并行管道陰極保護干擾分析

摘 要：為了研究土壤電阻率、涂層面電阻、管道間距對并行管道陰極保護干擾的影響，建立了并行管道陰極保護數值模型，通過對數據的分析得出：土壤電阻率越大，干擾越嚴重。管道涂層面電阻越小，干擾越嚴重。兩管道間距越小，干擾越嚴重。

關鍵詞：陰極保護 數值模擬 并行管道 干擾分析

中圖分類號：TG174.41 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0068-01

我國是世界上少數幾個以煤炭為主要能源的國家之一，然而煤炭的使用嚴重的污染了人類賴以生存的環境。作為一種優質、高效、清潔的能源，天然氣在我國能源結構中的地位不斷提升[1]。隨著西氣東輸管道、中亞輸氣管道、川氣東送管線等大型工程的建設，我國天然氣長輸管道建設迎來了一個空前的高峰期。近年來長輸油氣管道的大規模建設導致管道并行敷設情況也逐漸增多，并行敷設導致管道陰極保護相互干擾嚴重，甚至在管道局部出現過保護或欠保護情況[2]。

如果使用實驗方法研究各主要因素對并行管道干擾規律的影響，這必將花費大量的人力、物力。然而數值模擬方法卻可以很容易的通過建立并行管道陰極保護的數值模型，分析各主要因素對并行管道干擾規律的影響。國內外眾多學者利用數值計算方法解決了大量陰極保護的重要問題[3～5]，且Jacques Parlongue發表了一篇名為《陰極保護進入數值模擬時代》的論文[6，7]。顯然數值模擬方法已成為一種研究陰極保護的重要方法。本文利用COMSOL建立并行管道的數學模型，并基于此模型分析土壤電阻率、涂層面電阻、兩管道間距對并行敷設管道干擾強度的影響。

1 控制方程及邊界設置

國內外對陰極保護體系電位分布的數值研究，大多數采用拉普拉斯方程為電勢分布的控制方程[8～11]，如方程1

（1）

其中為電勢；為電導率；為電阻率。

從數學上講滿足一個偏微分方程的解很多，必須有特定的邊界條件才能得到定解。同樣，對于管道陰極保護控制方程的求解也需要設定合理的邊界條件。陽極采用電流邊界條件，陰極考慮了涂層面電阻和電化學反應，地表面采用法向電流為零。模型中管道直徑為0.72 m，管道的長度為200 m，兩管道的間距為2 m，管壁厚8 mm，管道埋深為2 m。

2 結果分析與討論

當今文獻中對雜散電流對陰極保護的研究已有不少，但是美中不足的是沒有提出衡量干擾強度的物理量。因而也就無法定量化干擾強度，同樣也不能給出定量化的防止干擾的理論。經過深入分析，我們定義了干擾強度量。物理意義為當只存在一個管道時管道電勢與兩個管道共同存在時管道電勢之差與只存在一個管道時管道電勢比值的絕對值。

其中，分別為只存在管道1或管道2時管道表面的ON電勢，，分別為存在兩管道時管道1，2表面的極化電勢。

計算結果表明，隨著電阻率的增加，管道ON電勢越負，這主要是增加了陰極保護回路的歐姆壓降。土壤電阻率越大，干擾強度越大。這主要是因為土壤電阻率越大，電流在土壤中的流動引起的歐姆壓降越大，而管道的電阻率極低。因而陽極發出的電流首先選擇電阻最小的路徑，因此部分電流先進入非聯合管道，然后沿著管道流到某部位再離開管道，流向被保護管道。土壤電阻率越大，電流流入非聯合管道的動力就越大。

從計算結果可以看出隨著涂層面電阻的增加，管道ON電勢更負，這主要是增加了電流流經涂層所引起的歐姆壓降。涂層面電阻越大，干擾強度越小。這也就是說明涂層面電阻越大防干擾能力越強。為了減小電流在土壤中流動所產生的歐姆壓降（IR），電流先從非聯合保護管道的一個部位流入，然后沿著管線流到某部位離開管線進入土壤，最后流到保護管道。一般管道有保護涂層，而保護涂層的面電阻很大。電流進出管道所引進的歐姆壓降越大，因而保護層面電阻越大，干擾越小。

從計算結果可以看出可以看出隨著兩管道間距的增加，管道ON電勢越正，更接近單管時的ON電勢。這主要是隨著兩管道間距的增加，兩管道相互干擾的強度減小。一個極端的例子如果兩管道相距足夠遠，那么他們之間就不會有干擾。因而干擾強度也隨著兩管道距離的增加而降低。

3 結論

本文首先建立了并行管道的數值模型，然后分析了土壤電阻率、管道涂層面電阻、兩管道間距對并行敷設管道陰極保護干擾的影響。通過分析得出如下結論。

（1）土壤電阻率越大，干擾越嚴重。

（2）管道涂層面電阻越小，干擾越嚴重。

（3）兩管道間距越小，干擾越嚴重。

參考文獻

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