强制电流阴极保护管线系统的ANSYS仿真技术研究

０２
４６
８＇Ｏ １２ １４ １６
距离（ｍ）
匿４魄佼值在不同方俄．、业的分布藏线
电匿４可知，在与受干扰管道平行方位上戆毫位处处稠等，随着方位焦度静灌天，距离管遵中点遄 端与远端的电貉差逐渐增大，当方位舞增大捌９００时，电势麓达到最大。这与施加了强制电流阴极保护 的管道对其Ｆ阿的未施加保护的干扰管线所造成的杂散电流腐蚀规律是～敞的，即当两条管线相互平行 敷设时，管线几乎不受杂散电流腐蚀的影响，而当两条管遂交叉成９００穿越时，所受的杂散电流腐蚀最 为严重。
分布曲线，如圈８所示。
４８
４５
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３３ —２ ０ ２ ４
６ ８ １０ １２ １４ １６
பைடு நூலகம்
距葭ｍ）
图８受卡扰管道周闭窄问的Ｉ邑位分布曲线 叮以看出，两条管道间距的变化对未施加阴保的受干扰管线的电场分布影响显著，且随着两条管道
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王新华等：强制电流阴极保护管线系统的ＡＮＳＹＳ仿真技术研究
间距的增大，受干扰管道周围空间的电位值变小。 ３．４土壤电阻率对电场分布的影响
Ｕ莉菁
目前，石油、天然气等资源的输送主要依靠埋地钢质管道来实现，由此而产生的管道腐蚀问题愈来 愈引起人们的普遍关注。由于大地中广泛存在着杂散电流，因杂散电流产生的腐蚀危害是相当严重的， 各国每年因杂散电流腐蚀造成的经济损失都非常巨大，而且腐蚀产物严重污染了环境。因此，如何有效 防止杂散电流腐蚀是管道埋设、管道防护层设计时必须解决的问题。为防止管线腐蚀，目前越来越多的 埋地管线采用了强制电流阴极保护措施，从而使因强制电流阴极保护管线系统产生杂散电流的倾向也越 来越火。由于杂散电流腐蚀的长期性及复杂性，使得通过试验研究杂散电流存在一定的困难。借助 ＡＮＳＹＳ软件的电磁仿真功能，模拟强制电流阴极保护管线系统产生杂散电流的原因，并对影响杂散电 流大小的因素进行仿真分析，便于系统直观地了解强制电流阴极保护管线系统产生杂散电流的情况及对 周围埋设管线的干扰规律，以有利于强制电流阴极保护管线系统的可靠设计与科学维护，并为杂散电流 的腐蚀防护技术提供一定的理论依据。
由图１所示的模型，通过Ｆ述方法可计算出有阴极保护的管线在大地中产生的电势。
对于受阴极保护的管线
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ｄＱ＝ｎｑｖｄｔ
（５）
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《腐蚀与防护》
ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ＆ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ
式中，，为管中电流，Ｑ为电量，ｎ为单位截面中电子个数，ｇ为单个电子电量， ｖ为电子运动速度。
２所示。
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图２埋地管道的ＡＮＳＹＳ电场分析模型
３ ＡＮＳＹＳ仿真分析
３．１ 施加阴极保护管道周围空间不同方位上的电位分布 依据图２所示的电场分析模型，建立ＡＮＳＹＳ有限元模型：选取Ｓｏｌｉｄ２３１单元ＡＮＳＹＳ电场分析单
元；对管子和十壤设置电阻率和介电常数大小，选取管道材料属性为Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｎｕｍｂｅｒｌ、介电常 数Ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ为１×１０ ７、电阻率Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ为４×１０１ Ｑ·ｍ，选取土壤材料属性为Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｎｕｍｂｅｒ２、 介电常数Ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ为８０，电阻率Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ为５０；立方体下表面模拟大地地下无限远处，其电压约 束值为０；在有阴极保护管线的左侧端施加２０Ａ的电流密度。
第２９卷增刊 ２００８年５月
《腐蚀与防护》
