管道阴极保护数值模拟实验_张丰

对室外环道接地极排负实验的 3 种施工方案进行了数值模拟计算，优选出最佳方案。
关键词： 阴极保护；数值模拟；管道
中图分类号：TE8
文献标识码：A
文章编号：1004 － 9614（2014）01 － 0042 － 03
Experiment Study on Numerical Simulation of Pipeline Cathodic Protection
0 引言 数值模拟技术在阴极保护领域的应用使得复杂
环境下阴极保护效果的预测和低成本分析研究成为 可能。与传统方法相比，该技术在管道和站场阴极保 护各种影响因素的干扰趋势和规律研究方面具有优 势，同 时 可 用 于 阳 极 位 置 优 化、阴 极 保 护 效 果 的 预 测 和全面评价。
目前，有关工作更多地集中在管道站场区域阴极 保护的数值模拟上，此外还进行过的数值模拟研究有 均压线对管道阴极保护的影响、储罐阴极保护罐底 IＲ 降分析和接地分流效应［1］、试片极化电位和管道保护 电位差异［2］以 及 管 道 站 场 与 干 线 多 套 阴 极 保 护 系 统 之间的干扰［3］等。
2014 年 第1 期
Pipeline Technique and Equipment
2014 No. 1
管道阴极保护数值模拟实验
张 丰1 ，王爱菊2 ，赵 君1 ，李秋萍1 ，苏 磊3 ，姜有文1 ，刘文会1
（1． 中油管道科技研究中心，中国石油天然气集团公司油气储运重点实验室，河北廊坊 065000； 2． 中石化管道储运公司聊城输油处，山东聊城 252052；3． 中国石油管道公司中原输油气分公司，山东德州 253000）
道防腐层新旧状态一样，将它们一起电连接进行阴极
保护参数测试。其中一组试验参数为当恒电位仪输
出电压为 2 V 左右、输出电流为 4 mA 左右时，测量右
下方管道的电位均在 － 1. 040 V 左右。从中可以看出
阴极保护回路电阻约为 500 Ω，该数值应是管道防腐
层质量较好造成。
2． 3 极化曲线处理
Company，Liaocheng 252052，China；3． Zhongyuan Oil ＆ Gas Transportation Sub Company， PetroChina Pipeline Company，Dezhou 253000，China）
Abstract：In order to verify the accuracy of numerical simulation software applied to cathodic protection and its interference， the physical models in laboratory and field model have been established． The position of anode in lab can be easily changed to get two kinds of different potential distributions． The constitution of the pipe and grounding system can be changed by cable connecting in the field model． The results of numerical simulations are consistent with the measured data in the experiment． Furthermore， the optimal plan of the grounding system for controlling negative interference has been selected by simulation of the three designed plans． Key words：cathodic protection；numerical simulation；pipeline
