直流接地極電流干擾下土壤結(jié)構(gòu)對(duì)管道泄漏電流分布影響

曹方圓，白鋒

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192)

0 引言

直流輸電系統(tǒng)在單極大地回路運(yùn)行方式下，會(huì)有較大的電流通過(guò)直流接地極入地，對(duì)附近的埋地油氣管道可能造成腐蝕和危險(xiǎn)影響，使得直流接地極對(duì)油氣管道的影響問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1-5]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外在直流接地極對(duì)埋地油氣管道影響方面開(kāi)展了大量研究，包括直流接地極對(duì)埋地油氣管道影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-10]、計(jì)算方法[11-13]、防護(hù)措施[14-15]等，取得了很多研究成果。直流接地極對(duì)油氣管道影響因素主要包括接近距離、土壤情況、接地極電流大小、管道防腐層破損情況等，研究的手段主要是仿真計(jì)算和實(shí)地測(cè)試。其中直流接地極電流大小和接近距離對(duì)管道電流電位分布的影響規(guī)律較為明確，而長(zhǎng)輸管道通常綿延幾百上千千米，管道沿線(xiàn)土壤環(huán)境比較復(fù)雜，土壤結(jié)構(gòu)對(duì)管道電流電位分布的影響規(guī)律目前還少有報(bào)道。

通過(guò)不同研究手段的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在涉及大范圍土壤區(qū)域的實(shí)例中，仿真計(jì)算和實(shí)地測(cè)試的管道泄漏電流及最大值出現(xiàn)位置往往相差甚遠(yuǎn)。比如，對(duì)于直流接地極的干擾，實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)管道埋設(shè)層土壤電阻率越高，泄漏電流密度越小，但仿真分析中，如果采用均勻土壤模型，結(jié)論則是土壤電阻率越高，管道泄漏電流越大。實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)論剛好相反，這主要是由實(shí)地測(cè)試中的土壤結(jié)構(gòu)與均勻土壤結(jié)構(gòu)存在較大差異引起的。本文建立直流接地極對(duì)管道影響的計(jì)算模型，通過(guò)仿真計(jì)算，研究不同土壤結(jié)構(gòu)，包括均勻土壤結(jié)構(gòu)、水平分層土壤結(jié)構(gòu)、垂直分層土壤結(jié)構(gòu)對(duì)管道泄漏電流分布、泄漏電流流入流出分界點(diǎn)、管道流入流出電流總量和管道最大年腐蝕深度的影響，可為后續(xù)直流工程接地極選址和油氣管道路徑選擇提供參考。

1 計(jì)算方法簡(jiǎn)介

工程上已有相對(duì)成熟的直流接地極對(duì)埋地油氣管道影響評(píng)估的計(jì)算手段[11-13,16]。部分研究人員使用仿真計(jì)算軟件CDEGS進(jìn)行直流接地極對(duì)油氣管道影響的計(jì)算，也有學(xué)者根據(jù)需要自行編寫(xiě)程序進(jìn)行評(píng)估[11-12]。單獨(dú)使用CDEGS進(jìn)行計(jì)算很難考慮管道破算點(diǎn)處的極化效應(yīng)，對(duì)管道泄漏電流計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定影響，本文在CDEGS的基礎(chǔ)上，使用迭代算法來(lái)考慮管道破損處的極化效應(yīng)。

1.1 考慮管道破損的計(jì)算方法

電流在流入/流出管道時(shí)，管道電位會(huì)偏離本身的自然腐蝕電位，這種現(xiàn)象就是管道的極化。管道泄漏電流密度與極化電位所對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)叫做“極化曲線(xiàn)”，其中，極化電位為管道破損后，管道金屬電位與近地電位之間的差值。管道極化曲線(xiàn)示意圖如圖1所示[17]。

圖1 極化曲線(xiàn)示意圖

圖1中橫坐標(biāo)為管道的泄漏電流密度(電流從管道流向土壤為正方向)，縱坐標(biāo)為管道的極化電位。選定破損點(diǎn)的電流密度初值后，在曲線(xiàn)上作該點(diǎn)的切線(xiàn)，切線(xiàn)斜率為k，切線(xiàn)與Y軸交于點(diǎn)v。

