由于管網(wǎng)越來越密，管道經(jīng)營方正面對日益加劇的直流干擾問題。而且，在越來越復雜的公用工程管廊內(nèi)，對交流電腐蝕的影響也有許多爭論。

　　管網(wǎng)與儲罐的陰極保護系統(tǒng)涉及越來越復雜的技術問題，新技術標準要求在設計階段采用建模技術，如荷蘭NPR2760-1991“De wederzijdse beïnvloeding van buisleidingen en hoogspan nings-verbindingen”(管道與高壓輸電線路的相互影響)標準，要求減緩交流電對管道的腐蝕影響。

圖注：陰極保護中的數(shù)值模擬應用

　　隨著管道外腐蝕直接評價(ECDA)技術的發(fā)展以及管道完整性管理數(shù)據(jù)庫的標準化，管道經(jīng)營企業(yè)的經(jīng)理們期待開發(fā)出計算機模擬工具，幫助優(yōu)化管道腐蝕的調(diào)查和維護方案。

　　目前，數(shù)值模擬技術的發(fā)展已經(jīng)完全有能力建立起復雜干擾條件下陰極保護系統(tǒng)的電化學特性的數(shù)學模型。

　　應用

　　對于任何工程應用，模擬模型加快了優(yōu)化設計和方案評價的過程。技術還在不斷發(fā)展中，當現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與模擬模型緊密聯(lián)系時，可以達到最大的效果，最終優(yōu)化了管道系統(tǒng)完整性管理工作。在管道和儲罐陰極保護方面的實際用途包括：

　　在設計階段，模擬模型的應用取決于設施配置的復雜程度以及適用的標準。模型類型的選擇在很大程度上與采集數(shù)據(jù)的類型和質(zhì)量有密切的關系。唯有先進的邊界元方法(BEM)模型和有限元方法(FEM)模型才能夠通過確定消除IR降的電位來優(yōu)化陰極保護系統(tǒng)的設計。

　　為了減緩直流電與交流電的影響，模擬模型要顯示鄰近部件干擾的詳細調(diào)查結(jié)果。直流電與交流電干擾都能夠建立模型，并采取優(yōu)化減緩措施。

　　對于現(xiàn)場調(diào)查，在直流電位梯度(DCVG)活動的預評價階段要采用子網(wǎng)絡模型。有此模型可以進行現(xiàn)場調(diào)查的虛擬規(guī)劃，并且有助于確定整流器最佳干擾方案等。

　　對于管道的完整性管理，能夠建立起完整的管道網(wǎng)絡的模型，并且輸入管道外腐蝕直接評價(ECDA)數(shù)據(jù)。然后，用此模型能夠作為直接評價信息與通電電位的連續(xù)監(jiān)測兩者的連接。當所監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化時，此模擬模型能夠查明根本原因以及它們對管道完整性的影響，從而成為優(yōu)化維護方案的強大工具。

　　應用

　　最基本的陰極保護系統(tǒng)包括一個陰極(受保護的構(gòu)筑物)、一個陽極(其保護陰極)、一種電解質(zhì)(土壤)，以及陰極與陽極之間的金屬連接通道。對于管道網(wǎng)絡，沿著管道的這些參數(shù)是變化的。

　　設計管道網(wǎng)絡的陰極保護系統(tǒng)時，目的要獲得管地電位或者整個構(gòu)筑物上的IR降的電位，其比某些最小保護電位準則更負。

　　按照標準，相對于硫酸銅參比電極(CSE)，這個最小保護電位準則取-0.85V，硫酸銅參比電極應直接放在管道附近，以降低土壤中以及防腐層上的IR降。然而，實際上，由于構(gòu)筑物的隱蔽特點，通常不可能將參比電極直接放在管道附近。代之以將參比電極放在地面上，但在構(gòu)筑物的正上方，顯然這樣能夠產(chǎn)生較大的IR降誤差。

　　因為模擬模型對現(xiàn)場測量沒有實際限制，所以能夠計算出“真正的”無IR降電位，并與遠地的通電電位與斷電電位進行比較。

　　模擬的精確性總是取決于輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量。管道網(wǎng)絡或者儲罐構(gòu)筑物的幾何形狀是最直接的輸入?yún)?shù)。儲罐構(gòu)筑物的計算機輔助設計(CAD)文檔輸入和管道網(wǎng)絡的橫麥卡托投影坐標系統(tǒng)(UTM)格式化數(shù)據(jù)(通常為GIS地理信息系統(tǒng)的一部分)都是當今通常可以獲得的信息，并且能夠自動輸入模擬工具。

　　巖土數(shù)據(jù)包括沿線地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)和通過土壤取樣分析(DIN 50929標準第3部分)獲得的土壤電阻率數(shù)據(jù)。根據(jù)管道的位置和延伸狀況，會有很大變化。此外，季節(jié)性的變化(如永凍土周期)對土壤電阻率數(shù)據(jù)也有很大影響。

　　構(gòu)筑物和管道材料特征，包括防腐層在內(nèi)，都將決定求解程序采用什么極化曲線。這些數(shù)據(jù)已經(jīng)制成表格，并且很容易獲得大多數(shù)材料數(shù)據(jù)。對現(xiàn)有的管道網(wǎng)絡，需要進行直流電壓梯度(DCVG)測量這樣的現(xiàn)場調(diào)查，對防腐層的性能退化狀況進行評價。

　　對于精確建立陰極保護系統(tǒng)模型，直流電干擾與交流電干擾都是重要的影響因素。直流電干擾可能來自第三方陰極保護系統(tǒng)、壓縮機站、鐵路網(wǎng)絡和大地電流。交流電對管道的干擾可能是臨近的高壓交流輸電線路產(chǎn)生的感應影響。

　　技術

　　陰極保護數(shù)學模型的支配方程源自歐姆定律和拉普拉斯方程。歐姆定律把電流密度與電場關聯(lián)起來，拉普拉斯方程在電位分布中考慮到土壤和材料電阻率。

　　管道工業(yè)在用的一種標準模型叫做衰減模型。此模型忽略了土壤電阻率與管道的極化作用，并且假設始終如一的防腐層電阻。此模型提供的信息局限于管道對遠地電位。該模型需要的有限輸入使它只能作為陰極保護系統(tǒng)配置的預評價工具。

　　更為先進的模型并不忽略土壤電阻率在域內(nèi)的影響，因此需要空間離散化。雖然存在組合技術，但是可以說，取決于與三維離散化方法的兩種主要趨勢是：

　　1. 在邊界元方法(BEM)中，僅僅幾何體的外表面被離散化。用這種方法能夠建立大型網(wǎng)絡及有恒定電阻率的環(huán)境(如海水)的模型。過去，人們已經(jīng)開發(fā)了邊界元方法(BEM)模型，用于優(yōu)化海洋船舶船殼的陰極保護系統(tǒng)。這種方法的局限性在于很難非常詳細地獲得復雜的三維形狀。

　　2. 在有限元方法(FEM)中，執(zhí)行整個域的離散化，在所有空間點中，考慮到電阻率的變化。標準方法已經(jīng)廣泛用于機械設計，它的信息更加密集，但靈活性更大，能夠用它處理復雜的幾何形狀。

　　管道經(jīng)營企業(yè)把模擬技術引入他們的設計和資產(chǎn)管理過程時，既需要關注輸入?yún)?shù)的質(zhì)量，也需要根據(jù)目標輸出，精心選擇建模方法。

 

責任編輯：田雙

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