三維地形下并行管道陰保干擾規律數值模擬研究

李薦樂

（中國石化銷售股份有限公司 華東分公司 嘉興輸油處，浙江 嘉興 314000）

陰極保護與管道的防腐涂層一起構成了管道的雙層保護體系，是埋地管道主要防護措施，在管道防腐方面發揮著重要作用[1-5]。陰極保護技術的原理[6-8]是通過外加電流方法或者犧牲陽極方法向管道表面提供陰極電流，使管道產生陰極極化，減小管道表面腐蝕。兩種方法的原理相同，都是向管道表面提供陰極電流，只是保護電流的來源有所不同：犧牲陽極法的保護電流來源于活潑金屬，例如鎂、鋁、鋅等；而外加電流法的保護電流來自于恒電位儀的輸出電流。油氣管道通常采用外加電流陰極保護為主，犧牲陽極陰極保護為輔的保護方式。

當管道存在近距離并行或交叉時，管線的獨立陰極保護系統之間會出現嚴重的干擾問題，造成管道腐蝕風險的增加[9-13]。此外，干擾容易導致恒電位儀運行故障，甚至出現不能正常投入使用的狀況。目前社會高速發展，各種電氣化鐵路、交直流高壓輸電線等設施的大力建設，導致管道受到外界雜散電流干擾普遍存在。這類干擾問題往往范圍小，變化不明顯，難以發現。當并行管道遇上外界交直流干擾情況時，各種干擾問題結合，加重了干擾導致的腐蝕現象。在地形限制下的“公共走廊”內，油氣管道之間近距離交叉或并行敷設，容易引起陰極保護系統間強烈的相互干擾。

當管道位于山區敷設時，并行管道之間的干擾問題將更加復雜[14-15]。主要體現在：管道沿線土壤、巖石分布情況復雜，地形起伏較大，且管道需要穿/跨越的位置較多，由此引起的陰保電流分布的連續性、均勻性與一般平原地區管道存在顯著差異；此外，山區管道起伏、迂回，單根管道采用陰極保護時，在三維空間內不同管段之間存在相互干擾，數值模擬計算中，管道的空間位置不能忽略[16]。構建與山區管道實際情況更相符的三維并行管道模型，成為解決山區并行管道陰極保護問題的重要基礎。長輸管道位于山區地形下，獲取陰極保護數據將會非常困難。因此，采用數值模擬方法，模擬獲得管道沿線電位分布，對于管道日常運行與維護具有重要意義[17]。

國外在開展并行管道陰極保護技術研究時，主要借助的是數值模擬技術，該技術能夠為這種特殊工況下的陰極保護設計提供指導。數值方法已在過去的二十年里證明是分析腐蝕問題的強力工具[18-20]。應用于腐蝕研究的數值方法包括了有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）以及邊界元法（BEM）。自20 世紀80 年代初以來，BEM 已被用于模擬陰極保護系統。與FDM 和FEM 相比，BEM 只需要邊界的網格劃分。因此，BEM 相較于FEM 需要較少的方程組和較小的矩陣尺寸，并且可以解決有限域和半無限域問題。

文中采用基于邊界元法建立的電化學腐蝕仿真軟件BEASY 進行三維地形下并行管道的數值模擬，通過比較并行管道與單根管道之間的陰極保護電位差，探究三維地形下并行管道的干擾規律。其次研究了涂層破損率、土壤電阻率、陽極輸出電流、輔助陽極與管道間距離、管道直徑等參數對并行管道間干擾的影響規律。最后探究了獨立設置陰極保護、聯合陰極保護的并行管道陰極保護參數隨管道并行間距的演化規律，給出了管道并行的合理間距。

1 數值模擬

使用電化學腐蝕仿真軟件BEASY 進行三維地形下并行管道模型的建立，如圖1 所示。模型基礎參數設置如下：管道全長為10 km，管徑為0.6 m，各位置處埋深均為2 m，防腐涂層破損率為1%，輔助陽極位于管道中心位置處，長20 m，直徑為0.1 m，埋深為 3 m，與管道之間距離為 50 m，外加電流為5000 mA，土壤電阻率為20 Ω·m。此外定義輔助陽極附近的管段為管道中心區域，遠離輔助陽極的管段被稱作管道遠處區域。

