基于COMSOL的直流雜散電流干擾的管道的仿真分析

姚輝超

(中海石油氣電集團技術研發中心，北京 100028)

雜散電流是指沒有按照制定的電流回路流動，而從回路中流出進入周圍環境介質中(如土壤、水等)而形成的電流[1-3]。當環境中存在著金屬物時，金屬就受到雜散電流的干擾。由于金屬構筑物的電阻遠小于土壤的電阻率，雜散電流就從金屬構筑物的某一端流入，在一定區域從另一端流出來，雜散電流流出位置造成金屬腐蝕。雜散電流既可能是直流電，也可能是交流電，不同形態雜散電流各具有不同的行為特點，本文重點研究分析埋地管道受直流電流干擾影響規律。

1 干擾原理

在直流雜散電流的干擾下，埋地管道受到在管道上出現“陰極區”和“陽極區”[4-5]。“陰極區”即電位相對較低的區域，主要形成在直流雜散電流流進埋地管道的位置處。“陽極區”即電位相對較高的區域，主要形成在直流雜散電流流出埋地管道的位置處。由于管道上“陰極區”相比管道其他地方的管地電位比較負，電子聚集到電流流入的這個區域，使得“陰極區”發生陰極極化，對埋地管道起到了一定陰極保護的作用。管道上“陽極區”相比管道其他地方的管地電位比較正，主要因為此處管道金屬失去電子發生氧化反應形成金屬離子，因此雜散電流從管道流出的位置就會發生腐蝕[6]。

2 計算模型

COMSOL Multiphysics 是一款通用的工程仿真軟件平臺，該軟件腐蝕模塊能夠用于模擬電化學腐蝕過程和陰極保護系統有文獻報道[7]。本文利用COMSOL軟件的腐蝕模塊搭建雜散電流干擾模型，并對管道受雜散電流干擾的雜散電流大小、土壤電阻率等因素進行了仿真計算。

2.1 模型搭建

本文在前人基礎上利用COMSOL軟件的腐蝕模塊搭建雙管道模型[7-8](見圖1)：兩條管道長度均1.6 km，被保護管道和受干擾管道的管徑分別為0.762 m和0.406 m。輔助陽極的直徑為0.1 m，長度為5 m。輔助陽極距離被保護管道100 m，距離受干擾管道800 m。

圖1 雙管道模型

2.2 邊界條件和參數設置

邊界元計算方法的邊界條件：

(1)被保護管道：電位模型設置為固定，電極電位設置為0 V；

(2)受干擾管道：電位模型設置為懸浮電位，外加電流為0 A，邊界電位初始值設置為0 V；

(3)輔助陽極：固定恒定電位儀輸出電流為2.5 A；

(4)土壤電阻率設置為20 Ω·m。

2.3 考察影響因素

利用搭建的雙管道模型對管道受雜散電流干擾的雜散電流大小和土壤電導率等因素，并考察其周圍空間電流和電位分布。

(1)考慮5種雜散電流大小：1、2.5、5、7.5、10 A。

(2)考慮3種土壤電阻率：200、20、1.8 Ω·m。

3 計算結果處理及分析

3.1 直流干擾電流的影響

通過改變被保護管道的恒定電位儀輸出的電流的變化：1、2.5、5、7.5、10 A，研究受干擾管道受直流雜散電流干擾的規律研究。

圖2 不同直流雜散電流的受干擾管道電位分布

從圖2可以看到，在不同直流雜散電流的情況下，受干擾管道電位分布的規律一致，雙管道模型兩管道存在交叉關系，在模型中采用了一個陽極，所以受干擾管道電位在兩管道交叉的位置出現了一個對稱的波峰分布形狀。隨著土壤中恒定電位儀輸出電流的增大，受干擾管道電位分布將會向交叉位置移動。

3.2 土壤電阻率的影響

采用雙管道模型研究3種土壤電阻率200、20、1.8 Ω·m，埋地金屬管道受直流雜散電流干擾的影響。

圖3 不同土壤電阻率的受干擾管道電位分布

分析圖3，在不同土壤電阻率的情況下，受干擾管道電位分布規律類似，模型中采用了一個陽極，所以受干擾管道電位在兩管道交叉的位置出現了一個對稱的波峰分布形狀。隨著電阻率的變化，受干擾管道電位分布沿著管道走向的分布均勻性發生了變化。相較于高電阻率土壤介質中的受干擾管道電位分布，低電阻率土壤中的分布更為均勻。

4 結論

本文采用雙管道模型研究了埋地管道受直流雜散電流干擾的影響，隨著土壤中恒定電位儀輸出電流的增大，受干擾管道電位分布將會向交叉位置移動。這是因為流進受干擾管內的電流密度會隨著恒定電位儀輸出電流升高而變大，增強了受干擾管道表面的陰極極化作用。隨著土壤中電阻率值的增大，受干擾管道電位分布將會向正極一側移動。這是因為流進受干擾管內的電流密度會隨著土壤的電阻率升高而變小，削弱了受干擾管道表面的陰極極化作用。