阴极保护

第1章阴极保护研究现状1.1 研究背景及意义随着我国管道建设并行及交叉情况的不断增加，多路阴极保护系统间干扰问题不断的暴露出来，再考虑到这类干扰数量大、难发现、安全隐患大等特点，有必要开展并行及交叉管道阴极保护系统间干扰相关技术研究。

在研究手段上，阴极保护数值模拟技术的发展为研究上述干扰问题提供了一个有效的技术手段，已经具备了定量研究防腐层性能、阴极保护电位、土壤电阻率、阳极地床间距、防腐层漏点分布等因素与干扰程度之间关系的能力，并在此基础上建立有关多路阴极保护系统干扰程度评断、检测方法、缓解措施的技术规范和标准，确保油气管道安全平稳高效运行。

多路阴极保护系统间干扰主要特点有：干扰点数量大、常规检测难发现和安全隐患大。

干扰点数量大的原因源于干扰的形式多样性。

首先，各管道独立的阴极保护系统将会大大增加管道线路上阳极地床的分布密度，受干扰的管道每经过一次地床附近将会在地床附近强电场作用下强制吸收电流，并在远离地床的交叉点或防腐层缺陷点释放所吸收的电流，产生腐蚀区或孔烛；其次，各条管道防腐层性能、阴极保护电位和土壤电阻率等方面的差异很可能会导致在管道交叉点附近一条管道从另外一条管道吸收电流，导致一条管道在一定区域内欠保护，另一条保护电位提高的情况；最后，地床埋设间距不合适将会导致地床之间的强干扰，导致恒电位输出不正常。

预测一条长输并行管道线路来自阴极保护系统间干扰的地方可能多达上百处，这些干扰点因各条管道防腐层性能、阴极保护电位、土壤电阻率、与阳极床间距等因素的不同干扰严重程度各异。

阴极保护常规电位通常是在阴极保护枯处进行测量，测试桩一般间距1公里左右，而阴极保护系统间干扰通常的作用范围在地床或管道交叉点附近百米量级，所以仅靠日常的阴极保护电位测量很难发现这种局部直流干扰。

应该建立针对并行和交叉管道阴极保护系统间干扰评价、检测方法、缓解措施相关的技术规范和标准。

从杂散电流角度讲，多路阴极保护系统之间的干扰属于稳态直流干扰范畴，如果长时间干扰程度严重会对被干扰的管道造成巨大安全隐患，特别是在交叉点附近出现防腐层漏点的情况下，局部腐她速度会剧烈增加。

目前，国内外尚没有有关并行及交叉管道阴极保护系统间干扰的技术规范和标准，相关的研究也比较少。

1.2 国内外埋地管道阴极保护技术现状及发展趋势大多数自然界中的金属都是以化合物的状态存在的。

金属被炼制后赋予了能量，从离子的状态转变成为原子状态，但是，金属回归成为离子的状态是它固有的属性，是自发的。

金属腐烛是指金属和周围电解质发生了化学反应后从原子状态变为离子状态的过程，是金属材料在各种环境作用下发生的破坏和变质。

管道是重要的运输设施，并且是工业生产和民用设施的重要组成部分。

随着我国石油化工产业的迅猛发展以及城市公用设施建设速度的快速提高，管道建设也在飞速的发展。

大多数油气长输管道是埋在地下的，在管道周围的土壤中含有水分、空气、酸、碱和水溶性矿物盐、以及微生物，这些因素都会腐烛金属管道。

因此，管道的腐烛与防护一直是关系到管道可靠性和其使用寿命的关键性因素，所以必须采取相应的措施来防止或降低金属管道的腐烛程度，以保证管道的使用寿命，并减少由于腐烛造成的经济损失。

目前，国内外主要釆用涂层和阴极保护方法来减缓埋地管道的腐烛。

然而事实上，所有的涂层由于其形成过程都难免的会存在缺陷和针孔，因此涂层在缺少阴极保护的时候很少用于地下管道的保护。

阴极保护是国际上公认的防腐烛技术，已有约一百年得历史，广泛应用于地下、水中以及化工介质中的管道、容器、港口码头、船舶、电缆金属护套、混凝土构筑物以及化工设备等诸多领域，尤其是对埋地管道、港口码头和船舶方面，其防腐烛效果显著，在诸多技术中首屈一指，无可替代。

