西南山區(qū)地質(zhì)條件復雜，土壤性質(zhì)變化多樣，該地區(qū)埋地金屬管道存在較高的腐蝕風險。由于管道并行和交叉的情況越來越多，并且大多數(shù)管道擁有獨立的陰極保護系統(tǒng)，因此當管道間距較近時，陰極保護系統(tǒng)會互相干擾。持續(xù)的嚴重干擾會給管道安全運營帶來巨大威脅。干擾點多、檢測難度大和安全隱患高是并行管道存在的主要問題。多路陰極保護系統(tǒng)之間相互干擾問題隨著管道并行及交叉情況的增加不斷暴露出來，因此有必要對并行及交叉管道陰極保護系統(tǒng)間相互干擾問題開展技術(shù)研究。 數(shù)值模擬技術(shù)能夠有效預測長距離并行管段的陰極保護效果，還能根據(jù)各并行管段的陰極保護效果給出參考電位和電流，這是現(xiàn)場測試無法比擬的。
Part . 1 模擬計算 西南山區(qū)多條管道存在并行情況，采用BEASY軟件對其中典型并行段（A-B段）的相互干擾范圍、干擾程度和干擾規(guī)律進行了數(shù)值計算。研究管段的陰極保護系統(tǒng)共涉及5座站場及14座閥室。 圖1為該并行管段的幾何模型，對管線和土壤空間進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。其中，原油干線管道全長619.52 km，管徑813 mm；天然氣干線管道全長618.81 km，管徑1016 mm；成品油管道全長390.62 km，管徑406.4 mm；原油管道支線全長45.48 km，管徑610 mm；天然氣管道支線全長44.36 km，管徑813 mm。防腐蝕層均為3PE。 圖1 管線三維模型 圖2 管線和土壤空間的網(wǎng)格劃分 依據(jù)現(xiàn)場實際陰極保護系統(tǒng)輸出除以該管段的表面積得到各條管道的電流需求量。 采用以上模型和邊界條件進行模擬計算，并保持陽極輸出與目前現(xiàn)場恒電位儀輸出一致。在現(xiàn)有陰極保護系統(tǒng)輸出下模擬得到的陰極保護電位如圖3所示，并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，如表1所示。 圖3 現(xiàn)有陰極保護系統(tǒng)輸出下模擬的陰極保護電位云圖 （土壤電阻率100 Ω·m） 表1 現(xiàn)有陰保系統(tǒng)輸出下模擬結(jié)果與測試結(jié)果的對比 結(jié)果表明，模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果的平均誤差為10%。這說明采用BEASY軟件模擬計算并行管道陰極保護干擾具有較好的可靠性。 本研究以兩條并行鋪設管道為模型，采用上述數(shù)值模擬方法研究了管道并行間距、土壤電阻率、涂層破損率等因素對管道陰極保護系統(tǒng)間干擾的影響規(guī)律。模型基本參數(shù)如表2所示。 表2 模型基本參數(shù) 兩條管道的陰極保護系統(tǒng)會相互影響，這里僅考察了原油管道陰極保護系統(tǒng)對天然氣管道陰極保護系統(tǒng)干擾（以下稱陰極保護干擾）的影響。 模擬計算1組：模擬計算管道并行間距對陰極保護干擾的影響，管道并行間距分別設為2、10、50、200 m。 模擬計算2組：模擬計算原油管道陰極保護的輸出電流對陰極保護干擾的影響，原油管道陰極保護的輸出電流分別設為1.3、2.6、5.2 A。 模擬計算3組：模擬計算天然氣管道涂層破損率對陰極保護干擾的影響，涂層破損率分別設為0.01%、0.1%、1%。 模擬計算4組：模擬計算土壤電阻率對陰極保護干擾的影響，土壤電阻率分別設為1、10、30、50、100 Ω·m。 