【論文精選】埋地鋼質(zhì)燃氣管網(wǎng)地鐵雜散電流腐蝕防護模擬
2021-07-02 11:14:49
作者： 鄭焱文，等 來源： 煤氣與熱力雜志
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2.2 邊界條件的設(shè)置
①陰極邊界（城鎮(zhèn)鋼質(zhì)燃氣管道）
鋼質(zhì)燃氣管道作為被保護對象，設(shè)定其邊界為陰極邊界。埋地鋼質(zhì)管道在土壤中會發(fā)生電化學(xué)極化現(xiàn)象，用數(shù)學(xué)函數(shù)表征為極化曲線，此曲線代表了過電位與電流的函數(shù)關(guān)系。對于測試所得的陰極極化曲線，為了更好地將極化曲線數(shù)據(jù)應(yīng)用于仿真模擬中，提高仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對測試所得極化曲線進行處理，有牛頓迭代法以及分段線性擬合法兩種辦法。相較于牛頓迭代法，使用分段線性擬合法，能使模擬計算結(jié)果較好地收斂，并具有較強的適應(yīng)性［8-10］。
對于有防腐層的管道（老舊燃氣管道，防腐層全部被破壞了，可以認為是沒有防腐層的管道），有2種方法得到邊界條件。一種是通過測試得到涂敷相應(yīng)防腐層鋼片的極化曲線，作為有防腐層管道的陰極邊界條件［11］；另一種是測試得到裸管的極化曲線，參考挪威船級社推薦實施細則DNV-RP-B401《陰極保護設(shè)計》中根據(jù)涂層破損率修正裸管的極化曲線，根據(jù)防腐層面電阻率的值取修正系數(shù)，修正裸管的極化曲線［12-13］。本文依照防腐層面電阻率排序，采用裸管極化曲線按照10％、50%、80%修正后的極化曲線作為管道的邊界條件。
②陽極邊界
a.強制接地排流中的輔助陽極
輔助陽極的邊界條件設(shè)置，可采用陽極極化曲線［14］或恒電流密度［15］。經(jīng)驗證，采取恒電流密度與陽極極化曲線作為邊界條件時，計算相對誤差不足0.1%［16］。為了簡化計算，本文采用恒電流密度作為輔助陽極的邊界條件。
b.犧牲陽極極性接地排流中的犧牲陽極
犧牲陽極的邊界條件，可采用犧牲陽極開路電位或極化曲線。經(jīng)驗證，采用開路電位與極化曲線作為邊界條件時，計算相對誤差為1%，在軟件模擬計算中可忽略不計［16］，本文采用開路電位作為犧牲陽極的邊界條件。
③城市地鐵工程
我國的城市地鐵系統(tǒng)多采用直流牽引供電，列車所需的負載電流由直流牽引變電所提供，通過牽引網(wǎng)送向列車，并通過鋼軌作為牽引電流回路，返回到直流牽引變電所。盡管鋼軌與地面間采取了一系列的絕緣措施，但仍有部分電流由鋼軌流入周邊土壤及埋地燃氣管道中，單邊供電下地鐵對埋地燃氣管道的雜散電流腐蝕見圖1（圖內(nèi)沿鋼軌返回直流牽引變電所的電流未畫出）。直流牽引變電所通常被稱為整流所，整流所一般位于地鐵站內(nèi)。在城市核心區(qū)，相鄰地鐵站距離較近，因此并不是所有地鐵站內(nèi)都設(shè)置了整流所，可根據(jù)片區(qū)管道管地電位以及周邊的地鐵線路分布。可通過設(shè)置兩個電流回流點（點F）作為整流所，一個電流出流點（點A）作為列車行進或停靠點的邊界條件，模擬城市地鐵的運行。
圖1 單邊供電下地鐵對埋地燃氣管道的雜散電流腐蝕
④地面及無窮遠處
地面為空氣與土壤交界處，認為空氣為絕緣體，地面與空氣的接觸面為絕緣面，電流密度為零。在土壤環(huán)境的無窮遠處，認為電流密度為零，電位為零。
3 案例分析
3.1 地鐵線路及燃氣管網(wǎng)分布情況
