【論文精選】埋地鋼質燃氣管網地鐵雜散電流腐蝕防護模擬
2021-07-02 11:14:49
作者： 鄭焱文，等 來源： 煤氣與熱力雜志
分享至：
2.2 邊界條件的設置
①陰極邊界（城鎮鋼質燃氣管道）
鋼質燃氣管道作為被保護對象，設定其邊界為陰極邊界。埋地鋼質管道在土壤中會發生電化學極化現象，用數學函數表征為極化曲線，此曲線代表了過電位與電流的函數關系。對于測試所得的陰極極化曲線，為了更好地將極化曲線數據應用于仿真模擬中，提高仿真模擬結果的準確性，需對測試所得極化曲線進行處理，有牛頓迭代法以及分段線性擬合法兩種辦法。相較于牛頓迭代法，使用分段線性擬合法，能使模擬計算結果較好地收斂，并具有較強的適應性［8-10］。
對于有防腐層的管道（老舊燃氣管道，防腐層全部被破壞了，可以認為是沒有防腐層的管道），有2種方法得到邊界條件。一種是通過測試得到涂敷相應防腐層鋼片的極化曲線，作為有防腐層管道的陰極邊界條件［11］；另一種是測試得到裸管的極化曲線，參考挪威船級社推薦實施細則DNV-RP-B401《陰極保護設計》中根據涂層破損率修正裸管的極化曲線，根據防腐層面電阻率的值取修正系數，修正裸管的極化曲線［12-13］。本文依照防腐層面電阻率排序，采用裸管極化曲線按照10％、50%、80%修正后的極化曲線作為管道的邊界條件。
②陽極邊界
a.強制接地排流中的輔助陽極
輔助陽極的邊界條件設置，可采用陽極極化曲線［14］或恒電流密度［15］。經驗證，采取恒電流密度與陽極極化曲線作為邊界條件時，計算相對誤差不足0.1%［16］。為了簡化計算，本文采用恒電流密度作為輔助陽極的邊界條件。
b.犧牲陽極極性接地排流中的犧牲陽極
犧牲陽極的邊界條件，可采用犧牲陽極開路電位或極化曲線。經驗證，采用開路電位與極化曲線作為邊界條件時，計算相對誤差為1%，在軟件模擬計算中可忽略不計［16］，本文采用開路電位作為犧牲陽極的邊界條件。
③城市地鐵工程
我國的城市地鐵系統多采用直流牽引供電，列車所需的負載電流由直流牽引變電所提供，通過牽引網送向列車，并通過鋼軌作為牽引電流回路，返回到直流牽引變電所。盡管鋼軌與地面間采取了一系列的絕緣措施，但仍有部分電流由鋼軌流入周邊土壤及埋地燃氣管道中，單邊供電下地鐵對埋地燃氣管道的雜散電流腐蝕見圖1（圖內沿鋼軌返回直流牽引變電所的電流未畫出）。直流牽引變電所通常被稱為整流所，整流所一般位于地鐵站內。在城市核心區，相鄰地鐵站距離較近，因此并不是所有地鐵站內都設置了整流所，可根據片區管道管地電位以及周邊的地鐵線路分布。可通過設置兩個電流回流點（點F）作為整流所，一個電流出流點（點A）作為列車行進或停靠點的邊界條件，模擬城市地鐵的運行。
圖1 單邊供電下地鐵對埋地燃氣管道的雜散電流腐蝕
④地面及無窮遠處
地面為空氣與土壤交界處，認為空氣為絕緣體，地面與空氣的接觸面為絕緣面，電流密度為零。在土壤環境的無窮遠處，認為電流密度為零，電位為零。
3 案例分析
3.1 地鐵線路及燃氣管網分布情況
此管網為某城市核心區域部分鋼質燃氣管網，區域外圍有4條運行的地鐵線路，燃氣管網和地鐵線路分布見圖2。其中，線路一從地鐵站A之后逐漸偏離此片區管網，其他地鐵線路對該片區管網影響較大，與燃氣管道最小距離約為30 m。為了抑制城市地鐵產生的雜散電流對此片區管網的影響，當地燃氣公司采取了絕緣隔離的辦法，將中壓管網與低壓庭院管網隔離，并在部分低壓庭院管網施加了犧牲陽極陰極保護。為了進一步阻止雜散電流的擴散，此區域的中壓管網在部分管段上設置絕緣接頭。本文僅對中壓燃氣管網的受干擾和保護措施進行探討。
圖2 某城市核心區部分中壓燃氣管網及周邊地鐵線路分布截圖
管網覆蓋區域約為3.5 km×4.5 km，區域土壤電阻率約30~40 Ω·m，酸堿性為中性，無腐蝕性的細菌，自然腐蝕電位（本文中的電位均為銅/飽和硫酸銅作為參比電極時的電位）為-0.66 V。管道設計壓力0.4 MPa，操作壓力約0.3 MPa。管道外直徑最小為57 mm，最大為426 mm。管道為無縫鋼管，材質為20鋼。管道防腐層有3種，分別為3PE、石油瀝青以及環氧煤瀝青，均不是連續分布，測得的防腐層面電阻率見表1，管道外防腐層缺陷未知。
