【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
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2.2 边界条件的设置
①阴极边界（城镇钢质燃气管道）
钢质燃气管道作为被保护对象，设定其边界为阴极边界。埋地钢质管道在土壤中会发生电化学极化现象，用数学函数表征为极化曲线，此曲线代表了过电位与电流的函数关系。对于测试所得的阴极极化曲线，为了更好地将极化曲线数据应用于仿真模拟中，提高仿真模拟结果的准确性，需对测试所得极化曲线进行处理，有牛顿迭代法以及分段线性拟合法两种办法。相较于牛顿迭代法，使用分段线性拟合法，能使模拟计算结果较好地收敛，并具有较强的适应性［8-10］。
对于有防腐层的管道（老旧燃气管道，防腐层全部被破坏了，可以认为是没有防腐层的管道），有2种方法得到边界条件。一种是通过测试得到涂敷相应防腐层钢片的极化曲线，作为有防腐层管道的阴极边界条件［11］；另一种是测试得到裸管的极化曲线，参考挪威船级社推荐实施细则DNV-RP-B401《阴极保护设计》中根据涂层破损率修正裸管的极化曲线，根据防腐层面电阻率的值取修正系数，修正裸管的极化曲线［12-13］。本文依照防腐层面电阻率排序，采用裸管极化曲线按照10％、50%、80%修正后的极化曲线作为管道的边界条件。
②阳极边界
a.强制接地排流中的辅助阳极
辅助阳极的边界条件设置，可采用阳极极化曲线［14］或恒电流密度［15］。经验证，采取恒电流密度与阳极极化曲线作为边界条件时，计算相对误差不足0.1%［16］。为了简化计算，本文采用恒电流密度作为辅助阳极的边界条件。
b.牺牲阳极极性接地排流中的牺牲阳极
牺牲阳极的边界条件，可采用牺牲阳极开路电位或极化曲线。经验证，采用开路电位与极化曲线作为边界条件时，计算相对误差为1%，在软件模拟计算中可忽略不计［16］，本文采用开路电位作为牺牲阳极的边界条件。
③城市地铁工程
我国的城市地铁系统多采用直流牵引供电，列车所需的负载电流由直流牵引变电所提供，通过牵引网送向列车，并通过钢轨作为牵引电流回路，返回到直流牵引变电所。尽管钢轨与地面间采取了一系列的绝缘措施，但仍有部分电流由钢轨流入周边土壤及埋地燃气管道中，单边供电下地铁对埋地燃气管道的杂散电流腐蚀见图1（图内沿钢轨返回直流牵引变电所的电流未画出）。直流牵引变电所通常被称为整流所，整流所一般位于地铁站内。在城市核心区，相邻地铁站距离较近，因此并不是所有地铁站内都设置了整流所，可根据片区管道管地电位以及周边的地铁线路分布。可通过设置两个电流回流点（点F）作为整流所，一个电流出流点（点A）作为列车行进或停靠点的边界条件，模拟城市地铁的运行。
图1 单边供电下地铁对埋地燃气管道的杂散电流腐蚀
④地面及无穷远处
地面为空气与土壤交界处，认为空气为绝缘体，地面与空气的接触面为绝缘面，电流密度为零。在土壤环境的无穷远处，认为电流密度为零，电位为零。
3 案例分析
3.1 地铁线路及燃气管网分布情况
此管网为某城市核心区域部分钢质燃气管网，区域外围有4条运行的地铁线路，燃气管网和地铁线路分布见图2。其中，线路一从地铁站A之后逐渐偏离此片区管网，其他地铁线路对该片区管网影响较大，与燃气管道最小距离约为30 m。为了抑制城市地铁产生的杂散电流对此片区管网的影响，当地燃气公司采取了绝缘隔离的办法，将中压管网与低压庭院管网隔离，并在部分低压庭院管网施加了牺牲阳极阴极保护。为了进一步阻止杂散电流的扩散，此区域的中压管网在部分管段上设置绝缘接头。本文仅对中压燃气管网的受干扰和保护措施进行探讨。
图2 某城市核心区部分中压燃气管网及周边地铁线路分布截图
管网覆盖区域约为3.5 km×4.5 km，区域土壤电阻率约30~40 Ω·m，酸碱性为中性，无腐蚀性的细菌，自然腐蚀电位（本文中的电位均为铜/饱和硫酸铜作为参比电极时的电位）为-0.66 V。管道设计压力0.4 MPa，操作压力约0.3 MPa。管道外直径最小为57 mm，最大为426 mm。管道为无缝钢管，材质为20钢。管道防腐层有3种，分别为3PE、石油沥青以及环氧煤沥青，均不是连续分布，测得的防腐层面电阻率见表1，管道外防腐层缺陷未知。