搭建的室内管道阴极保护模型电源采用 ZF － 9 恒电位仪，管道尺寸为 Φ33 mm × 1 100 mm，放置在配 有土壤模拟溶液的方形玻璃水槽中，通过改变土壤模 拟溶液的电解质种类和含量控制电导率，实验中采用 雷磁 DDS － 11C 型数字电导率仪测得溶液电导率为 6. 97 × 10 － 2 S / m．
摘要：为了验证数值模拟软件研究埋地管道阴极保护及其干扰相关规律的可行性和准确性，建立
了室内土壤模拟溶液模型和室外埋地环道模型，开展阴极保护实验。其中，室内模型实验通过改变阳
极位置获得了 2 组显著不同的电位分布，而室外环道模型通过电缆连接改变管道和接地系统的电连续
性。采用数值模拟软件进行电位分布计算和验证，其结果与电位测量数据基本一致。进一步通过软件
第1 期
张丰等：管道阴极保护数值模拟实验
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1． 2 极化曲线测量 极化曲线测量采用大尺寸的不锈钢丝网，规格为
920 mm × 250 mm，该阳极作为对电极与管道平行放 置，使管道 获 得 均 匀 的 极 化。 因 此，管 道 表 面 的 电 流 密度可以通过恒电位仪输出电流除以管道面积得出， 从而得到管道的极化曲线。测试过程中，沿管道等间 距放置 4 处参比电极，未监测到明显的电位差异。实 验体系稳定后的自然电位为 － 0. 67 V，以 50 mV 的阶 跃设定恒电位仪给定电位测量稳态极化曲线。测试 过程 中，为 提 高 测 量 精 度，测 量 串 联 到 恒 电 位 仪 的 电 阻箱两端电压和电阻换算成阴极保护电流，实验结束 得出极化曲线如图 1 所示。
图 2 室内管道阴极保护实验数据
1． 4 数值模拟验证 利用数值模拟软件 BEASY CP 建立相同尺寸的模
型，采用之前测得的极化曲线和上述阴极保护实验条
件进行计算，结果显示管道电位在阳极垂直距离最近 处达到最负值，随着离阳极的距离增加而逐渐正移衰 减，符合阴极保护相关规律。而铂阳极处于实验管段 中间位置时的数值模拟电位分布图也符合实验结果 显示的对称规律。在数值模拟模型中建立与阴极保 护实验中 4 处测量位置相应的参考点，计算出相应的 电位值并与实验测量数据进行对比分析发现，相对误 差均小于 5% ，其中铂阳极位于管道左侧的数据如表 1 所示。
ZHANG Feng1 ，WANG Ai-ju2 ，ZHAO Jun1 ，LI Qiu-ping1 ，SU Lei3 ，JIANG You-wen1 ，LIU Wen-hui1
（1． PetroChina Pipeline Ｒ＆D Center，CNPC Key Laboratory of Oil ＆ Gas Storage and Transportation， Langfang 065000，China；2． Liaocheng Oil Transportation Department of Sinopec Pipeline Storage and Transportation
应用． 油气储运，2013（7） ：760 － 763． ［3］ 杜忻洁． 站场区域阴极保护数值模拟技术研究：［学位论
文］． 成都：西南石油大学，2013． ［4］ 滕延平，张丰，赵晋云，等． 杂散电流干扰下管道密间隔电
位检测数据处理方法． 管道技术与设备，2009 （4） ：29 － 31． ［5］ 王双平． 交流电气化铁路对路外管道干扰影响及防护． 管 道技术与设备，2013（3） ：36 － 38． 作者简介：张丰（1981—） ，工程师，主要从事管道腐蚀控制方面
收稿日期：2013 － 08 － 21 收修改稿日期：2013 － 09 － 03
然而，由于现场环境的复杂性和可能存在的外界 未知干扰［4 － 5］，现场检测数据和数值模拟计算结果的 验证较困难。通过搭建室内管道阴极保护模型和室 外环道物理模型开展相关阴极保护和数值模拟实验， 由于测量数据的可靠性和准确性较好，更有利于测试 数据和 模 拟 结 果 相 互 验 证 和 相 关 规 律 对 比 分 析 研 究。 1 室内试验 1． 1 实验介绍
Jan. 2014
的应用案例中得到了广泛的应用。 2． 4 数值模拟验证