在計(jì)算中，首先將管道分段，對(duì)于一小段有局部破損的管道而言，認(rèn)為管道的破損點(diǎn)均勻分布在分段后的管道上[18]，那么這段管道的金屬與土壤之間的電路模型如圖2所示。

圖2 涂層電路模型(有破損管道)

圖2中r1為分段后管道未破損處的防腐層電阻，I1為從防腐層流出/流入的電流；r2為分段后管道破損處的極化電阻(與極化曲線(xiàn)斜率k及破損點(diǎn)面積有關(guān))，v為破損處的等效電壓源，極化電阻和等效電壓源都可從極化曲線(xiàn)上求出，I2為從破損處流出/流入的電流；I為該分段后管道流出/流入的總電流。將電路進(jìn)行二端口等效，等效電路如圖3所示。

圖3 涂層等效電路

這樣就可以得到有破損管道的等效對(duì)地電阻和對(duì)地電壓源[17]，結(jié)合管道上其他防護(hù)措施的電路模型[11]，即可獲得每段管道上的總泄漏電流，進(jìn)而求出管道防腐層和破損處的泄漏電流，再根據(jù)極化曲線(xiàn)進(jìn)行迭代直至收斂。該方法的有效性在文獻(xiàn)[18]中已有敘述，這里不再贅述。

1.2 管道腐蝕深度計(jì)算方法及限值選取

通過(guò)調(diào)研我國(guó)典型超/特高壓直流接地極的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，給出了直流輸電工程各工況的運(yùn)行時(shí)間，如表1所示。

表1 直流輸電工程各工況運(yùn)行時(shí)間(按60 a考慮)

說(shuō)明如下：1)在運(yùn)直流輸電工程建設(shè)初期一般只在調(diào)試階段有單極大地回路運(yùn)行工況，運(yùn)行安時(shí)數(shù)折算成額定電流的總運(yùn)行時(shí)間一般不超過(guò)30 h，即0.003 4 a；2)直流輸電工程設(shè)計(jì)使用年限60 a，壽命期內(nèi)單極大地回路運(yùn)行(陰極運(yùn)行)的時(shí)間為：強(qiáng)迫停運(yùn)0.15 a，計(jì)劃停運(yùn)0.3 a；3)直流輸電工程雙極運(yùn)行工況時(shí)，接地極電流按比較保守的額定電流的1%考慮。

除去直流輸電工程建設(shè)初期的調(diào)試時(shí)間，每年單極大地回路運(yùn)行時(shí)間為T(mén)1=0.45/60=0.007 5 a，雙極運(yùn)行時(shí)間為T(mén)2=29.55/60=0.492 5 a。計(jì)算出直流輸電工程單極大地運(yùn)行和雙極運(yùn)行時(shí)管道的泄漏電流密度，通過(guò)法拉第電解定律即可得出管道的年腐蝕深度。

國(guó)內(nèi)外有不少針對(duì)穩(wěn)定直流干擾源對(duì)埋地油氣管道影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些指標(biāo)都未能考慮直流接地極這種具有短時(shí)入地電流大、長(zhǎng)時(shí)入地電流小特點(diǎn)的直流干擾，且不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于管道腐蝕速率的規(guī)定有很大差異。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NACE SP 0169—2013[9]規(guī)定：一種常用的有效外腐蝕控制指標(biāo)為降低腐蝕速率至1 mil/a或更少，也即每年腐蝕深度0.025 4 mm。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1—2015[10]規(guī)定：極化電位(不含IR降)需不大于保護(hù)電位，保護(hù)電位為當(dāng)腐蝕速率小于0.01 mm/a變成可以忽略的程度時(shí)，將不會(huì)造成腐蝕。上述指標(biāo)是用于判斷管道陰極保護(hù)系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求的控制值，給出的年腐蝕深度屬于腐蝕可忽略的水平，用于評(píng)估直流接地極對(duì)油氣管道的腐蝕影響是否超標(biāo)過(guò)于嚴(yán)苛。在沒(méi)有針對(duì)直流接地極對(duì)油氣管道腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)之前，本文暫用文獻(xiàn)[19]中規(guī)定的0.025 4 mm/a作為管道直流腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算模型