此管網(wǎng)為某城市核心區(qū)域部分鋼質(zhì)燃氣管網(wǎng)，區(qū)域外圍有4條運行的地鐵線路，燃氣管網(wǎng)和地鐵線路分布見圖2。其中，線路一從地鐵站A之后逐漸偏離此片區(qū)管網(wǎng)，其他地鐵線路對該片區(qū)管網(wǎng)影響較大，與燃氣管道最小距離約為30 m。為了抑制城市地鐵產(chǎn)生的雜散電流對此片區(qū)管網(wǎng)的影響，當(dāng)?shù)厝細夤静扇×私^緣隔離的辦法，將中壓管網(wǎng)與低壓庭院管網(wǎng)隔離，并在部分低壓庭院管網(wǎng)施加了犧牲陽極陰極保護。為了進一步阻止雜散電流的擴散，此區(qū)域的中壓管網(wǎng)在部分管段上設(shè)置絕緣接頭。本文僅對中壓燃氣管網(wǎng)的受干擾和保護措施進行探討。
圖2 某城市核心區(qū)部分中壓燃氣管網(wǎng)及周邊地鐵線路分布截圖
管網(wǎng)覆蓋區(qū)域約為3.5 km×4.5 km，區(qū)域土壤電阻率約30~40 Ω·m，酸堿性為中性，無腐蝕性的細菌，自然腐蝕電位（本文中的電位均為銅/飽和硫酸銅作為參比電極時的電位）為-0.66 V。管道設(shè)計壓力0.4 MPa，操作壓力約0.3 MPa。管道外直徑最小為57 mm，最大為426 mm。管道為無縫鋼管，材質(zhì)為20鋼。管道防腐層有3種，分別為3PE、石油瀝青以及環(huán)氧煤瀝青，均不是連續(xù)分布，測得的防腐層面電阻率見表1，管道外防腐層缺陷未知。
表1 管道防腐層類型及面電阻率
3.2 管網(wǎng)受干擾及預(yù)建立保護情況
燃氣管網(wǎng)受周邊3條地鐵線路的影響，盡管在部分管道安裝了絕緣接頭，阻隔了部分雜散電流的擴散，但部分管道仍受到了較大干擾。選取合適的位置建立1座臨時深井陽極保護站，探究強制接地排流措施對管網(wǎng)受干擾情況的影響。當(dāng)管道受到干擾嚴(yán)重時，深井陽極保護站的接地排流作用大于強制電流陰極保護作用；當(dāng)受到干擾較小時，深井陽極保護站的強制電流陰極保護作用大于接地排流作用。本文探究的是強干擾情況下管道的腐蝕防護情況，因此下文將圖中標(biāo)注的深井陽極保護站稱為強制接地排流站。該強制接地排流站最大輸出電壓為50 V，最大輸出電流為60 A。使用兩個深度為100 m，陽極體長為40 m，直徑為0.42 m，陽極材質(zhì)為MMO（混合金屬氧化物）的深井。按恒電流輸出模式輸出，強制接地排流站輸出的電流為35 A。強制接地排流站，對于受到雜散電流干擾較強的管段，能起到強制接地排流的作用；對于無雜散電流干擾的管段，能起到陰極保護的作用。
3.3 模型的建立及邊界條件的設(shè)置
根據(jù)圖2并對部分管道進行簡化，采用COMSOL Multiphysics多物理場軟件建立了仿真模型。先將測試所得的裸管極化曲線分段擬合（見圖3），然后根據(jù)防腐層情況進行修正后作為埋地鋼質(zhì)管道的邊界條件。此片區(qū)中的管道防腐層有3種類型，按照防腐層面電阻率大小排序，通過模擬，將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比吻合時采用的修正系數(shù)作為最終修正系數(shù)，進行裸管極化曲線的修正。本文采用80%、50%、10%修正后的極化曲線作為3種防腐層管道的邊界條件。
圖3 裸管極化曲線分段擬合
根據(jù)強制接地排流站與管網(wǎng)的相對位置，設(shè)置邊界條件，深井陽極陽極體長40 m，直徑0.42 m，埋深為100 m，陽極體上下位置共有10 m的填充材料，根據(jù)輸出總電流，設(shè)置其邊界條件為電流密度0.265 A/m2。將后續(xù)防護措施優(yōu)化部分用到的鎂陽極極性接地排流裝置邊界條件設(shè)置為埋深2.2m，長度為1 m，電位為-1 749 mV。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及資料，圖2中的地鐵站A、C、E、G、J為整流所，將擁有整流所的地鐵站設(shè)置為電流回流點，將無整流所的地鐵站設(shè)置為出流點。由于土壤條件以及列車運行情況的影響，隨著列車的加減速及周邊土壤環(huán)境的不同，泄漏到土壤中的電流不能確定，這里將泄漏到土壤的電流分別設(shè)置為2 A、5 A、10 A，以模擬評估城市地鐵線路產(chǎn)生的雜散電流干擾對此片區(qū)管網(wǎng)的影響。