ＣＯＲＲＯＳｌ０Ｎ＆ＰＲＯＴＥＣＴｌ０Ｎ
强制电流阴极保护管线系统的ＡＮＳＹＳ 仿真技术研究
王新华１陈文斌１何仁洋２何存富１刘菊银１
（１北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京１００１２４；２中国特种设备检测研究院压力管道部，北京１０００１３） 擅要：施加了阴极保护的地下管线会对附近的未施加阴极保护的管线产生杂散电流干扰，这也是形成杂散电流腐蚀的重 要原因之一。由于杂散电流易受到大地中复杂多变环境的影响，通过实验研究较为困难。借助ＡＮＳＹＳ软件的电磁仿真功 能，建立＿广强制电流阴极保护管线系统的有限元电场分析模型，系统研究了阴保管线及受干扰管线周围空间的电场、电 位分布情况以及管道方位、保护电流强度、管线间距、土壤电阻率等因素对电位分布的影响规律。仿真结果与理论分析 相吻合，能够比较准确地反映实际情况。 关键词：阴极保护；电场；杂散电流；强制电流；埋地管线 中圈法分类号：ＴＶ６９８ 文献标识码：Ｂ
‰：ｍ
一 懈铡似｛｝ １ ０ ；，●１ｄＪ』ｊ●４＋＾ －２
代入相关数据褥：Ｒ＝７．４８９ｘ１０缶Ｑ／ｍ； ２Ｌ＝６２。９８ｍ≈６３ｍ
强篱ｌ电流阴极保护系统黪保护毫流计舞公式为
２Ｉｏ＝２：ｃＤＪ．Ｌ
（３）
式中，，０为单侧保护电流（Ａ）。
代入相关数据缛： 如一１１。８７５Ａ≈１２Ａ
圜蓝，可褥傺护电流大小为２ Ｉｏ＝２４ Ａ
２．２强制电流阴极保护管线产生的电势分布
强制电流阴极保护系统的保护管线长度计算公式为
肚旆厮 ２Ｌ＝
乃（Ｄ７一万）万
㈤ ｆ¨
式中，￡为攀德僳护长发，蕊；Ａ圪为最大保护电位与最小保护电位之差，Ｖ；Ｄ为管遴外径，ｍ；Ｊ。 为保护电流密度，鼬，ｍ２；Ｒ为单位长度管道的纵向电阻，Ｑ／ｍ；成为钢管电阻率，Ｑ·ｍｍ２／ｍ；Ｄ７为 管道外径，ｒａｉｎ；６为管道魅厚（１１１】ｍ）。
因此，管线上电荷的线密度为
五：叼：一Ｉ
（６）
Ｖ
管线周围产生的电场强度为
Ｅ：一土
（７）
２ｒＣｅｏｒ
式中，矗为介电常数，，．为空间所在位置距离管线轴线的距离。
由电势定义，可得 ｕ：ｆ龟础：ｆ龟一与：』Ｌｌｎ ｒ＋ｃ
（８）
ｏｒ
ｏｒ
２死ｅｏｒ
２：ｒｏｅｏ
式中， ％为零电势点的位置，ｃ为与零电势参考点有关的常数。 可见，随着离管线轴线距离的增大以及受保护管线中电流密度的增大，管线周围空间的电势增大，
图９管道垂直交叉时不同土壤电阻率下的电位云图
在阴保管线正下方２ｍ处选取与受干扰管线轴线相平行的～条路径，计算该路径上的电位值，得到
不同土壤电阻率下阴保管线周围空间的电位分布曲线，如图ｌＯ所示。
９Ｏ ８０ ７Ｏ ６０ ５Ｏ 一色埘越 ４ ０ ３Ｏ
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一
一 一 一 一｜ｆ
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２Ｏ
由图６叮知，随着保护电流的增人，阴保管道周嗣空间的电位增人，且距离管道最邋的中间区域电
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位值最人，随着管道距离向两边的延伸，电位值逐渐变小。可见，保护电流的人小对阴保管道周围空间 的电位分布影响较大。
（ａ）保护电流ＩＯＡ
电势大小与ｌｎ ｒ及受保护管线中电流密度九成正比。
２．３ ＡＮＳＹＳ电场分析模型的建立
在土壤中埋设两根钢质管道，管道直径均为０．６ｍ、长度为１５ｍ，一根管予埋于距离地面３ｍ深处，
另外一根管道埋于上一管道Ｆ数米处，并与其成一定角度。对上面的管道施加几十安培的电流，通过建
立有限元模型，对该管道周围空间的电场分布进行分析，并研究位于其下未施加电流的干扰管道在该电 场作用下的电位分布情况。为了简化分析，将管道假设为实心圆柱体，模拟土壤环境的区域为１５ｍＸ １５ｍ ×１５ｍ的正方形区域，两管道轴线相距数米，呈一定角度放置，建立的ＡＮＳＹＳ有限元分析模型，如图
基金项目：国家“ｆＪ一五”科技支撑计划课题（项目编号：２００６ＢＡＫ０２８０１）：国家质量技术监督检验检疫总局公益行业科 研专项项日（项目编吁：１０—５０）。 作者简介：ｌｉ新华（１９６９一），剐教授，主要从事流体传动垮控制技术、机电伺服驱动技术、埋地压力管道榆测技术研究。 ０１０．６７３９６２１４（ｏ）：ｗｘｈｅｍｍａ２００５＠１６３．ｃｏｍ：北京市朝阳区ｉｌ‘乐同１００号，北京丁业大学机电学院，１０００２２。