圖1 三維地形下管道模型Fig.1 Schematic diagram of pipeline model in 3D terrain

獨立設置陰極保護的并行管道模型是通過將上面三維地形中的管道平移一段距離，這個距離即為管道并行間距，輔助陽極在管道兩端對稱布置，參數設置同上。左側管道命名為pipe1，左側輔助陽極命名為anode1，右側管道命名為pipe2，右側輔助陽極命名為anode2。獨立設置陰極保護的并行管道模型如圖2 所示。聯合陰極保護的并行管道模型如圖3 所示，此時只有一個輔助陽極，即anode1，兩根管道均由anode1 進行保護。

為了探究各因素對并行管道干擾的影響規律，各影響參數的選值范圍見表1。利用BEASY 軟件中的后處理模塊可以獲取管道不同位置處的陰極保護電位、電流密度以及土壤的電位梯度，通過比較以上陰極保護參數隨涂層破損率、土壤電阻率、陰極保護電流、并行管道間距等參數的變化，可研究各參數對并行管道間干擾的影響規律。

圖2 獨立設置陰極保護的并行管道模型Fig.2 Parallel pipeline model under independent cathodic protection

圖3 聯合陰極保護的并行管道模型Fig.3 Parallel pipeline model under combined cathodic protection

表1 影響并行管道干擾的參數選值范圍Tab.1 Parameter selection range affecting parallel pipeline interference

最后，為探究在管道中心區域附近增大管道并行間距是否可以減小并行管道之間的干擾，設置的具體模型為：依據圖2 獨立設置陰極保護的并行管道模型，將中心區域（管道5000 m）處管道與輔助陽極向外平移70 m，此時中心區域管道并行間距為80 m，模型如圖4 所示，其余設置參數不變。

圖4 管道中心區域間距為80 m 模型Fig.4 Model of 80 meters spacing in pipe center areas

2 結果與討論

2.1 并行管道間的干擾規律

管道并行間距為5 m 和單根管道陰極保護電位曲線對比如圖5 所示。由圖5 可知，相較于單根管道，并行管道在管道中心區域的陰極保護電位減小99.27 mV，而遠處位置管道陰保電位略有升高。輔助陽極除保護需保護的管段外，輸出的電流還從輔助陽極附近（管道中心區域）流入受干擾管道中。在管道遠處區域，由于受保護的管道附近的土壤電位較負，當其他金屬管道經過該區域時，受干擾管道中電流會在此位置流出。由極化規律可知，流入管道的電流值越大，對應陰保電位值越負，而流出管道的電流將導致陰保電位值變正。因此，并行管道間的干擾同時存在陽極干擾與陰極干擾。在管道中心區域，干擾形式主要為陽極干擾，陰保電位值下降較大；而在管道遠處區域，干擾形式主要為陰極干擾，陰保電位值呈上升趨勢。

圖5 并行管道與單根管道陰保電位比較Fig.5 Comparison of cathodic protection potential of parallel pipeline and single pipeline

不同并行間距下的陰保電位曲線如圖6 所示。由結果可以發現，隨著間距的增加，管道中心區域電位逐漸上升，遠處的管道電位略有降低，說明并行管道間相互干擾程度降低。因此，增大并行管道的間距，可以降低并行管道間相互干擾。隨著距離增加，保護電位的變化越來越小。間距從5 m 變為25 m 時，管道保護電位最負值變化了23.19 mV；而間距從75 m變化至 100 m 時，管道保護電位最負值變化了7.76 mV。說明管道間距較小時，增大間距對于減小干擾會更加明顯。

圖6 并行間距變化管道保護電位分布曲線Fig.6 Distribution curve of protection potential of pipelines with parallel spacing changes

2.2 各參數對三維地形下并行管道間干擾的影響規律

2.2.1 涂層破損率

圖7 不同涂層破損率時單管與并行管道保護電位最負值差值曲線Fig.7 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different coating damage rates

