【论文精选】埋地钢质燃气管网地铁杂散电流腐蚀防护模拟

2021-07-02 11:14:49 作者：郑焱文，等来源：煤气与热力杂志分享至：

1 概述

随着城市的不断发展，人民生活水平不断提高，为了满足人们出行的需求，缓解城市交通堵塞，截至2017年末，中国内地共计34个城市开通城市轨道交通并投入运营，开通轨道交通线路165条，运营线路长达5 033 km，其中地铁3 884 km，占比77.2%。2017年新增运营线路32条，同比增长24.1%；新增运营线路880 km，同比增长21.2%，增长速度前所未有［1］。位于城市中心区的地铁线路往往优先建设运行，但城市中心区的燃气管道敷设较为密集，加之管网运行多年，防腐层老旧，若不采取适当措施对管网给予保护，城市地铁产生的杂散电流对埋地燃气管网的影响将引起严重的安全事故。上海地铁二号线沿线世纪大道下的燃气管道，由于杂散电流腐蚀，已经发生了数十次泄漏事故［2］。2012年7月8日，辽宁省鞍山市产生了一起由电气化铁路杂散电流造成燃气管道腐蚀穿孔的爆炸事故。

现今，杂散电流引起的钢质燃气管道腐蚀问题，已经得到了各地燃气公司及研究人员的高度重视。川气东送金陵支线管道与城际高铁以及地铁并行，受杂散电流干扰严重，采取绝缘隔离、锌带排流等措施，有效遏制了管道电位的正向偏移［3］。佛山市禅城区绿景苑小区燃气管道，自广佛地铁开通后，受到了强烈的杂散电流干扰，在安装一段PE管道阻断杂散电流在钢质管道内流动，并安装定向排流器后，管道管地电位符合规范要求［4］。核心区域人口密度大、开挖难度大、不易施工等问题，使各地燃气公司对城镇燃气管道施加防护措施时，难度加大。周吉祥［5］、方卫林等人［6］利用模拟软件，对实际燃气管道受干扰及保护现状进行仿真模拟，并优化其排流措施后，根据实测数据得知，管道的运行工况符合规范要求。杂散电流的防治非常复杂，影响因素众多，若盲目采用防护措施，可能付出较大代价却不能获得预期效果。若采用模拟仿真软件对管网区域中的杂散电流扩散行为进行模拟仿真，进而对各种方法的防护效果进行考量，则可优选出最有效的防护方法，以指导工程实践。

本文将基于COMSOL Multiphysics多物理场软件以及燃气管网分布及防护现状，对某管网受到的杂散电流干扰及施加的防护措施进行模拟，并进一步提出更加有效的管网防护措施。

2 杂散电流腐蚀及防护的模拟仿真方法

在腐蚀防护数值模拟中，通常基于有限元以及边界元两种数值计算方法。早在1990年，有限元法就应用于受海水腐蚀影响的平台的阴极保护模拟。在埋地管道模拟中，除了土壤与空气交界处，周边的土壤环境无边界可言，且土壤环境相对于管道来说较大，若单纯地用有限元法去计算，将大大增加计算量。边界元法，由于计算量小，能将三维问题转化成二维问题，二维问题转化成一维问题，现已在无限域的模拟中广泛应用，尤其适用于长条形的物体建模。本文采用边界元法对片区燃气管网的受干扰及保护情况进行数值模拟。

2.1 控制方程