數(shù)值模擬技術(shù)在輸氣站區(qū)域陰極保護設(shè)計的應(yīng)用

延旭博

（河北省天然氣有限責任公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

近年來，隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，長距離、大口徑管道建設(shè)的加快，輸氣站區(qū)域陰極保護設(shè)計越來越受到重視。數(shù)值模擬技術(shù)為區(qū)域陰極保護設(shè)計提供了更加精確和可靠的手段，特別是在解決復雜接地系統(tǒng)和多回路間的干擾和屏蔽問題方面[1]，其具有傳統(tǒng)的理論計算不能比擬的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計、理論計算等方法相比，數(shù)值模擬的方法能夠在設(shè)計階段就預測陰極保護系統(tǒng)保護效果，并通過調(diào)整輔助陽極位置與數(shù)量，使陰極保護電位分布均勻，避免過保護和欠保護現(xiàn)象的發(fā)生[2]。在已運行多年的站場追加區(qū)域陰極保護措施的實踐證明，通過數(shù)值模擬技術(shù)對陽極布置進行優(yōu)化，提升了陰極保護系統(tǒng)的合格率，數(shù)值模擬計算的結(jié)果與現(xiàn)場實施后實測值誤差很小。

1 數(shù)值模擬技術(shù)及其在陰極保護應(yīng)用

1.1 數(shù)值模擬技術(shù)簡介

數(shù)值模擬技術(shù)是借助于電子計算機，并與有限元、有限體積等相關(guān)的概念相結(jié)合，利用數(shù)值計算、圖像展示等手段，實現(xiàn)對工程、物理、甚至是自然界中各種問題的研究[3]。最早在1953年， Bruce和 Peaceman首次對一維氣體非穩(wěn)態(tài)的徑向和線性流動進行了數(shù)值模擬。近年來，通過與電化學技術(shù)結(jié)合，數(shù)值模擬技術(shù)在陰極保護領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括有限差分法、有限元法和邊界元法等[4]，其中有限元法已成為復雜結(jié)構(gòu)和工況下陰極保護設(shè)計最有效的手段之一。

1.2 數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)劣勢

首先，數(shù)值模擬技術(shù)具有高精度、高效率的特點。通過數(shù)值模擬技術(shù)，可以精確計算復雜結(jié)構(gòu)下的電場分布、電位分布等電化學參數(shù)[5]。此外，在模擬大型金屬結(jié)構(gòu)時，傳統(tǒng)的試驗方法如饋電試驗需要大量的人力和時間，而有數(shù)值模擬技術(shù)則可以節(jié)省大量的資源。

其次，數(shù)值模擬技術(shù)具有較強的可視化和預測能力。在仿真過程中，可以對各種參數(shù)的變化進行實時監(jiān)控和可視化展示，使得研究者可以更好地了解電化學行為[6]。此外，在設(shè)計陰極保護方案時，可以進行多種方案的仿真比較，并根據(jù)仿真結(jié)果進行優(yōu)化。

然而，數(shù)值模擬技術(shù)在應(yīng)用中也存在一些局限性。首先，仿真結(jié)果的準確性受多種因素的影響，如模型的準確性、邊界條件準確性、物理參數(shù)的選擇等。在趨于極端條件下的仿真中，由于模型的復雜性和數(shù)值計算的穩(wěn)定性等問題，仿真結(jié)果可能存在一定的誤差，即過擬合問題[7]。此外，諸如電解質(zhì)濃度、材料特性、電極安裝位置等方面的參數(shù)變化可能會導致仿真結(jié)果的偏差，需要在實際應(yīng)用中不斷校準、修正模型，提高其精度和可靠性[8]。同時，數(shù)值模擬仿真技術(shù)在計算效率和資源消耗方面也存在一定的問題，雖然提高網(wǎng)格密度可以提高計算的準確性，但會增加計算資源的消耗，因此，需要考慮計算復雜度和計算資源的平衡利用問題。

在實際應(yīng)用中，需要充分考慮仿真技術(shù)的優(yōu)勢和局限性，并結(jié)合實際情況進行綜合分析，才能更好地應(yīng)用該技術(shù)。

1.3 數(shù)值模擬技術(shù)的在陰極保護的應(yīng)用

傳統(tǒng)的陰極保護設(shè)計方法依賴于現(xiàn)場試驗以及經(jīng)驗公式，其考慮的影響因素有限，其設(shè)計結(jié)果往往不夠精確可靠，同時也無法提供全面的陰極保護信息。相比之下，數(shù)值仿真技術(shù)以其精確性、可靠性和全面性受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