不同破損率下并行管道與單根管道陰極保護電位最負值的差值如圖7 所示。由模擬結果可以發現，隨著破損率的變化，并行管道的干擾規律較為復雜。涂層破損率為0 時，并行管道間干擾較大；隨著涂層開始破損，在小破損率（1%）時，并行管道相互干擾達到峰值；之后隨著破損率的增大，并行管道間的干擾先減小，后增大。這是由于流入管道中的電流不變的情況下，較小的涂層破損率（1%）意味著電流密度較大，從而導致局部的陰保電位值變化較大。

2.2.2 土壤電阻率

不同土壤電阻率下，并行管道與單根管道的陰極保護電位最負值差值曲線如圖8 所示。由圖8 可知，并行管道與單管陰極保護電位最負值的差值隨土壤電阻率的增加而增大，說明土壤電阻率越大，并行管道間的干擾越嚴重。較高的土壤電阻率對應較大的土壤電阻，輔助陽極釋放的電流無法從較遠的區域流入管道，更多的電流從管道中心區域處流入管道，因而導致并行管道間的干擾增加。

圖8 不同土壤電阻率時單管與并行管道保護電位最負值差值曲線Fig.8 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different soil resistivity

2.2.3 陽極輸出電流

不同陽極輸出電流下，并行管道與單根管道的陰極保護電位最負值差值曲線如圖9 所示。由圖9 可直觀地發現，隨著輔助陽極輸出電流的增加，并行管道與單管陰極保護電位最負值的差值也隨之增大，且兩者呈線性關系。這是由于隨著輔助陽極電流值的增加，更多的電流流入受干擾管道，進而導致并行管道間的干擾增加。

2.2.4 輔助陽極與管道間距

不同輔助陽極與管道間距下，并行管道與單根管道的陰極保護電位最負值差值曲線如圖10 所示。由圖10 可知，隨著輔助陽極與管道之間間距的增加，單管與并行管道陰極保護電位最負值的差值降低，即并行管道間的干擾也降低。這是由于隨著輔助陽極與管道間距的增加，較少的電流流入受干擾管道，進而導致并行管道間的干擾減少。

圖9 不同輸出電流下單管與并行管道保護電位最負值差值曲線Fig.9 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different output currents

圖10 不同輔助陽極與管道間距下單管與并行管道保護電位最負值差值曲線Fig.10 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different spacing of different auxiliary anode and pipe

2.2.5 管道直徑

不同管道直徑下，并行管道與單根管道的陰極保護電位最負值差值曲線如圖11 所示。由圖11 可知，管道直徑越小，并行管道間干擾越嚴重。這是由于隨著管道直徑的減小，管道表面積也隨之減小，流入管道的電流密度值更大，進而導致并行管道間的干擾增加。

2.3 不同因素對并行管道干擾范圍的影響規律

目前，國內外有很多規范規定了管道之間的并行間距，也有許多并行管道工程實例給出規定的并行間距[21]。以上規范多基于輸油管道溫降、輸氣管道破裂、施工維修等方面的考慮，基于并行管道陰極保護干擾考慮給出的并行間距卻很少，此外對并行管道陰保系統間干擾影響范圍的界定研究也極為匱乏。由圖6 可知，隨著并行間距的增加，并行管道間的干擾降低，且干擾程度逐漸變小，即管道陰極保護電位在管道并行間距大于一定值后變化緩慢。因此文中對并行管道陰保系統間干擾影響范圍的界定如下：管道陰極保護電位最負值增長速率出現明顯減緩的點即為并行管道相互干擾范圍，大于該間距后，并行管道間干擾可忽略，因此這個間距就是文中推薦的合理并行間距。

圖11 不同管道直徑下單管與并行管道保護電位最負值差值曲線Fig.11 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different pipe diameters

2.3.1 獨立設置陰極保護的并行管道干擾范圍

1）不同輸出電流下管道陰極保護電位的最負值隨管道并行間距的變化曲線如圖12 所示。由圖12 可知，當輸出電流增大時，管道電位最負值隨著并行間距的變化幅度逐漸升高，但變化趨勢幾乎不變。在管道并行間距大于80 m 以后，管道電位變化趨于平緩。因此，并行管道的干擾范圍為80 m，且不隨輸出電流的變化而變化。