以实验环道中埋地管道和阳极地床位置分布建 立数值模拟模型，以数值模拟计算结果吻合之前阴极 保护调试中得到的参数（ 电流输出 4 mA 且电位测试 结果为 － 1. 040 V） 来筛选极化参数；在实验环道调整 恒电位仪输出并测量新的电位数据，再次进行数值模 拟计 算，其 结 果 能 与 新 的 电 位 测 量 数 据 吻 合，则 验 证 了所选极化参数的准确性。以此极化参数进行后续 模拟。 2． 5 接地极排负效果预测
表 1 电位数据对比（ 给定电位 － 1. 0 V，铂阳极位于管道左侧）
测试点
测量值 / mV
模拟结果 / mV
绝对误差 / mV
相对误差 /%
1
－ 995
－ 962
33
3. 3
2
－ 885
－ 853
32
3. 6
3
－ 783
－ 760
23
2. 9
4
－ 756
－ 744
12
1. 6
2 室外实验
2． 1 实验介绍
为更真实地模拟现场的条件，方便开展阴极保护
室外实验研究，搭建了室外环道模型。模型中阴极保
护系统主管道为 2 条长 125 m 且位于底部的东西向平
行管道和 2 条长 84 m 且位于左侧的南北向平行管道，
直径均为 Φ159 mm；还有垂直于南北向平行管道的干
扰管道和斜交叉于东西向平行管道的干扰管道；接地
从图 3 可以看出，在上侧埋设接地极的排负干扰 效果最佳。实际施工中将按接地极埋设在右下部平 行管道上侧进行。 3 结束语
数值模拟计算结果很好地与室内管道阴极保护 模型和室外实验环道的测试数据吻合，验证了数值模 拟计算的准确性。
室外实验环道通过改变阴极保护系统内阴极结
图 3 不同位置接地极排负效果对比
对于新施工的防腐层，在防腐层质量一致时可以
参考挪威船级社标准 DNV ＲP B401《阴极保护设计》
中涂层破损率修正极化曲线，比如ຫໍສະໝຸດ Baidu损率为 1% ，那么
具有该 特 性 的 涂 层 管 钢 的 极 化 电 流 减 小 至 裸 钢 的
1% ，虽然该方法是简单的近似处理，但在 BEASY CP
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Pipeline Technique and Equipment
排流方案预选 3 处排流接地极埋设位置分别在东西向
平行管道的上侧、中间和下侧。阳极地床为 4 根 Φ75
mm × 1. 5 m 的硅铁阳极，位于整个阴极保护系统的北
侧正 中； 实 验 过 程 中，通 过 电 缆 连 接 控 制 连 入 阴 极 保
护系统的电连续性和管道规模。
2. 2 阴极保护实验
由于防腐层是一起施工，因此外部管道和主要管
后期实验方案的困难在于要在施工之前，在 3 处 预选接地极埋设位置中选择最佳方案。优选的依据 是接地极埋设后对于管道阴极保护直流负干扰的减 缓效果。在数值模拟模型中，以待埋设的裸钢接地极 极化特性和较大阴极保护电流进行计算，比较 3 处接 地极埋设位置对实验环道右下部北侧管道管地电位 的减缓效果，计算结果如图 3 所示。
构的组成和连续性，可以开展多种条件下的阴极保护 实验。数值模拟技术能用于辅助室外实验环道阴极 保护系统埋地设施施工方案优选。
参考文献： ［1］ 张丰，陈洪源，李国栋，等． 数值模拟在管道及站场阴极保
护中的应用． 油气储运，2011（3） ：208 － 211． ［2］ 张丰，齐晓忠，金宏，等． 试片断电法在管道阴极保护中的
图 1 室内管道极化曲线数据
1． 3 阴极保护实验 阴极保护实验采用 10 mm × 10 mm 铂阳极模拟实
际长输管道的阳极地床。由于该铂阳极尺寸相对管 道较小，可以获得不均匀的管道电位分布。通过将该 阳极放置在管道的两端或中间等不同位置，还可以得 到不同的管道电位分布。实验过程中，采用 4 个参比 电极分别测量管道从左至右位置为 0 cm、33 cm、77 cm 和 110 cm 等 4 处，实验之前标定 4 个参比电极之 间的差异。2 组控制电位为 － 1. 0 V 的阴极保护实验 的电位测量分布曲线如图 2 所示，图上显示出阳极位 于管道中间时电位分布呈左右对称趋势，与阳极位于 左侧时的持续正移衰减存在明显不同。