表1 管道防腐层类型及面电阻率
3.2 管网受干扰及预建立保护情况
燃气管网受周边3条地铁线路的影响，尽管在部分管道安装了绝缘接头，阻隔了部分杂散电流的扩散，但部分管道仍受到了较大干扰。选取合适的位置建立1座临时深井阳极保护站，探究强制接地排流措施对管网受干扰情况的影响。当管道受到干扰严重时，深井阳极保护站的接地排流作用大于强制电流阴极保护作用；当受到干扰较小时，深井阳极保护站的强制电流阴极保护作用大于接地排流作用。本文探究的是强干扰情况下管道的腐蚀防护情况，因此下文将图中标注的深井阳极保护站称为强制接地排流站。该强制接地排流站最大输出电压为50 V，最大输出电流为60 A。使用两个深度为100 m，阳极体长为40 m，直径为0.42 m，阳极材质为MMO（混合金属氧化物）的深井。按恒电流输出模式输出，强制接地排流站输出的电流为35 A。强制接地排流站，对于受到杂散电流干扰较强的管段，能起到强制接地排流的作用；对于无杂散电流干扰的管段，能起到阴极保护的作用。
3.3 模型的建立及边界条件的设置
根据图2并对部分管道进行简化，采用COMSOL Multiphysics多物理场软件建立了仿真模型。先将测试所得的裸管极化曲线分段拟合（见图3），然后根据防腐层情况进行修正后作为埋地钢质管道的边界条件。此片区中的管道防腐层有3种类型，按照防腐层面电阻率大小排序，通过模拟，将模拟结果与实测数据对比吻合时采用的修正系数作为最终修正系数，进行裸管极化曲线的修正。本文采用80%、50%、10%修正后的极化曲线作为3种防腐层管道的边界条件。
图3 裸管极化曲线分段拟合
根据强制接地排流站与管网的相对位置，设置边界条件，深井阳极阳极体长40 m，直径0.42 m，埋深为100 m，阳极体上下位置共有10 m的填充材料，根据输出总电流，设置其边界条件为电流密度0.265 A/m2。将后续防护措施优化部分用到的镁阳极极性接地排流装置边界条件设置为埋深2.2m，长度为1 m，电位为-1 749 mV。根据相关数据及资料，图2中的地铁站A、C、E、G、J为整流所，将拥有整流所的地铁站设置为电流回流点，将无整流所的地铁站设置为出流点。由于土壤条件以及列车运行情况的影响，随着列车的加减速及周边土壤环境的不同，泄漏到土壤中的电流不能确定，这里将泄漏到土壤的电流分别设置为2 A、5 A、10 A，以模拟评估城市地铁线路产生的杂散电流干扰对此片区管网的影响。
4 结果及讨论
4.1 强制接地排流下的管网受干扰情况
根据管网受干扰及强制接地排流站的运行现状进行仿真模拟。为了验证模拟的准确性，将10 A干扰强度下的测试桩实测管地电位与模拟电位相比较，结果见表2。由表2可知，数值模拟数据与现场实测数据有较好的吻合性，证明了模拟方法和模拟结果具有可靠性。
表2 测试桩实测电位与模拟电位对比
有、无强制接地排流措施下的管网管地电位分布见图4（图4中所有图的色标相同，见图4d，色标旁数值相应的单位为V）。如图4a、4b所示，电流干扰强度为2 A，无强制接地排流时，管网管地电位为-0.88～0.39 V，片区管道的自然腐蚀电位为-0.66 V，管地电位正向偏移大于GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》第5.0.2条所述的100 mV，说明部分管道受到了强烈的杂散电流干扰，应采取防护措施。当施加强制接地排流后，此片区管网的管地电位分布为-3.05～-0.21 V，除部分距整流所较近的管段仍有正向偏移外，大部分管道管地电位负于-0.85V。
图4 有、无强制接地排流措施下的管网管地电位分布
如图4c、4d所示，当电流干扰强度为10 A时，在无强制接地排流时，管地电位分布为-1.61～4.57 V，部分管地电位正向偏移远远大于100 mV，说明管网受到的杂散电流干扰十分强烈。当施加强制接地排流后，此片区管网的管地电位分布为-2.72～3.62 V，减小受干扰较大管段管地电位正向偏移的同时，会使部分管段管地电位负向偏移过大，进而产生氢脆、防腐层剥离等现象。