圖12 不同輸出電流下管道電位最負值隨管道并行間距的變化曲線Fig.12 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different output currents

2）不同土壤電阻率下管道陰極保護電位的最負值隨管道并行間距的變化曲線如圖13 所示。由圖13可知，在管道并行間距大于80 m 以后，管道陰極保護電位趨于平緩。因此，并行管道的干擾范圍為80 m，且不隨土壤電阻率的變化而變化。

圖13 不同土壤電阻率下管道電位最負值隨管道并行間距的變化曲線Fig.13 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different soil conductivity

3）不同涂層破損率下管道陰極保護電位的最負值隨管道并行間距的變化曲線如圖14 所示。由圖14可知，管道并行間距大于80 m 以后，管道陰極保護電位趨于平緩。因此，并行管道的干擾范圍為80 m，合理并行間距為80 m，且不隨涂層破損率的變化而變化。

圖14 不同涂層破損率下管道電位最負值隨管道并行間距的變化曲線Fig.14 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different coating damage rate

4）不同輔助陽極與管道間距下，管道陰極保護電位的最負值隨管道并行間距的變化曲線如圖15 所示。由圖15 可知，在管道并行間距大于80 m 以后，管道陰極保護電位趨于平緩。因此輔助陽極與管道間距的變化對管道并行間距無影響，仍為80 m。

由圖16 可知，管道中心區域處的間距增大80 m，可使管道全線保護電位最負值升高近50 mV，而管道其他位置處保護電位變化不大，大大降低了并行管道間的干擾。因此當并行管道分別設立陰極保護時，推薦在輔助陽極位置附近處增大管道間距，這樣可以大大降低并行管道間陰極保護的干擾。

2.3.2 聯合陰極保護的并行管道干擾范圍

圖15 不同輔助陽極與管道間距管道電位最負值隨管道并行間距的變化曲線Fig.15 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different distance between the auxiliary anode and the pipeline

圖16 增大中心區域處管道間距后管道的電位分布Fig.16 Potential distribution of pipelines after increasing the distance between pipelines in the central area

管道全線保護電位最負值與管道并行間距之間的關系曲線如圖17 所示。由圖17 可知，隨著管道并行間距的增加，靠近輔助陽極的管道1 上的保護電位最負值緩慢降低，管道2 上的保護電位最負值隨管道并行間距的增加而迅速增加。因此進行管道聯合陰極保護時，管道之間的并行間距不宜過大，推薦并行間距小于7 m。

圖17 管道電位最負值隨管道并行間距的變化曲線Fig.17 Variation curve of the most negative value of pipeline potential with the distance between parallel pipelines

3 結論

通過數值模擬的手段研究了并行管道間的干擾規律，得出如下主要結論。

1）三維地形下并行管道存在干擾，干擾規律為管道中心區域保護電位變負，遠處管道保護電位變正。隨著并行間距的增加，干擾逐漸減弱，且隨著距離的增加，其干擾減小速率逐漸減緩。

2）涂層破損率對并行管道干擾規律較復雜，涂層破損率為0 時，并行管道間干擾較大；隨著涂層開始破損，達到較小破損率（1%）時，并行管道間相互干擾最大；之后隨著破損率的增大，干擾先減小，后增大。土壤電阻率越大，陽極輸出電流越大，輔助陽極距管道距離越近，管道直徑越小，并行管道間干擾越劇烈。

3）對于獨立設置陰極保護的并行管道，考慮了不同的輸出電流、不同土壤電阻率、不同涂層破損率以及不同的輔助陽極與管道之間的間距等情況，均發現當并行間距超過80 m 后，管道保護電位趨于平緩。因此為了減小并行管道間的干擾，建議管道并行間距應大于80 m。

4）聯合陰極保護的并行管道，隨并行管道間距的增加，距離輔助陽極較遠的管道保護電位迅速上升。因此為了保證并行的兩條管道均能受到良好的陰極保護，建議管道并行間距宜小于7 m。