我國(guó)高壓直流輸電工程電壓等級(jí)涵蓋±400—±1 100 kV，其中，超高壓直流輸電工程主要以±500 kV為主，額定電流3 000 A；特高壓直流輸電工程則主要為±800 kV，額定電流一般為5 000 A。接地極入地電流越大，其對(duì)埋地油氣管道的腐蝕影響越大，基于保守考慮，本節(jié)計(jì)算中以我國(guó)±800 kV特高壓直流輸電工程接地極的典型參數(shù)作為計(jì)算條件。

計(jì)算參數(shù)選取如下：接地極陰極運(yùn)行(電流從土壤流入接地極)，電流大小5 kA，極環(huán)材料為φ80圓鋼，埋深4 m；管道全長(zhǎng)200 km，管道參數(shù)參考某長(zhǎng)輸管道的參數(shù)，即外徑1 219 mm，壁厚20 mm，X80鋼級(jí)，埋深1.5 m，3PE防腐層，破損率取0.03%(3PE防腐層管道投運(yùn)10 a后的破損率平均值)；土壤pH值選為8(我國(guó)長(zhǎng)江以北多為中、堿性土壤，土壤pH值在計(jì)算中主要影響管道的極化曲線(xiàn))，接地極位于管道的中垂線(xiàn)上，距管道的最近距離為10 km，相對(duì)位置示意圖如圖4所示。

圖4 接地極與管道相對(duì)位置關(guān)系

3 土壤結(jié)構(gòu)對(duì)管道泄漏電流分布影響計(jì)算

我國(guó)土壤電阻率根據(jù)各地區(qū)實(shí)際情況有較大差異，山區(qū)土壤電阻率較大，可達(dá)上千歐米，平原地區(qū)則較低，僅幾十歐米。土壤電阻率的大小直接影響接地極電流的散流效果和管道周?chē)碾娢惶荻龋瑥亩绊懝艿赖男孤╇娏鞣植肌Ｏ旅嫜芯坎煌寥澜Y(jié)構(gòu)，包括均勻土壤、水平分層土壤和垂直分層土壤對(duì)管道泄漏電流密度的影響規(guī)律。3種土壤結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 3種土壤結(jié)構(gòu)

3.1 均勻土壤結(jié)構(gòu)

土壤為均勻土壤結(jié)構(gòu)，電阻率分別為100 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m時(shí)管道泄漏電流密度分布如圖6—7所示。

圖6 均勻土壤結(jié)構(gòu)下，不同土壤電阻率對(duì)應(yīng)的管道泄漏電流密度分布(接地極電流50 A)

其他參數(shù)如下：接地極陰極運(yùn)行，額定電流5 kA(直流輸電工程正常運(yùn)行時(shí)的雙極不平衡電流取額定電流的1%，也即50 A)，管道全長(zhǎng)200 km，外徑1 219 mm，壁厚20 mm，3PE防腐層，破損率為0.03%，接地極距管道的最近距離為10 km，土壤pH值為8。

圖7 均勻土壤結(jié)構(gòu)下，不同土壤電阻率對(duì)應(yīng)的管道泄漏電流密度分布(接地極電流5 000 A)