有、无强制接地排流措施下部分管道管地电位见图5。图5a、5b是位于此片区管网中部的一段管道的管地电位，此管段与强制接地排流站距离1 500 m左右，本文将此管段称为中部管段，分布位置见图2。当电流干扰强度为10 A时，强制接地排流效果明显，与无强制接地排流相比，管地电位最大值从0.28V下降至-0.615 V，相较于自然腐蚀电位（-0.66 V）仅正向偏移45 mV，管道中的杂散电流干扰引起的管道腐蚀已经得到了明显抑制；在电流干扰强度为5A、2 A时，有强制接地排流时，此管段基本满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》第4.4.2和4.4.3条规定的管地电位小于-0.85 V、大于-1.2 V的要求。
图5 有、无强制接地排流措施下部分管道管地电位
图5c、5d是位于此片区管网左侧的一段管道的管地电位，本文将此管段称为左侧管段，分布位置见图2。此管段由于部分管道与整流所距离较近，受干扰强度大，部分管道的管地电位正向偏移较大。在2 A电流干扰强度下，无强制接地排流时，管段管地电位最小值为-0.5 V。在施加强制接地排流后，仅有长约120 m的管道管地电位大于-0.85V。在10 A电流干扰强度下，施加强制接地排流后，整个管段管地电位相较于无排流措施时均负向偏移1 V。左侧管段从2 300 m至2 900 m分布的管道位于强制接地排流站1 km的排流范围内，管道管地电位低于自然腐蚀电位。但分布在1 km排流半径范围之外的管段，仅有200 m左右长度的管道管地电位低于自然腐蚀电位。不过对比无强制接地排流时，管地电位最大值已从4.5 V下降至3.58 V。
图5e、5f是位于此片区管网下侧的一段管道的管地电位，本文将此管段称为下侧管段，分布位置见图2。此管段有地铁线路四沿线分布，在无强制接地排流且干扰强度为2 A时，管地电位分布在-0.38V左右，相对于自然腐蚀电位正向偏移280 mV，受到强烈的杂散电流干扰。随着干扰强度的增加，管地电位正向偏移越来越大。当干扰强度为10 A时，离整流所较近的管段管地电位最大值达0.76 V。除部分离模拟列车停靠点较近处，整条管段管地电位均在0.2 V以上。此管段与强制接地排流站的最大距离为550 m，在施加强制接地排流措施后，管地电位最大值为-0.34 V，管地电位在-0.66 V以上的管道长度仅为380 m，排流效果较好。
强制接地排流的防护措施对整个片区的燃气管网受干扰情况改善效果好，特别是在其强制接地排流站1 km排流半径内，管地电位符合GB/T21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》第4.4.2和4.4.3条规定的管地电位小于-0.85 V、大于-1.2 V的要求。针对离干扰源较近，离强制接地排流站较远的管段（如图2所示的左侧管段上端），可采取进一步的防护措施改善其排流情况。与强制接地排流站距离较近的管道，由于管地电位负向偏移较大，容易产生防腐层脱离等现象。
4.2 管网直流干扰防护措施的优化
由于中部管段与下侧管段与强制接地排流站距离较近，因此排流效果较好，管道的保护情况较好。左侧管段距离强制接地排流站较远，部分管段离干扰源较近，是整个片区受干扰最大的管段。因此选择此管段，优化其防护措施。在强制接地排流站的影响下，尝试对此管段增加镁阳极极性接地排流，从距离左侧管段坐标零起点120 m处开始，每隔500 m埋设1个镁阳极极性接地排流装置，埋地深度为2.2 m，长度为1 m，平行于管道埋设，与管道的垂直距离与水平距离均为1 m，探究此排流措施对管道受干扰情况的改善效果。当干扰强度为10 A时，无保护措施、采取强制接地排流措施、采取强制接地排流+镁阳极极性接地排流措施情况下左侧管段管地电位分布见图6。
图6 当干扰强度为10 A时，无保护措施、采取强制接地排流措施、采取强制接地排流+镁阳极极性接地排流措施情况下左侧管段管地电位分布