表1 管道防腐層類型及面電阻率
3.2 管網受干擾及預建立保護情況
燃氣管網受周邊3條地鐵線路的影響，盡管在部分管道安裝了絕緣接頭，阻隔了部分雜散電流的擴散，但部分管道仍受到了較大干擾。選取合適的位置建立1座臨時深井陽極保護站，探究強制接地排流措施對管網受干擾情況的影響。當管道受到干擾嚴重時，深井陽極保護站的接地排流作用大于強制電流陰極保護作用；當受到干擾較小時，深井陽極保護站的強制電流陰極保護作用大于接地排流作用。本文探究的是強干擾情況下管道的腐蝕防護情況，因此下文將圖中標注的深井陽極保護站稱為強制接地排流站。該強制接地排流站最大輸出電壓為50 V，最大輸出電流為60 A。使用兩個深度為100 m，陽極體長為40 m，直徑為0.42 m，陽極材質為MMO（混合金屬氧化物）的深井。按恒電流輸出模式輸出，強制接地排流站輸出的電流為35 A。強制接地排流站，對于受到雜散電流干擾較強的管段，能起到強制接地排流的作用；對于無雜散電流干擾的管段，能起到陰極保護的作用。
3.3 模型的建立及邊界條件的設置
根據圖2并對部分管道進行簡化，采用COMSOL Multiphysics多物理場軟件建立了仿真模型。先將測試所得的裸管極化曲線分段擬合（見圖3），然后根據防腐層情況進行修正后作為埋地鋼質管道的邊界條件。此片區中的管道防腐層有3種類型，按照防腐層面電阻率大小排序，通過模擬，將模擬結果與實測數據對比吻合時采用的修正系數作為最終修正系數，進行裸管極化曲線的修正。本文采用80%、50%、10%修正后的極化曲線作為3種防腐層管道的邊界條件。
圖3 裸管極化曲線分段擬合
根據強制接地排流站與管網的相對位置，設置邊界條件，深井陽極陽極體長40 m，直徑0.42 m，埋深為100 m，陽極體上下位置共有10 m的填充材料，根據輸出總電流，設置其邊界條件為電流密度0.265 A/m2。將后續防護措施優化部分用到的鎂陽極極性接地排流裝置邊界條件設置為埋深2.2m，長度為1 m，電位為-1 749 mV。根據相關數據及資料，圖2中的地鐵站A、C、E、G、J為整流所，將擁有整流所的地鐵站設置為電流回流點，將無整流所的地鐵站設置為出流點。由于土壤條件以及列車運行情況的影響，隨著列車的加減速及周邊土壤環境的不同，泄漏到土壤中的電流不能確定，這里將泄漏到土壤的電流分別設置為2 A、5 A、10 A，以模擬評估城市地鐵線路產生的雜散電流干擾對此片區管網的影響。
4 結果及討論
4.1 強制接地排流下的管網受干擾情況
根據管網受干擾及強制接地排流站的運行現狀進行仿真模擬。為了驗證模擬的準確性，將10 A干擾強度下的測試樁實測管地電位與模擬電位相比較，結果見表2。由表2可知，數值模擬數據與現場實測數據有較好的吻合性，證明了模擬方法和模擬結果具有可靠性。
表2 測試樁實測電位與模擬電位對比
有、無強制接地排流措施下的管網管地電位分布見圖4（圖4中所有圖的色標相同，見圖4d，色標旁數值相應的單位為V）。如圖4a、4b所示，電流干擾強度為2 A，無強制接地排流時，管網管地電位為-0.88～0.39 V，片區管道的自然腐蝕電位為-0.66 V，管地電位正向偏移大于GB 50991—2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》第5.0.2條所述的100 mV，說明部分管道受到了強烈的雜散電流干擾，應采取防護措施。當施加強制接地排流后，此片區管網的管地電位分布為-3.05～-0.21 V，除部分距整流所較近的管段仍有正向偏移外，大部分管道管地電位負于-0.85V。
圖4 有、無強制接地排流措施下的管網管地電位分布
如圖4c、4d所示，當電流干擾強度為10 A時，在無強制接地排流時，管地電位分布為-1.61～4.57 V，部分管地電位正向偏移遠遠大于100 mV，說明管網受到的雜散電流干擾十分強烈。當施加強制接地排流后，此片區管網的管地電位分布為-2.72～3.62 V，減小受干擾較大管段管地電位正向偏移的同時，會使部分管段管地電位負向偏移過大，進而產生氫脆、防腐層剝離等現象。