不同土壤電阻率時(shí)管道最大泄漏電流密度、管道上電流流入流出分界點(diǎn)位置、流入管道的電流總量和管道最大年腐蝕深度如表2所示。

表2 均勻土壤結(jié)構(gòu)下，不同土壤電阻率對(duì)應(yīng)的管道最大泄漏電流密度、分界點(diǎn)位置、流入電流總量及年腐蝕深度

從表2數(shù)據(jù)可以看出，接地極陰極運(yùn)行時(shí)，靠近接地極的管道泄漏電流為流出方向，遠(yuǎn)離接地極的管道泄漏電流為流入方向。對(duì)于均勻土壤結(jié)構(gòu)，土壤電阻率大小不改變管道泄漏電流的分布趨勢(shì)，但對(duì)管道的泄漏電流大小有較大影響。接地極電流為5 000 A時(shí)的管道泄漏電流密度最大值比接地極電流為50 A時(shí)的大超過(guò)100倍，是由于破損點(diǎn)處的非線(xiàn)性極化效應(yīng)引起的。其他條件不變的情況下，土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度越大(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越多，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越大。土壤電阻率為100 Ω·m和1 000 Ω·m時(shí)，泄漏電流密度最大值及最大年腐蝕深度相差接近2倍，流入管道的電流總量相差接近3倍。

直流接地極是一個(gè)電流源，在接地極電流不變的情況下，土壤電阻率越高，接地極周?chē)牡仉娢簧礁摺㈦娢惶荻仍酱蟆?duì)地中電流而言，管道金屬是一個(gè)低電阻泄流通道，會(huì)有更多的電流通過(guò)管道流通，對(duì)應(yīng)管道上的泄漏電流密度也就越大、受腐蝕影響區(qū)域的范圍越大(即泄漏電流流入流出分界點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心)、流入流出管道的電流總量越多、年腐蝕深度最大值(對(duì)應(yīng)于距接地極最近的管道處)也越大。在上述算例中，各土壤電阻率下管道的年腐蝕深度最大值都超過(guò)了0.025 4 mm/a的管道直流腐蝕限值。需要說(shuō)明的是，計(jì)算中管道上沒(méi)有陰極保護(hù)及接地排流措施，實(shí)際工程中，管道上通常有陰極保護(hù)設(shè)備及排流裝置，這些防護(hù)措施可以大幅緩解直流接地極電流對(duì)管道的干擾。

3.2 水平分層土壤結(jié)構(gòu)

水平分層土壤模型是接地計(jì)算中最常用到的土壤模型，在計(jì)算中將土壤分為兩層，考慮3種情況：1)直流接地極和管道的埋設(shè)層土壤電阻率固定，下層土壤電阻率不同；2)下層土壤電阻率相同，直流接地極和管道的埋設(shè)層土壤電阻率不同；3)是表層、底層土壤電阻率都相同，表層土壤厚度不同。

水平兩層土壤結(jié)構(gòu)，上層土壤電阻率為200 Ω·m，厚10 m，下層土壤電阻率為100 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m，其他參數(shù)與均勻土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算中一致。不同下層土壤電阻率時(shí)管道最大泄漏電流密度、管道上電流流入流出分界點(diǎn)位置、流入管道的電流總量和管道最大年腐蝕深度如表3所示。

表3 下層土壤電阻率不同時(shí)管道最大泄漏電流密度、分界點(diǎn)位置、流入電流總量及年腐蝕深度

從表3數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于水平分層土壤結(jié)構(gòu)，下層土壤電阻率的大小對(duì)管道的泄漏電流大小有較大影響。其他條件不變的情況下，下層土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度越大(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越多，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越大。下層土壤電阻率為100 Ω·m和1 000 Ω·m時(shí)，泄漏電流密度最大值及最大年腐蝕深度相差約4.7倍，流入管道的電流總量相差約5.6倍。

在直流接地極電流固定的情況下，下層土壤電阻率越高，會(huì)有更多的電流通過(guò)上層土壤流動(dòng)，上層土壤的地電位升及電位梯度也越大，對(duì)應(yīng)管道上的泄漏電流密度也就越大、受腐蝕影響區(qū)域的范圍越大(即泄漏電流流入流出分界點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心)、流入流出管道的電流總量越多、年腐蝕深度最大值(對(duì)應(yīng)于距接地極最近的管道處)也越大。