4 結(jié)果及討論
4.1 強制接地排流下的管網(wǎng)受干擾情況
根據(jù)管網(wǎng)受干擾及強制接地排流站的運行現(xiàn)狀進行仿真模擬。為了驗證模擬的準(zhǔn)確性，將10 A干擾強度下的測試樁實測管地電位與模擬電位相比較，結(jié)果見表2。由表2可知，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)有較好的吻合性，證明了模擬方法和模擬結(jié)果具有可靠性。
表2 測試樁實測電位與模擬電位對比
有、無強制接地排流措施下的管網(wǎng)管地電位分布見圖4（圖4中所有圖的色標(biāo)相同，見圖4d，色標(biāo)旁數(shù)值相應(yīng)的單位為V）。如圖4a、4b所示，電流干擾強度為2 A，無強制接地排流時，管網(wǎng)管地電位為-0.88～0.39 V，片區(qū)管道的自然腐蝕電位為-0.66 V，管地電位正向偏移大于GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5.0.2條所述的100 mV，說明部分管道受到了強烈的雜散電流干擾，應(yīng)采取防護措施。當(dāng)施加強制接地排流后，此片區(qū)管網(wǎng)的管地電位分布為-3.05～-0.21 V，除部分距整流所較近的管段仍有正向偏移外，大部分管道管地電位負于-0.85V。
圖4 有、無強制接地排流措施下的管網(wǎng)管地電位分布
如圖4c、4d所示，當(dāng)電流干擾強度為10 A時，在無強制接地排流時，管地電位分布為-1.61～4.57 V，部分管地電位正向偏移遠遠大于100 mV，說明管網(wǎng)受到的雜散電流干擾十分強烈。當(dāng)施加強制接地排流后，此片區(qū)管網(wǎng)的管地電位分布為-2.72～3.62 V，減小受干擾較大管段管地電位正向偏移的同時，會使部分管段管地電位負向偏移過大，進而產(chǎn)生氫脆、防腐層剝離等現(xiàn)象。
有、無強制接地排流措施下部分管道管地電位見圖5。圖5a、5b是位于此片區(qū)管網(wǎng)中部的一段管道的管地電位，此管段與強制接地排流站距離1 500 m左右，本文將此管段稱為中部管段，分布位置見圖2。當(dāng)電流干擾強度為10 A時，強制接地排流效果明顯，與無強制接地排流相比，管地電位最大值從0.28V下降至-0.615 V，相較于自然腐蝕電位（-0.66 V）僅正向偏移45 mV，管道中的雜散電流干擾引起的管道腐蝕已經(jīng)得到了明顯抑制；在電流干擾強度為5A、2 A時，有強制接地排流時，此管段基本滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》第4.4.2和4.4.3條規(guī)定的管地電位小于-0.85 V、大于-1.2 V的要求。
圖5 有、無強制接地排流措施下部分管道管地電位