从图6可知，在添加镁阳极极性接地排流措施后，整个管段的管地电位均有下降，但离地铁整流所（地铁站A）较近的管段，排流效果不明显，在镁阳极埋设位置左右20 m范围内，管道的管地电位维持在-0.66V及更负，其他位置均不满足GB/T21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中第4.4.4条的规定（阴极电位负向偏移至少100 mV）。在离地铁整流所较远的管段，管地电位负于-0.66 V的管道长度达2 300 m；相较于仅有强制接地排流措施时，增加了1 540 m。说明增加镁阳极极性接地排流对管道受干扰情况改善效果明显，虽然仍未符合规范要求，但是大部分管段的管地电位已经接近了-0.85 V。在干扰较为强烈的区域，仍需进一步改进保护措施。
为了改善部分受干扰较强的管段的保护工况，在采取强制接地排流+镁阳极极性接地排流措施情况下，又在管段左侧从坐标零起点开始，每隔1 m埋设1个镁阳极极性接地排流装置，分别埋设60个和100个，平行于管道埋设，与管道的垂直距离与水平距离均为1 m，探究其排流效果。埋设60个和100个镁阳极极性接地排流装置后，左侧管段管地电位分布见图7。
图7 增设密集镁阳极极性接地排流装置后的左侧管段管地电位分布
由图7可知，在埋设60个镁阳极极性接地排流装置后，有2 350 m长的管段管地电位低于-0.66 V，距整流所（指地铁站A处）较近处存在16 m长的管段管地电位大于-0.66 V，管地电位最大值已由仅有强制接地排流时的3.58 V下降至1.63 V。其余管段管地电位正向偏移最大至-0.11 V，管地电位为-0.11～-0.66 V的管道长约500 m。在埋设100个镁阳极极性接地排流装置后，有2 400 m长的管段管地电位低于-0.66 V，距整流所较近处存在14 m长的管段管地电位大于-0.66 V，管地电位最大值已由仅有强制接地排流时的3.58 V下降至1.59 V。其他管段管地电位正向偏移最大至-0.38 V，管地电位为-0.38～-0.66 V的管道长约450 m。在优化措施施加后，部分受干扰较强的管段，能满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》第4.4.4 条的规定，即阴极电位负向偏移至少100 mV。
在增设密集镁阳极极性接地排流装置后，除与整流所距离20 m之内的管段外，其余管段存在的强烈干扰已得到明显抑制。与距离强制接地排流站较近的管段（如下侧管段）的管地电位分布对比可以看出，强制接地排流影响范围较大，镁阳极极性接地排流的影响范围较小，排流效果较差。在两种防护措施同时具备条件时，考虑到在城市核心区开挖难度大等问题，应优先考虑强制接地排流。
5 结论
结合工程实例，基于COMSOL Multiphysics软件对某城市燃气管网受地铁杂散电流干扰及保护措施进行模拟仿真。建立控制方程，设置边界条件。通过将模拟数据与测试数据对比，验证了模拟仿真的可行性。模拟泄漏到土壤中的电流分别为2 A、5 A、10 A时，有、无强制接地排流时的管网管地电位分布。针对受干扰最大的管段，优化防护措施，增加镁阳极极性接地排流装置，进行管地电位的模拟。在干扰仍较为强烈的区域，增设密集镁阳极极性接地排流装置，进行管地电位的模拟。根据模拟结果得出结论：
①强制接地排流的防护措施对整个片区的燃气管网受干扰情况改善效果好，特别是在强制接地排流站1 km排流半径内。针对离干扰源较近的部分管段，可采取进一步的防护措施。
②与强制接地排流站距离较近的管道，由于管地电位负向偏移较大，容易产生防腐层脱离等现象。
③在增设密集镁阳极极性接地排流装置后，除与整流所距离20 m内的管段外，其余管段存在的强烈干扰已得到明显抑制。强制接地排流影响范围较大，镁阳极极性接地排流的影响范围较小，排流效果较差。在两种防护措施同时具备条件时，应优先考虑强制接地排流。
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