水平兩層土壤結(jié)構(gòu)，上層土壤電阻率分別為100 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m，厚10 m，下層電阻率為200 Ω·m，其他參數(shù)與均勻土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算中一致。不同上層土壤電阻率時(shí)管道最大泄漏電流密度、管道上電流流入流出分界點(diǎn)位置、流入管道的電流總量和管道最大年腐蝕深度如表4所示。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于水平分層土壤結(jié)構(gòu)，上層(直流接地極和管道的埋設(shè)層)土壤電阻率的大小對(duì)管道的泄漏電流大小有較大影響。其他條件不變的情況下，上層土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度越小(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越少，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越小。上層土壤電阻率為100 Ω·m和1 000 Ω·m時(shí)，泄漏電流密度最大值及最大年腐蝕深度相差約3.2倍，流入管道的電流總量相差約2.4倍。

表4 上層土壤電阻率不同時(shí)管道最大泄漏電流密度、分界點(diǎn)位置、流入電流總量及年腐蝕深度

在直流接地極電流固定的情況下，上層土壤電阻率越高，會(huì)有更多的電流通過(guò)下層土壤流動(dòng)，在上層土壤中流通的電流會(huì)大幅減少，對(duì)應(yīng)管道上的泄漏電流密度也就越小、流入流出管道的電流總量越少、年腐蝕深度最大值(對(duì)應(yīng)于距接地極最近的管道處)也越小。從表2和表3的對(duì)比中也可以發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律，這也解釋了工程實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)的管道埋設(shè)層土壤電阻率越大，在管道上測(cè)得的泄漏電流越小的現(xiàn)象。上層土壤中電位分布除了與流通的電流大小有關(guān)，還與土壤電阻率大小有關(guān)。在本算例中，受腐蝕影響區(qū)域的范圍隨著上層土壤電阻率的增大而增大(即泄漏電流流入流出分界點(diǎn)越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心)，如果上層土壤厚度及土壤電阻率取其他參數(shù)，這一結(jié)果可能會(huì)有不同。

從兩種情況的水平分層模型計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)，管道埋設(shè)層流通的電流越多，管道上的最大泄漏電流密度、流入管道的電流總量和管道最大年腐蝕深度也越大。由此推斷，若直流接地極附近土壤電阻率低，管道附近土壤電阻率高，經(jīng)管道流通的電流總量會(huì)大大減少，對(duì)管道的腐蝕也會(huì)越弱，反之亦然。

水平分層土壤結(jié)構(gòu)中，由于直流接地極和管道埋設(shè)的深度不同，兩者可能不在同一層土壤中，表層土壤的厚度也會(huì)對(duì)管道泄漏電流分布有一定影響。水平兩層土壤結(jié)構(gòu)，上層土壤電阻率為100Ω·m，表層土壤厚度分別為3 m、10 m、30 m，下層電阻率為30 Ω·m，其他參數(shù)與均勻土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算中一致。不同上層土壤電阻率時(shí)管道最大泄漏電流密度、管道上電流流入流出分界點(diǎn)位置、流入管道的電流總量和管道最大年腐蝕深度如表5所示。

表5 表層土壤厚度不同時(shí)管道最大泄漏電流密度、分界點(diǎn)位置、流入電流總量及年腐蝕深度

從表5數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于水平分層土壤結(jié)構(gòu)，表層土壤厚度對(duì)管道的泄漏電流大小有一定的影響。表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率且其他條件不變的情況下，表層厚度越大，管道的泄漏電流密度越小(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越少，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越小。這是因?yàn)楸韺油寥离娮杪时鹊讓油寥离娮杪蚀螅S著表層土壤厚度的增大，表層土壤中每單位厚度流通的電流總量就越小，對(duì)應(yīng)管道上的泄漏電流密度也就越小、流入流出管道的電流總量越少、年腐蝕深度最大值(對(duì)應(yīng)于距接地極最近的管道處)也越小。同理，如果表層土壤電阻率小于底層土壤電阻率，隨著表層土壤厚度的增大，表層土壤中每單位厚度流通的電流總量會(huì)越大，對(duì)應(yīng)管道上的泄漏電流密度也就越大、流入流出管道的電流總量越多、年腐蝕深度最大值(對(duì)應(yīng)于距接地極最近的管道處)也越大。

3.3 垂直分層土壤結(jié)構(gòu)