有、無強制接地排流措施下部分管道管地電位見圖5。圖5a、5b是位于此片區管網中部的一段管道的管地電位，此管段與強制接地排流站距離1 500 m左右，本文將此管段稱為中部管段，分布位置見圖2。當電流干擾強度為10 A時，強制接地排流效果明顯，與無強制接地排流相比，管地電位最大值從0.28V下降至-0.615 V，相較于自然腐蝕電位（-0.66 V）僅正向偏移45 mV，管道中的雜散電流干擾引起的管道腐蝕已經得到了明顯抑制；在電流干擾強度為5A、2 A時，有強制接地排流時，此管段基本滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》第4.4.2和4.4.3條規定的管地電位小于-0.85 V、大于-1.2 V的要求。
圖5 有、無強制接地排流措施下部分管道管地電位
圖5c、5d是位于此片區管網左側的一段管道的管地電位，本文將此管段稱為左側管段，分布位置見圖2。此管段由于部分管道與整流所距離較近，受干擾強度大，部分管道的管地電位正向偏移較大。在2 A電流干擾強度下，無強制接地排流時，管段管地電位最小值為-0.5 V。在施加強制接地排流后，僅有長約120 m的管道管地電位大于-0.85V。在10 A電流干擾強度下，施加強制接地排流后，整個管段管地電位相較于無排流措施時均負向偏移1 V。左側管段從2 300 m至2 900 m分布的管道位于強制接地排流站1 km的排流范圍內，管道管地電位低于自然腐蝕電位。但分布在1 km排流半徑范圍之外的管段，僅有200 m左右長度的管道管地電位低于自然腐蝕電位。不過對比無強制接地排流時，管地電位最大值已從4.5 V下降至3.58 V。
圖5e、5f是位于此片區管網下側的一段管道的管地電位，本文將此管段稱為下側管段，分布位置見圖2。此管段有地鐵線路四沿線分布，在無強制接地排流且干擾強度為2 A時，管地電位分布在-0.38V左右，相對于自然腐蝕電位正向偏移280 mV，受到強烈的雜散電流干擾。隨著干擾強度的增加，管地電位正向偏移越來越大。當干擾強度為10 A時，離整流所較近的管段管地電位最大值達0.76 V。除部分離模擬列車停靠點較近處，整條管段管地電位均在0.2 V以上。此管段與強制接地排流站的最大距離為550 m，在施加強制接地排流措施后，管地電位最大值為-0.34 V，管地電位在-0.66 V以上的管道長度僅為380 m，排流效果較好。
強制接地排流的防護措施對整個片區的燃氣管網受干擾情況改善效果好，特別是在其強制接地排流站1 km排流半徑內，管地電位符合GB/T21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》第4.4.2和4.4.3條規定的管地電位小于-0.85 V、大于-1.2 V的要求。針對離干擾源較近，離強制接地排流站較遠的管段（如圖2所示的左側管段上端），可采取進一步的防護措施改善其排流情況。與強制接地排流站距離較近的管道，由于管地電位負向偏移較大，容易產生防腐層脫離等現象。
4.2 管網直流干擾防護措施的優化
由于中部管段與下側管段與強制接地排流站距離較近，因此排流效果較好，管道的保護情況較好。左側管段距離強制接地排流站較遠，部分管段離干擾源較近，是整個片區受干擾最大的管段。因此選擇此管段，優化其防護措施。在強制接地排流站的影響下，嘗試對此管段增加鎂陽極極性接地排流，從距離左側管段坐標零起點120 m處開始，每隔500 m埋設1個鎂陽極極性接地排流裝置，埋地深度為2.2 m，長度為1 m，平行于管道埋設，與管道的垂直距離與水平距離均為1 m，探究此排流措施對管道受干擾情況的改善效果。當干擾強度為10 A時，無保護措施、采取強制接地排流措施、采取強制接地排流+鎂陽極極性接地排流措施情況下左側管段管地電位分布見圖6。
圖6 當干擾強度為10 A時，無保護措施、采取強制接地排流措施、采取強制接地排流+鎂陽極極性接地排流措施情況下左側管段管地電位分布