限元分析模型时，应首先计算阴极保护系统的保护电流大小。选取受阴极保护的管孑型号为ＤＮ６００，即 管子外径Ｄ＝６００ｍｍ，管壁厚８＝１２ｍｍ；土壤电阻率为２５．４７ Ｑ·ｍ，管道材质采用高强钢，外壁采用环 氧煤沥青涂层，。依据埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范１３ｌ，选取相关计算参数：自然电位为 ．０，５５Ｖ，最小保护电位为．０。８５Ｖ，最大保护电位为一ｌ。２５Ｖ，环氧煤沥青涂艨电阻为５０００ Ｑ·难２，保护电 流密度为１００ ｌａ Ａ／ｍ２、管道电阻率为０．１６６ Ｑ·衄船’ｍ。
（ｂ）保护电流２０Ａ
（Ｃ）保护电流３０Ａ
图５管道垂直交叉时不同保护电流下的电位分布
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图６阴保管道周刖空问的电位分布曲线
３。３两管遵润的距离变亿对电场分布的影响 两条管道交叉成９００放置，且未施加阴极僳护的受干扰管线位子阴僳管道下面，对阴僳管道施加２０Ａ
（ａ）电位云图
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（ｂ）电场云图
（ｃ） 电场线分布图
（ｄ） 电流密度图
圈３管道平彳ｊ二放鬣时，阴保管道周嗣空间的电场分椎
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阴极保护电流，土壤电阻率取５０ Ｑ·１ＴＩ。当两管道轴线间的避直距离分别取２ｍ、３ｍ、４ｍ时，得到施 加阴极保护管道周围空间的电场分布在不同管线间距处的仿真结果，如图７所示。
（ａ）管线间距２ｍ
Ｃｏ）管线间距３ｍ
（ｅ）管线间距４ｍ
图７管道垂成交叉时不同管线间距处的电场云图
在受干扰管道Ｆ方ｌｍ处选取一条与其轴线平行的路径，随着阴保管道与受干扰管道獯直间距的变 化，共得到３条路径。分别计算３条路径上躲电位值，得到不圈管线间距处受干扰管道周曝空闻的电位
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位梯度产生杂散电流的原理示意图口ｌ。
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图ｌ 由施加阴极保护管线的电位梯度产生的杂散电流
２ ＡＮＳＹＳ有限元模型的建立
２．１保护魍流强度的计算 对采用强制电流阴极保护的管线系统，为使仿真结果畿够真实地反映实际状况，在建立ＡＮＳＹＳ有
３．２保护毫流大小对奄蜗分布及未藏加隰极保护管道麓影晌 两条管道交叉成９００放鬣，且未施加阴极保护的受干扰管线位于阴保暂道下３米处，分别对阴保管
道施加１０Ａ、２０Ａ和３０Ａ的保护电流，士壤电阻率取５０Ｑ·ｍ，从而得到施加阴极保护管道周围空间在 不同保护电流Ｆ麓电场分布待真绻票，如圈５所示。选取潞径与未施加瞬极保护麓干扰管线轴线穗重合， 针对每一镰护电流，计算路径上各点鹣电位蕊，得簧鬻镙管道震嗣窒霾在不弱僳护电流下麴逛织分布惑 线，如图６所示。
１有阴极保护管线杂散电流的产生
杂散电流容易受到周围士壤环境中各种因素的影响，且产生杂散电流的原因很复杂，但通常认为是 由于泄漏电流和电位梯度引起的…。电流泄露主要是由于电力输送设备的接触或者绝缘不好等原因造成 的，一旦产生电流泄露，就会导致金属结构物的自由电子发生定向移动，从而造成电子与金属阳离子的 分离，引发金属构件的腐蚀，即杂散电流腐蚀。由电位梯度产生的杂散电流，通常是由于埋设管线附近 埋有施加阴极保护的管线，它会在周嗣空间形成电场，并在受干扰管线中感应出电势差，从而产生杂散 电流。如果受干扰管线的阳极区存在破损点，就会产生阳极电蚀。图ｌ所示为施加阴极保护的管线因电
当两根管道平行放置时，得到施加阴极保护电流管道周围空间的电场分布仿真结果，如图３所示。 仿真结果表明，云图及欠越图的分布规律与理论值的变化趋势一致。为得到阴保管道周围空间不同
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王新华等：强制电流阴极保护管线系统的ＡＮＳＹＳ仿真技术研究
方位上的电位分布情况，在施加阴保管道下方２ｍ处设鹫…条路径，使其所在的直线与阴保管道轴线平 行，并使该路径在其所在的水平蔼肉绕其中点旋转两次，从丽褥裂３条路径，分裂与窝保管道辜垂线呈扩、 ４５０帮９００。计算３条路径上的电位彳壹，得剽上述３个方毹．上的电位分布鞠线，如图４薪示。
两条管线交叉成９００－敷 ，且两管道轴线间的垂直距离为３ｍ，施加的阴极保护电流为２０Ａ，土壤电 阻率Ｐ。分别取１０Ｑ·ｍ、５０ Ｑ·ｍ、１００ Ｑ·ｍ，得到施加阴极保护管道周围空间在不同土壤电阻率下的电场 分布仿真结果，如图９所示。
（ａ）ｐ ｅ＝１０Ｑ’ｍ
００）ｐｃ＿５０Ｑ‘ｍ
（ｃ）ｐ。＝１００ｔ２一ｍ