圖5c、5d是位于此片區(qū)管網(wǎng)左側(cè)的一段管道的管地電位，本文將此管段稱為左側(cè)管段，分布位置見圖2。此管段由于部分管道與整流所距離較近，受干擾強度大，部分管道的管地電位正向偏移較大。在2 A電流干擾強度下，無強制接地排流時，管段管地電位最小值為-0.5 V。在施加強制接地排流后，僅有長約120 m的管道管地電位大于-0.85V。在10 A電流干擾強度下，施加強制接地排流后，整個管段管地電位相較于無排流措施時均負向偏移1 V。左側(cè)管段從2 300 m至2 900 m分布的管道位于強制接地排流站1 km的排流范圍內(nèi)，管道管地電位低于自然腐蝕電位。但分布在1 km排流半徑范圍之外的管段，僅有200 m左右長度的管道管地電位低于自然腐蝕電位。不過對比無強制接地排流時，管地電位最大值已從4.5 V下降至3.58 V。
圖5e、5f是位于此片區(qū)管網(wǎng)下側(cè)的一段管道的管地電位，本文將此管段稱為下側(cè)管段，分布位置見圖2。此管段有地鐵線路四沿線分布，在無強制接地排流且干擾強度為2 A時，管地電位分布在-0.38V左右，相對于自然腐蝕電位正向偏移280 mV，受到強烈的雜散電流干擾。隨著干擾強度的增加，管地電位正向偏移越來越大。當(dāng)干擾強度為10 A時，離整流所較近的管段管地電位最大值達0.76 V。除部分離模擬列車停靠點較近處，整條管段管地電位均在0.2 V以上。此管段與強制接地排流站的最大距離為550 m，在施加強制接地排流措施后，管地電位最大值為-0.34 V，管地電位在-0.66 V以上的管道長度僅為380 m，排流效果較好。
強制接地排流的防護措施對整個片區(qū)的燃氣管網(wǎng)受干擾情況改善效果好，特別是在其強制接地排流站1 km排流半徑內(nèi)，管地電位符合GB/T21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》第4.4.2和4.4.3條規(guī)定的管地電位小于-0.85 V、大于-1.2 V的要求。針對離干擾源較近，離強制接地排流站較遠的管段（如圖2所示的左側(cè)管段上端），可采取進一步的防護措施改善其排流情況。與強制接地排流站距離較近的管道，由于管地電位負向偏移較大，容易產(chǎn)生防腐層脫離等現(xiàn)象。
4.2 管網(wǎng)直流干擾防護措施的優(yōu)化
由于中部管段與下側(cè)管段與強制接地排流站距離較近，因此排流效果較好，管道的保護情況較好。左側(cè)管段距離強制接地排流站較遠，部分管段離干擾源較近，是整個片區(qū)受干擾最大的管段。因此選擇此管段，優(yōu)化其防護措施。在強制接地排流站的影響下，嘗試對此管段增加鎂陽極極性接地排流，從距離左側(cè)管段坐標(biāo)零起點120 m處開始，每隔500 m埋設(shè)1個鎂陽極極性接地排流裝置，埋地深度為2.2 m，長度為1 m，平行于管道埋設(shè)，與管道的垂直距離與水平距離均為1 m，探究此排流措施對管道受干擾情況的改善效果。當(dāng)干擾強度為10 A時，無保護措施、采取強制接地排流措施、采取強制接地排流+鎂陽極極性接地排流措施情況下左側(cè)管段管地電位分布見圖6。
圖6 當(dāng)干擾強度為10 A時，無保護措施、采取強制接地排流措施、采取強制接地排流+鎂陽極極性接地排流措施情況下左側(cè)管段管地電位分布
從圖6可知，在添加鎂陽極極性接地排流措施后，整個管段的管地電位均有下降，但離地鐵整流所（地鐵站A）較近的管段，排流效果不明顯，在鎂陽極埋設(shè)位置左右20 m范圍內(nèi)，管道的管地電位維持在-0.66V及更負，其他位置均不滿足GB/T21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》中第4.4.4條的規(guī)定（陰極電位負向偏移至少100 mV）。在離地鐵整流所較遠的管段，管地電位負于-0.66 V的管道長度達2 300 m；相較于僅有強制接地排流措施時，增加了1 540 m。說明增加鎂陽極極性接地排流對管道受干擾情況改善效果明顯，雖然仍未符合規(guī)范要求，但是大部分管段的管地電位已經(jīng)接近了-0.85 V。在干擾較為強烈的區(qū)域，仍需進一步改進保護措施。