直流接地極與最近的油氣管道的距離大多是幾千米至幾十千米，這一范圍內(nèi)，兩者所在位置的土壤情況可能存在較大差別。從探索規(guī)律的角度出發(fā)，將土壤在垂直方向分為兩層，兩層土壤的分界面在直流接地極和管道中間位置，也即直流接地極和管道距分界面的最近距離都為5 km，直流接地極側(cè)土壤電阻率為200 Ω·m，管道側(cè)土壤電阻率分別為100 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m，其他參數(shù)與均勻土壤結(jié)構(gòu)計(jì)算中一致。不同管道側(cè)土壤電阻率時(shí)管道最大泄漏電流密度、管道上電流流入流出分界點(diǎn)位置、流入管道的電流總量和管道最大年腐蝕深度如表6所示。

從表6數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于垂直分層土壤結(jié)構(gòu)，管道側(cè)土壤電阻率的大小對(duì)管道的泄漏電流大小有較大影響。其他條件不變的情況下，管道側(cè)土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度越小(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越少，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越小，與3.2節(jié)最后的結(jié)論一致。管道側(cè)土壤電阻率為100 Ω·m和1 000 Ω·m時(shí)，泄漏電流密度最大值及最大年腐蝕深度相差約4倍，流入管道的電流總量相差約3.2倍。

表6 管道側(cè)土壤電阻率不同時(shí)管道最大泄漏電流密度、分界點(diǎn)位置、流入電流總量及年腐蝕深度

同理，在直流接地極電流固定的情況下，管道側(cè)土壤電阻率越高，在管道側(cè)土壤中流通的電流會(huì)大幅減少，對(duì)應(yīng)管道上的泄漏電流密度也就越小、流入流出管道的電流總量越少、年腐蝕深度最大值(對(duì)應(yīng)于距接地極最近的管道處)也越小。管道側(cè)土壤電阻率為500 Ω·m和1 000 Ω·m時(shí)，即使管道上沒(méi)有陰極保護(hù)及接地排流措施，管道的最大年腐蝕深度也不超過(guò)0.025 4 mm/a的管道直流腐蝕限值。

3.4 結(jié)果分析

不同土壤結(jié)構(gòu)中、同一種土壤結(jié)構(gòu)不同土壤電阻率下的管道泄漏電流分布結(jié)果差異本質(zhì)上是由直流接地極電流在地中電位及電流分布不同引起的。為直觀(guān)了解不同土壤結(jié)構(gòu)下，直流接地極電流(陰極運(yùn)行，流入5 000 A)在管道處產(chǎn)生的地電位升和電流密度，在管道正上方(地面下方0.1 m處)設(shè)置觀(guān)測(cè)線(xiàn)，觀(guān)測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度100 km(從管道中心到管道端部)，如圖8所示，觀(guān)測(cè)線(xiàn)上每隔1 km設(shè)置一個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，各觀(guān)測(cè)點(diǎn)處地電位升及電流密度如圖9—10所示。

圖8 觀(guān)測(cè)線(xiàn)位置

圖9 觀(guān)測(cè)線(xiàn)處電位升

圖10 觀(guān)測(cè)線(xiàn)處電流密度

其中，均勻結(jié)構(gòu)土壤電阻率100 Ω·m；水平分層結(jié)構(gòu)1，上層土壤電阻率100 Ω·m，厚10 m，下層土壤電阻率200 Ω·m；水平分層結(jié)構(gòu)2，上層土壤電阻率200 Ω·m，厚10 m，下層土壤電阻率100 Ω·m；垂直分層結(jié)構(gòu)，直流接地極側(cè)土壤電阻率200 Ω·m，管道側(cè)土壤電阻率100 Ω·m，土壤的分界面在直流接地極和管道中間位置。