從圖6可知，在添加鎂陽極極性接地排流措施后，整個管段的管地電位均有下降，但離地鐵整流所（地鐵站A）較近的管段，排流效果不明顯，在鎂陽極埋設位置左右20 m范圍內，管道的管地電位維持在-0.66V及更負，其他位置均不滿足GB/T21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中第4.4.4條的規定（陰極電位負向偏移至少100 mV）。在離地鐵整流所較遠的管段，管地電位負于-0.66 V的管道長度達2 300 m；相較于僅有強制接地排流措施時，增加了1 540 m。說明增加鎂陽極極性接地排流對管道受干擾情況改善效果明顯，雖然仍未符合規范要求，但是大部分管段的管地電位已經接近了-0.85 V。在干擾較為強烈的區域，仍需進一步改進保護措施。
為了改善部分受干擾較強的管段的保護工況，在采取強制接地排流+鎂陽極極性接地排流措施情況下，又在管段左側從坐標零起點開始，每隔1 m埋設1個鎂陽極極性接地排流裝置，分別埋設60個和100個，平行于管道埋設，與管道的垂直距離與水平距離均為1 m，探究其排流效果。埋設60個和100個鎂陽極極性接地排流裝置后，左側管段管地電位分布見圖7。
圖7 增設密集鎂陽極極性接地排流裝置后的左側管段管地電位分布
由圖7可知，在埋設60個鎂陽極極性接地排流裝置后，有2 350 m長的管段管地電位低于-0.66 V，距整流所（指地鐵站A處）較近處存在16 m長的管段管地電位大于-0.66 V，管地電位最大值已由僅有強制接地排流時的3.58 V下降至1.63 V。其余管段管地電位正向偏移最大至-0.11 V，管地電位為-0.11～-0.66 V的管道長約500 m。在埋設100個鎂陽極極性接地排流裝置后，有2 400 m長的管段管地電位低于-0.66 V，距整流所較近處存在14 m長的管段管地電位大于-0.66 V，管地電位最大值已由僅有強制接地排流時的3.58 V下降至1.59 V。其他管段管地電位正向偏移最大至-0.38 V，管地電位為-0.38～-0.66 V的管道長約450 m。在優化措施施加后，部分受干擾較強的管段，能滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》第4.4.4 條的規定，即陰極電位負向偏移至少100 mV。
在增設密集鎂陽極極性接地排流裝置后，除與整流所距離20 m之內的管段外，其余管段存在的強烈干擾已得到明顯抑制。與距離強制接地排流站較近的管段（如下側管段）的管地電位分布對比可以看出，強制接地排流影響范圍較大，鎂陽極極性接地排流的影響范圍較小，排流效果較差。在兩種防護措施同時具備條件時，考慮到在城市核心區開挖難度大等問題，應優先考慮強制接地排流。
5 結論
結合工程實例，基于COMSOL Multiphysics軟件對某城市燃氣管網受地鐵雜散電流干擾及保護措施進行模擬仿真。建立控制方程，設置邊界條件。通過將模擬數據與測試數據對比，驗證了模擬仿真的可行性。模擬泄漏到土壤中的電流分別為2 A、5 A、10 A時，有、無強制接地排流時的管網管地電位分布。針對受干擾最大的管段，優化防護措施，增加鎂陽極極性接地排流裝置，進行管地電位的模擬。在干擾仍較為強烈的區域，增設密集鎂陽極極性接地排流裝置，進行管地電位的模擬。根據模擬結果得出結論：
①強制接地排流的防護措施對整個片區的燃氣管網受干擾情況改善效果好，特別是在強制接地排流站1 km排流半徑內。針對離干擾源較近的部分管段，可采取進一步的防護措施。
②與強制接地排流站距離較近的管道，由于管地電位負向偏移較大，容易產生防腐層脫離等現象。
③在增設密集鎂陽極極性接地排流裝置后，除與整流所距離20 m內的管段外，其余管段存在的強烈干擾已得到明顯抑制。強制接地排流影響范圍較大，鎂陽極極性接地排流的影響范圍較小，排流效果較差。在兩種防護措施同時具備條件時，應優先考慮強制接地排流。
參考文獻：
［ 1 ］中國城市軌道交通協會。 城市軌道交通2017年度統計和分析報告［R］。 北京：中國城市軌道交通協會，2017：8-9.