為了改善部分受干擾較強的管段的保護工況，在采取強制接地排流+鎂陽極極性接地排流措施情況下，又在管段左側(cè)從坐標(biāo)零起點開始，每隔1 m埋設(shè)1個鎂陽極極性接地排流裝置，分別埋設(shè)60個和100個，平行于管道埋設(shè)，與管道的垂直距離與水平距離均為1 m，探究其排流效果。埋設(shè)60個和100個鎂陽極極性接地排流裝置后，左側(cè)管段管地電位分布見圖7。
圖7 增設(shè)密集鎂陽極極性接地排流裝置后的左側(cè)管段管地電位分布
由圖7可知，在埋設(shè)60個鎂陽極極性接地排流裝置后，有2 350 m長的管段管地電位低于-0.66 V，距整流所（指地鐵站A處）較近處存在16 m長的管段管地電位大于-0.66 V，管地電位最大值已由僅有強制接地排流時的3.58 V下降至1.63 V。其余管段管地電位正向偏移最大至-0.11 V，管地電位為-0.11～-0.66 V的管道長約500 m。在埋設(shè)100個鎂陽極極性接地排流裝置后，有2 400 m長的管段管地電位低于-0.66 V，距整流所較近處存在14 m長的管段管地電位大于-0.66 V，管地電位最大值已由僅有強制接地排流時的3.58 V下降至1.59 V。其他管段管地電位正向偏移最大至-0.38 V，管地電位為-0.38～-0.66 V的管道長約450 m。在優(yōu)化措施施加后，部分受干擾較強的管段，能滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》第4.4.4 條的規(guī)定，即陰極電位負向偏移至少100 mV。
在增設(shè)密集鎂陽極極性接地排流裝置后，除與整流所距離20 m之內(nèi)的管段外，其余管段存在的強烈干擾已得到明顯抑制。與距離強制接地排流站較近的管段（如下側(cè)管段）的管地電位分布對比可以看出，強制接地排流影響范圍較大，鎂陽極極性接地排流的影響范圍較小，排流效果較差。在兩種防護措施同時具備條件時，考慮到在城市核心區(qū)開挖難度大等問題，應(yīng)優(yōu)先考慮強制接地排流。
5 結(jié)論
結(jié)合工程實例，基于COMSOL Multiphysics軟件對某城市燃氣管網(wǎng)受地鐵雜散電流干擾及保護措施進行模擬仿真。建立控制方程，設(shè)置邊界條件。通過將模擬數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)對比，驗證了模擬仿真的可行性。模擬泄漏到土壤中的電流分別為2 A、5 A、10 A時，有、無強制接地排流時的管網(wǎng)管地電位分布。針對受干擾最大的管段，優(yōu)化防護措施，增加鎂陽極極性接地排流裝置，進行管地電位的模擬。在干擾仍較為強烈的區(qū)域，增設(shè)密集鎂陽極極性接地排流裝置，進行管地電位的模擬。根據(jù)模擬結(jié)果得出結(jié)論：
①強制接地排流的防護措施對整個片區(qū)的燃氣管網(wǎng)受干擾情況改善效果好，特別是在強制接地排流站1 km排流半徑內(nèi)。針對離干擾源較近的部分管段，可采取進一步的防護措施。
②與強制接地排流站距離較近的管道，由于管地電位負向偏移較大，容易產(chǎn)生防腐層脫離等現(xiàn)象。
③在增設(shè)密集鎂陽極極性接地排流裝置后，除與整流所距離20 m內(nèi)的管段外，其余管段存在的強烈干擾已得到明顯抑制。強制接地排流影響范圍較大，鎂陽極極性接地排流的影響范圍較小，排流效果較差。在兩種防護措施同時具備條件時，應(yīng)優(yōu)先考慮強制接地排流。
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