從圖9—10均勻土壤與水平分層土壤結(jié)構(gòu)的結(jié)果對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，上層(管道埋設(shè)層)土壤電阻率不變情況下，下層土壤電阻率增大，上層電流密度及地電位升絕對(duì)值也相應(yīng)增大；下層土壤電阻率不變情況下，上層(管道埋設(shè)層)土壤電阻率增大，上層電流密度會(huì)變小。從均勻土壤與垂直分層土壤結(jié)構(gòu)的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，管道側(cè)土壤電阻率不變情況下，直流接地極側(cè)土壤電阻率增大，管道側(cè)土壤中電流密度及地電位升絕對(duì)值也相應(yīng)增大。這也解釋了不同土壤結(jié)構(gòu)中土壤電阻率對(duì)管道泄漏電流分布影響的規(guī)律。

4 結(jié)論

本文在電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件CDEGS的基礎(chǔ)上，建立了考慮管道破損點(diǎn)處極化效應(yīng)的電路模型，通過(guò)仿真計(jì)算，研究了不同土壤結(jié)構(gòu)，包括均勻土壤結(jié)構(gòu)、水平分層土壤結(jié)構(gòu)、垂直分層土壤結(jié)構(gòu)對(duì)管道泄漏電流分布、泄漏電流流入流出分界點(diǎn)、管道流入流出電流總量和管道最大年腐蝕深度的影響，并通過(guò)管道上方地電位升及電流密度的計(jì)算驗(yàn)證了不同土壤結(jié)構(gòu)中土壤電阻率對(duì)管道泄漏電流分布影響的規(guī)律。得出了以下結(jié)論。

1)均勻土壤結(jié)構(gòu)中，土壤電阻率大小不改變管道泄漏電流的分布趨勢(shì)，但對(duì)管道的泄漏電流大小有較大影響，土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度越大(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越多，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越大。

2)管道埋設(shè)層土壤電阻率固定的水平分層土壤結(jié)構(gòu)中，下層土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度、流入流出管道的電流總量、泄漏電流流入流出分界點(diǎn)位置、最大年腐蝕深度的規(guī)律與均勻土壤結(jié)構(gòu)中一致。

3)下層土壤電阻率固定的水平分層土壤結(jié)構(gòu)中，管道埋設(shè)層土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度越小(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越少，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越小。

4)表層土壤電阻率大于底層土壤電阻率的水平分層土壤結(jié)構(gòu)中，表層厚度越大，管道的泄漏電流密度越小(這里指管道中心及兩側(cè)偏離零點(diǎn)的幅度)，流入流出管道的電流總量也越少，管道上泄漏電流流入流出分界點(diǎn)有越來(lái)越遠(yuǎn)離管道中心的趨勢(shì)，管道的最大年腐蝕深度也越小。

5)直流接地極側(cè)土壤電阻率固定的垂直分層土壤結(jié)構(gòu)中，管道側(cè)土壤電阻率越大，管道的泄漏電流密度、流入流出管道的電流總量、泄漏電流流入流出分界點(diǎn)位置、最大年腐蝕深度的規(guī)律與下層土壤電阻率固定的水平分層土壤結(jié)構(gòu)中一致。

土壤結(jié)構(gòu)對(duì)管道泄漏電流分布有較大影響，尤其是管道埋設(shè)層土壤電阻率低、底層土壤電阻率大或直流接地極側(cè)土壤電阻率大、管道側(cè)土壤電阻率低的情況，直流接地極對(duì)管道的影響更大，更需引起注意。實(shí)際工程中，對(duì)于平原地區(qū)的直流接地極及管道，土壤多為水平分層結(jié)構(gòu)，本文水平分層結(jié)構(gòu)的研究成果可為相關(guān)工程提供參考；對(duì)于南方地區(qū)的直流接地極及管道附近有山川、湖泊的情況，大范圍土壤不再適合簡(jiǎn)單等效成水平分層結(jié)構(gòu)，更應(yīng)該是既有垂直分區(qū)又有水平分層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，文中水平分層和垂直分層結(jié)構(gòu)的研究成果可為相關(guān)工程提供參考。建議后續(xù)工程分析評(píng)估中盡可能全面考慮土壤結(jié)構(gòu)，盡早將考慮大范圍復(fù)雜土壤情況的計(jì)算方法應(yīng)用到直流接地極對(duì)管道影響計(jì)算中。