地床等3種形式下開放式陰極保護(hù)的保護(hù)電位分布,得到了適用于城市小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)淺埋分布式陽極地床分布方案。