［ 2 ］陳志光， 秦朝葵， 計雪松。 上海軌道交通二號線雜散電流測試分析［J］。 腐蝕與防護， 2008， 29（6）：344-347.
［ 3 ］石曉櫳。 川氣東送金陵支線雜散電流排流實踐與建議［C］//中國石油學會，中國石油天然氣管道局。 2013年中國油氣田腐蝕與防護技術科技創新大會會議論文集。 廊坊：中國石油學會，中國石油天然氣管道局， 2013：295-300.
［ 4 ］王春起。 埋地鋼質燃氣管網中地鐵雜散電流排流方法［C］//中國土木工程學會燃氣分會。 2012年中國燃氣運營與安全研討會會議論文集。 天津：煤氣與熱力雜志社，2012：67-71.
［ 5 ］周吉祥。 城鎮燃氣管道直流雜散電流排流保護［J］。 煤氣與熱力， 2015， 35（4）：A38-A42.
［ 6 ］方衛林， 李振軍， 洪娜， 等。 典型站場區域陰極保護系統對線路陰極保護系統干擾的檢測及處理［J］。 腐蝕與防護， 2015，36（3）： 272-275.
［ 7 ］BRICHAU F， DECONINCK J. A numerical model for cathodic protection of buried pipes［J］。 Corrosion， 1994，50（1）：39-49.
［ 8 ］杜艷霞， 張國忠， 李蓉蓉。 陰極保護電位分布數值計算的研究進展［C］//中國腐蝕與防護學會腐蝕電化學及測試方法專業委員會。 2006年全國腐蝕電化學及測試方法學術會議論文集。 廈門：中國腐蝕與防護學會腐蝕電化學及測試方法專業委員會， 2006：233-239.
［ 9 ］LIU G C， SUN W， WANG L， et al. Modeling cathodic shielding of sacrificial anode cathodic protection systems in seawater［J］。 Materials & Corrosion， 2014， 64（6）： 472-477.
［10］孫克磊。 管內陰極保護邊界元法的程序設計及其數值實驗（碩士學位論文）［D］。 大連：大連理工大學， 2013：30-34.
［11］趙雷亮。 陽極布置方式對陰極保護效果的影響（碩士學位論文）［D］。 青島：中國石油大學（華東），2013：10-13.
［12］杜炘潔， 張豐， 宋曉琴，等。 基于數值模擬的兩種斷電電位測量方法對比［J］。 全面腐蝕控制， 2013（1）：46-48.
［13］張豐， 王愛菊， 趙君，等。 管道陰極保護數值模擬實驗［J］。 管道技術與設備， 2014（1）：42-44.
［14］RIEMER D P， ORAZEM M E. A mathematical modelfor the cathodic protection of tank bottoms［J］。 Corrosion Science， 2005， 47（3）：849-868.
［15］HASSANEIN A M， GLASS G K， BUENFELD N R. Protection currentdistribution in reinforced concrete cathodic protection systems［J］。 Cement & Concrete Composites， 2002， 24（1）：159-167.
［16］蔣卡克， 杜艷霞， 路民旭， 等。 陰極保護數值模擬計算中陽極邊界條件選取研究［J］。 腐蝕科學與防護技術， 2013， 25（4）：287-292.
免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。
相關文章