阴极保护技术是通过依靠外加直流电流或者牺牲阳极使被保护的金属构件成为阴极，从而减缓或消除金属构件的腐烛。

阴极保护方法分为两种：一是牺牲阳极保护法，该法是在被保护的金属构筑物上连接一种电位更负的金属或合金作为阳极，使被保护的金属构筑物变成阴极从而得到保护；二是外加直流电源法(外加电流阴极保护法)，该法是通过辅助阳极给被保护的金属构筑物施加恒定的电流，电源的正极与辅助阳极相连接，使阴极发生极化，从而减缓或防止腐烛的发生。

1.3 埋地管道阴极保护数值模拟技术现状随着阴极保护应用领域的不断扩大，并且被保护对象的结构也越来越复杂，因此计算复杂构件上的阴极保护电位分布不能再凭借传统的计算公式来完成。

自20世纪60年代，计算机和现代数值模拟技术得到了广泛的普及和迅猛的发展，因此在阴极保护的设计中采用了数值计算模型，该法既可以计算阴极保护构件上的电位分布也能够计算并优化相关的阳极参数，突显了数值模型研究的重要性。

数值模拟技术是将实际的环境和介质参数用某些特定的参数来进行近似和抽象的数值计算方法，其本质是将被研究体系的固有属性以数学模型的形式进行描述。

埋地管道阴极保护数值模拟的主要任务是通过利用计算机来计算并确定阴极保护的保护方式、阳极参数设置、体系达到稳态时管道上的电位和电流的分布，保护电位和电流随时间发生改变的规律，以及预测各种因素对埋地管道阴极保护电位产生的干扰程度等。

釆用数值模拟方法对偏微分方程求解的过程从本质上讲是一个离散过程，是以有限的未知量的代数方程组为基础来代替连续变量的微分方程及边界条件，因此是一个近似的过程，最后求出节点上的待定函数也是一个近似值，既然是一个近似的过程，肯定存在着模拟的误差，其模拟结果的精度和可靠性取决于被研究体系的数学模型构建是否合理、选取的相关参数与实际吻合程度、以及数值求解方法的选定。

目前，国内外埋地管道阴极保护数值模拟方法主要有：有限差分法、有限元法和边界元法，这几种方法的基本原理及应用现况大致如下。

1.3.1 有限差分法该法的求解偏微分方程的大致过程归纳为：首先对计算域进行网格划分，将宏观的研究体系划分成由局部网络所组成的计算模型，然后再将差分方程应用于每个网格的节点上，计算得到的近似解的精度会随着网格节点的疏密情况而不同，一般情况下，网格节点越多，其得到的近似解精度越高利用有限差分法计算了在装有海泥的槽中被保护海底管道表面的电位分布及其随保护时间的变化。

虽然该法应用到的诸多领域得到的计算结果精度可以保证，但在建立一个整体的三维模型时具有较高的难度一直是该种模拟方法的明显缺点，加之，该法在处理结构的边界曲线时是采用折线来近似代替的，因此难以确保其稳定性和收敛性。

1.3.2 有限元法有限元法(Finite Element Method)是变分原理在差分方法中的应用，该法的出发点是将一个原本复杂的问题简化处理成为简单的问题后再进行求解。

该法的主要特点不仅能得到结构表面上的电位、电流密度信息，而且也可得到某个特定范围内的电位、电流密度分布。

近年来该法广泛应用于计算阴极保护系统的电位分布的计算中，采用了大型有限元计算软件计算了储罐底板外侧阴极保护系统的电位分布，集中研究了土壤电阻率、罐底的极化特性、阳极的埋深等因素对耀底外侧阴极保护电位分布的影响，并将模拟得到的结果与实际测量的结果进行对比，吻合程度较高。

