摘 要：為了研究土壤電阻率、涂層面電阻、管道間距對(duì)并行管道陰極保護(hù)干擾的影響，建立了并行管道陰極保護(hù)數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析得出：土壤電阻率越大，干擾越嚴(yán)重。管道涂層面電阻越小，干擾越嚴(yán)重。兩管道間距越小，干擾越嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：陰極保護(hù) 數(shù)值模擬 并行管道 干擾分析

中圖分類號(hào)：TG174.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0068-01

我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主要能源的國(guó)家之一，然而煤炭的使用嚴(yán)重的污染了人類賴以生存的環(huán)境。作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源，天然氣在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)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(shè)，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)迎來(lái)了一個(gè)空前的高峰期。近年來(lái)長(zhǎng)輸油氣管道的大規(guī)模建設(shè)導(dǎo)致管道并行敷設(shè)情況也逐漸增多，并行敷設(shè)導(dǎo)致管道陰極保護(hù)相互干擾嚴(yán)重，甚至在管道局部出現(xiàn)過(guò)保護(hù)或欠保護(hù)情況[2]。

如果使用實(shí)驗(yàn)方法研究各主要因素對(duì)并行管道干擾規(guī)律的影響，這必將花費(fèi)大量的人力、物力。然而數(shù)值模擬方法卻可以很容易的通過(guò)建立并行管道陰極保護(hù)的數(shù)值模型，分析各主要因素對(duì)并行管道干擾規(guī)律的影響。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用數(shù)值計(jì)算方法解決了大量陰極保護(hù)的重要問(wèn)題[3～5]，且Jacques Parlongue發(fā)表了一篇名為《陰極保護(hù)進(jìn)入數(shù)值模擬時(shí)代》的論文[6，7]。顯然數(shù)值模擬方法已成為一種研究陰極保護(hù)的重要方法。本文利用COMSOL建立并行管道的數(shù)學(xué)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(duì)并行敷設(shè)管道干擾強(qiáng)度的影響。

1 控制方程及邊界設(shè)置

國(guó)內(nèi)外對(duì)陰極保護(hù)體系電位分布的數(shù)值研究，大多數(shù)采用拉普拉斯方程為電勢(shì)分布的控制方程[8～11]，如方程1

（1）

其中為電勢(shì)；為電導(dǎo)率；為電阻率。

從數(shù)學(xué)上講滿足一個(gè)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(duì)于管道陰極保護(hù)控制方程的求解也需要設(shè)定合理的邊界條件。陽(yáng)極采用電流邊界條件，陰極考慮了涂層面電阻和電化學(xué)反應(yīng)，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(zhǎng)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(jié)果分析與討論

當(dāng)今文獻(xiàn)中對(duì)雜散電流對(duì)陰極保護(hù)的研究已有不少，但是美中不足的是沒(méi)有提出衡量干擾強(qiáng)度的物理量。因而也就無(wú)法定量化干擾強(qiáng)度，同樣也不能給出定量化的防止干擾的理論。經(jīng)過(guò)深入分析，我們定義了干擾強(qiáng)度量。物理意義為當(dāng)只存在一個(gè)管道時(shí)管道電勢(shì)與兩個(gè)管道共同存在時(shí)管道電勢(shì)之差與只存在一個(gè)管道時(shí)管道電勢(shì)比值的絕對(duì)值。

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

計(jì)算結(jié)果表明，隨著電阻率的增加，管道ON電勢(shì)越負(fù)，這主要是增加了陰極保護(hù)回路的歐姆壓降。土壤電阻率越大，干擾強(qiáng)度越大。這主要是因?yàn)橥寥离娮杪试酱?，電流在土壤中的流?dòng)引起的歐姆壓降越大，而管道的電阻率極低。因而陽(yáng)極發(fā)出的電流首先選擇電阻最小的路徑，因此部分電流先進(jìn)入非聯(lián)合管道，然后沿著管道流到某部位再離開管道，流向被保護(hù)管道。土壤電阻率越大，電流流入非聯(lián)合管道的動(dòng)力就越大。

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

從計(jì)算結(jié)果可以看出可以看出隨著兩管道間距的增加，管道ON電勢(shì)越正，更接近單管時(shí)的ON電勢(shì)。這主要是隨著兩管道間距的增加，兩管道相互干擾的強(qiáng)度減小。一個(gè)極端的例子如果兩管道相距足夠遠(yuǎn)，那么他們之間就不會(huì)有干擾。因而干擾強(qiáng)度也隨著兩管道距離的增加而降低。

3 結(jié)論

本文首先建立了并行管道的數(shù)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(duì)并行敷設(shè)管道陰極保護(hù)干擾的影響。通過(guò)分析得出如下結(jié)論。

（1）土壤電阻率越大，干擾越嚴(yán)重。

（2）管道涂層面電阻越小，干擾越嚴(yán)重。

（3）兩管道間距越小，干擾越嚴(yán)重。

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