并行管道阴极保护干扰分析

摘 要：为了研究土壤电阻率、涂层面电阻、管道间距对并行管道阴极保护干扰的影响，建立了并行管道阴极保护数值模型，通过对数据的分析得出：土壤电阻率越大，干扰越严重。管道涂层面电阻越小，干扰越严重。两管道间距越小，干扰越严重。

关键词：阴极保护 数值模拟 并行管道 干扰分析

中图分类号：TG174.41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0068-01

我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，然而煤炭的使用严重的污染了人类赖以生存的环境。作为一种优质、高效、清洁的能源，天然气在我国能源结构中的地位不断提升[1]。随着西气东输管道、中亚输气管道、川气东送管线等大型工程的建设，我国天然气长输管道建设迎来了一个空前的高峰期。近年来长输油气管道的大规模建设导致管道并行敷设情况也逐渐增多，并行敷设导致管道阴极保护相互干扰严重，甚至在管道局部出现过保护或欠保护情况[2]。

如果使用实验方法研究各主要因素对并行管道干扰规律的影响，这必将花费大量的人力、物力。然而数值模拟方法却可以很容易的通过建立并行管道阴极保护的数值模型，分析各主要因素对并行管道干扰规律的影响。国内外众多学者利用数值计算方法解决了大量阴极保护的重要问题[3～5]，且Jacques Parlongue发表了一篇名为《阴极保护进入数值模拟时代》的论文[6，7]。显然数值模拟方法已成为一种研究阴极保护的重要方法。本文利用COMSOL建立并行管道的数学模型，并基于此模型分析土壤电阻率、涂层面电阻、两管道间距对并行敷设管道干扰强度的影响。

1 控制方程及边界设置

国内外对阴极保护体系电位分布的数值研究，大多数采用拉普拉斯方程为电势分布的控制方程[8～11]，如方程1

（1）

其中为电势；为电导率；为电阻率。

从数学上讲满足一个偏微分方程的解很多，必须有特定的边界条件才能得到定解。同样，对于管道阴极保护控制方程的求解也需要设定合理的边界条件。阳极采用电流边界条件，阴极考虑了涂层面电阻和电化学反应，地表面采用法向电流为零。模型中管道直径为0.72 m，管道的长度为200 m，两管道的间距为2 m，管壁厚8 mm，管道埋深为2 m。

2 结果分析与讨论

当今文献中对杂散电流对阴极保护的研究已有不少，但是美中不足的是没有提出衡量干扰强度的物理量。因而也就无法定量化干扰强度，同样也不能给出定量化的防止干扰的理论。经过深入分析，我们定义了干扰强度量。物理意义为当只存在一个管道时管道电势与两个管道共同存在时管道电势之差与只存在一个管道时管道电势比值的绝对值。

其中，分别为只存在管道1或管道2时管道表面的ON电势，，分别为存在两管道时管道1，2表面的极化电势。

计算结果表明，随着电阻率的增加，管道ON电势越负，这主要是增加了阴极保护回路的欧姆压降。土壤电阻率越大，干扰强度越大。这主要是因为土壤电阻率越大，电流在土壤中的流动引起的欧姆压降越大，而管道的电阻率极低。因而阳极发出的电流首先选择电阻最小的路径，因此部分电流先进入非联合管道，然后沿着管道流到某部位再离开管道，流向被保护管道。土壤电阻率越大，电流流入非联合管道的动力就越大。

从计算结果可以看出随着涂层面电阻的增加，管道ON电势更负，这主要是增加了电流流经涂层所引起的欧姆压降。涂层面电阻越大，干扰强度越小。这也就是说明涂层面电阻越大防干扰能力越强。为了减小电流在土壤中流动所产生的欧姆压降（IR），电流先从非联合保护管道的一个部位流入，然后沿着管线流到某部位离开管线进入土壤，最后流到保护管道。一般管道有保护涂层，而保护涂层的面电阻很大。电流进出管道所引进的欧姆压降越大，因而保护层面电阻越大，干扰越小。

从计算结果可以看出可以看出随着两管道间距的增加，管道ON电势越正，更接近单管时的ON电势。这主要是随着两管道间距的增加，两管道相互干扰的强度减小。一个极端的例子如果两管道相距足够远，那么他们之间就不会有干扰。因而干扰强度也随着两管道距离的增加而降低。

3 结论

本文首先建立了并行管道的数值模型，然后分析了土壤电阻率、管道涂层面电阻、两管道间距对并行敷设管道阴极保护干扰的影响。通过分析得出如下结论。

（1）土壤电阻率越大，干扰越严重。

（2）管道涂层面电阻越小，干扰越严重。

（3）两管道间距越小，干扰越严重。

参考文献

[1] 宋武成.天然气与中国能源[J].石油化工技术经济，2002，18（1）：7-13.

[2] 代以斌，孙春良，单蕾，等.长输油气管道并行敷设阴极保护防干扰分析[J].石油与天然气化工，2010，39（6）：557-560.

[3] 邱枫，徐乃欣.用带状牺牲阳极对埋地钢管实施阴极保护时的电位和电流分布[J].中国腐蚀与防护学报，1997，17（2）：106-110.

[4] 杜艳霞，张国忠.储罐底板外侧阴极保护电位分布的数值模拟[J].中国腐蚀与防护学报，2007，26（6）：346-350.

[5] 杜艳霞，张国忠.土壤电阻率对罐底外侧阴极保护电位分布的影响[J].石油化工高等学校学报，2007，20（1）：81-84.

[6] 王向农.阴极保护进入数值模拟时代[J].防腐保温技术，2011）1）：32-33.

[7] ADEY R，BAYNHAM puter Simulation as an aid to CP System Design and Interference Prediction；proceedings of the Proceedings of the CEOCOR 2000 conference，Brussels，Belgium，F，2000[C].

[8] 孙吉星.海洋结构物阴极保护优化模型及数值计算[D].中国海洋大学，2006.

[9] 邵守斌.基于数值模拟区域阴极保护优化设计研究[J].防腐保温技术，2010（3）：51-57.