模擬計算過程中，天然氣管道位置不變，電流需求量均為100 μA/m2，輸出電流均為3.2 A。 Part . 2 現(xiàn)場跨接試驗 試驗對象為西南山區(qū)并行油氣管道C站（見圖1）附近管段。將天然氣干線陰極保護系統(tǒng)與原油干線陰極保護恒電位儀的陰極進行跨接，通過控制管道各自獨立的陰極保護系統(tǒng)，使管道處于不同陰極保護條件下，測試管道沿線測試樁電位。 跨接點位于LF輸油氣站以及1#成品油閥室處?？缃狱c和沿線電位監(jiān)測點如圖4所示。 圖4 跨接試驗測試點平面分布示意圖 分別采用天然氣干線和原油干線的陰極保護系統(tǒng)對原油和天然氣管道同時進行保護（輸出電流均為跨接前原有電流的總和0.22 A）。對跨接后管道測試評價方法的適用性進行分析。 收集和測試參數(shù)主要包括以下四個方面：位置參數(shù)、陰保系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、雜散電流干擾源信息等。 Part . 3 結(jié)果與討論 >>> 目前，國內(nèi)外很多規(guī)范規(guī)定了管道之間的并行間距，也有許多并行管道工程實例給出了并行間距，但是在這些規(guī)范或?qū)嵗芯淳C合考慮并行間距對陰極保護干擾的影響，因此開展這方面的研究具有重要意義。 在不同并行間距條件下模擬計算了天然氣管道的電位和管道電位偏移（管道電位與無干擾管道的陰極保護電位之差），結(jié)果如圖5所示。 圖5 并行間距對陰極保護干擾的影響 由圖5可知，管道電位偏移隨著并行間距的增大逐漸減小，最后趨于平緩。其主要原因是隨著兩管道并行間距的增大，管道陰極保護系統(tǒng)之間相互干擾的強度減小，如果兩管道相距無窮遠，那么它們之間就不會有干擾。 >>> 在不同涂層破損率條件下模擬計算了天然氣管道的電位，結(jié)果如圖6所示。 圖6 不同涂層破損率下管道電位曲線 由圖6可知，與無干擾管道相比，當涂層破損率為0.01%和0.1%時，管道電位負向偏移程度不太明顯，而當涂層破損率為1%時，管道電位明顯發(fā)生負向偏移。 >>> 在不同土壤電阻率條件下模擬計算了天然氣管道的電位和管道電位偏移，研究了土壤電阻率對陰極保護干擾的影響，結(jié)果見圖7。 圖7 土壤電阻率對陰極保護干擾的影響 由圖7可知，管道電位偏移隨著土壤電阻率的增大而增大，且呈現(xiàn)邊際效應遞減的趨勢。這說明管道陰極保護干擾隨著土壤電阻率的增大而增大。因為較高的土壤電阻率意味著較大的土壤電阻，輔助陽極釋放的電流多從管道中心區(qū)域流入管道而不是從較遠的區(qū)域流入管道，因而管道陰極保護所受干擾增大。 >>> 跨接前后各管道沿線測試樁電位如圖8所示。由圖8可見，跨接前后各管道測試樁通斷電電位無明顯變化。 圖8 跨接前后各管道沿線測試樁處電位 其原因是天然氣干線和成品油干線沿線無絕緣接頭，管道沿線存在多套干線陰極保護系統(tǒng)，并且新建管線防腐蝕層質(zhì)量較好，上下游的陰極保護系統(tǒng)可以保護的距離足夠覆蓋當前測試管段。當C站陰極保護系統(tǒng)進行調(diào)整時（跨接間隙，開閉陰極保護系統(tǒng)），沿線測試樁通斷電電位均發(fā)生負向偏移，這說明上下游陰極保護系統(tǒng)也會對測試段產(chǎn)生較大的影響。 對比可知，跨接后采用天然氣干線陰極保護系統(tǒng)輸出時通電電位的波動幅度大于跨接前各陰極保護系統(tǒng)獨立輸出時和跨接后采用原油干線陰極保護系統(tǒng)輸出時通電電位的波動幅度。這表明C站干線陰極保護之間相互干擾主要是由于C站天然氣陰極保護系統(tǒng)造成的。
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