王新华等人采用了大型有限元计算软件ANSYS对强制电流阴极保护管线进行有限元仿真，系统的研究了阴极保护管线及受干扰管线周围空间的电场、电位分布情况以及造成杂散电流的影响因素对电位分布的影响规律。

有限元法的主要优点体现在被研究对象的单元形状可以是多种多样的，具有很大的灵活性和通用性。

但该法的局限性在于，对一个三维几何模型进行有限元划分时需要会大大的增加工作量，而对一个无限问题来说，由于计算域无限远处的边界无法进行设定会降低求解的精度。

1.3.3 边界元法20世纪80年代，边界元法逐步得到了广泛的应用。

该法对阴极保护电位场、腐烛电磁场的处理方法是对边界积分方程通过离散、插值等手段建立关于边界上未知数的方程，通过迭代求矩阵，得出所要求的物理量。

边界元法计算中还将涉及到求解线性或非线性方程组问题。

在处理非线性问题时，一般主要采用两类方法一类是利用一迭代法等方法求解非线性方程组，从而得到金属结构表面的阴极保护电位分布。

边界元法是继有限元法之后迅速发展起来的一种方法，具有只对边界进行离散化的特点，被认为更适用于计算阴极保护等与腐蚀相关的问题，这是由于阴极保护计算通常只关心材料外表面和地表的参数分布情况。

1.4 小结长输管道经过的地域错综复杂，在深海、沙漠等地方，阴极保护电位的获取非常困难。

即使获得了阴极保护电位的数据，从过程来讲费时费力，很不经济。

因此，采用数值模拟的方法，计算管道沿线的电位分布，对于管道日常维护具有重要意义。

众所周知，在进行数值模拟的过程中，单元的划分非常关键。

单元划分太稀疏，会增大误差，划分太密集，会大大加长计算时间。

此外，误差的改进却相当有限。

本工作分析讨论了这一问题，旨在为今后进行数十乃至数百公里长输管道的数值模拟。

第2章埋地管道阴极保护电位的数值模型建立边界元法的管单元法能很好地模拟长输管道的阴极保护电位的分布情况，模拟误差较小。

增加管单元的数目能够改善数值模拟的结果，但是，过多增加管单元数目，经济性会变差，在模拟过程中应恰当的选择管单元数目。

2.1 埋地管道阴极保护系统的参数2.1.1 环境介质的导电性环境介质的电阻率反映了其导电性能的强弱，影响埋地管道金属构件的一个重要因素就是地下环境介质的电阻率，它综合反映了介质含水量、含盐量、质地、松紧度、有机质含量、粘土矿物组成和温度等各种影响钢制管道的腐蚀性因素。

通常情况下，土壤的电阻率有两种方式可以获得，一是现场测试，二是利用现有的阴极保护系统进行估算。

表3-1给出了不同环境下土壤电阻率与土壤腐烛性的关系。

如上表所示，我们可以根据金属构件所处的土壤环境及其腐烛性程度大致判断其电阻率的大小。

2.1.2 辅助阳极基本参数辅助阳极又称阳极接地装置，即阳极地床。

它是外加电流阴极保护系统中一项必不可少的重要组成部分，被保护的金属构件上的保护电流是由电源正极通过辅助阳极送入土壤，再由土壤介质流入到被保护的埋地管道，管道上由于有电流流过，因此在其表面发生了阴极极化，保护电流再由管道流入电源负极形成回路。

这里所述的回路类似于电解池，管道为负极进行还原反应，腐蚀停止，而辅助阳极进行氧化反应，遭受腐蚀。

但实际的阴极保护站上的电能有60%是消耗在辅助阳极的接地电阻上的，因此阳极选材、埋设方式、场所的选择对减少电阻节约电能是至关重要的。

综上所述，阳极材料必须具备较好的导电性能，并且在和地下水或者土壤紧密接触时具有稳定的接地电阻，即便保护电流密度强度较高下，阳极材料表面的极化程度也应该很小，并且阳极材料需要较好的化学稳定性，即便是在恶劣的环境中，其腐烛程度也应该很小，具有良好的机械强度，加工和安装简便，经济划算，来源途径广泛。