在輸氣站陰極保護設(shè)計中，數(shù)值仿真技術(shù)能夠快速準確地計算陰極保護電位分布及其對于被保護物質(zhì)的保護能力。根據(jù)導電體與周圍電解質(zhì)的不同特性建立的有限元模型可以準確地模擬陰極保護系統(tǒng)的電場分布和電流密度分布。針對輸氣站陰極保護設(shè)計中的不同材料、不同工況、不同電解質(zhì)濃度等因素進行仿真分析，可以得到相應(yīng)的模擬結(jié)果，用于指導陰極保護策略的制定，提高陰極保護的精度和實用性。

利用有限元仿真技術(shù)進行輸氣站陰極保護設(shè)計分析，不僅可以提高陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計效率，還可以降低設(shè)計成本和改進技術(shù)方案[9]。此外，模擬過程還可以對陰極保護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整，提供更加精確的陰極保護措施，滿足不同工況下的陰極保護需求[10]。

2 數(shù)值模擬在輸氣站X區(qū)域陰極保護設(shè)計的應(yīng)用

2.1 調(diào)研輸氣站基本情況

在進行輸氣站區(qū)域陰極保護系統(tǒng)設(shè)計前，調(diào)研輸氣站X的站場平面圖、埋地管道分布及尺寸、接地分布及尺寸、土壤電阻率數(shù)據(jù)和饋電實驗數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資料。

其中，站場平面圖和埋地管道分布及尺寸、接地分布及尺寸采用查閱設(shè)計圖紙資料，結(jié)合現(xiàn)場開挖驗證的方法，以圖紙資料為基礎(chǔ)，同時對接地等進行小規(guī)模的開挖，驗證圖紙的準確性。土壤電阻率采用ZC-8接地電阻測量儀實地測量并記錄。饋電試驗即采用臨時性陰極保護系統(tǒng)（臨時電源和陽極地床）對擬保護對象進行通電極化試驗，在此基礎(chǔ)上獲得不同區(qū)域的保護電流需求，并對比不同區(qū)域保護的難易。饋電試驗部分數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對該輸氣站進行饋電試驗，實際測試電位97處，各測試點的電位分布有很大差異，在試驗條件下部分測試點的陰極保護電位在有效范圍的邊界，證明了區(qū)域陰極保護系統(tǒng)的復雜性和電流分布的不均勻性。

2.2 輸氣站X埋地管道三維模型建立

在輸氣站X基礎(chǔ)資料調(diào)研總結(jié)基礎(chǔ)上，利用陰極保護數(shù)值模擬計算軟件進行了站內(nèi)埋地金屬結(jié)構(gòu)物區(qū)域陰極保護數(shù)值模擬計算三維幾何模型，如圖1所示，并進行了數(shù)值計算網(wǎng)格劃分。

圖1 輸氣站X幾何模型

2.3 確定邊界條件

邊界條件的準確性直接影響數(shù)值模擬仿真結(jié)果的準確性。雖然進行了詳細的現(xiàn)場調(diào)研，但是在模型的邊界條件中，仍有一定的數(shù)據(jù)是無法精準獲得的。

（1）因施工過程的不可知、不可控，接地系統(tǒng)在地下的分布和走向是無法全部通過開挖驗證和圖紙確定，因此，接地系統(tǒng)的規(guī)模、分布等會存在誤差；

（2）土壤電阻率的分布是不均勻的，由于模型及計算機的算力限制，因此將土壤電阻率取多個測試點的平均值，因此，其對計算結(jié)果會有一定的影響；

（3）土壤的溫度、含水量等其他邊界條件均會影響計算的結(jié)果。

為此，利用現(xiàn)場饋電試驗數(shù)據(jù)，通過反演計算來優(yōu)化不同區(qū)域埋地管道的陰極邊界條件。通過調(diào)整埋地管道的陰極邊界條件，并與饋電試驗的數(shù)據(jù)進行對比，得到與實際測試數(shù)據(jù)誤差最小的邊界條件作為埋地管道的陰極邊界條件。表2為部分管道反演結(jié)果及其與實際饋電結(jié)果的對比。

表2 模擬電位與真實電位對比

由對比結(jié)果可見，計算結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，相對誤差基本控制在10%以內(nèi)，說明反演獲得的管道邊界條件可以反映實際情況。

3 極地床分布方案優(yōu)化

在基于饋電試驗獲得的各區(qū)域埋地管道陰極邊界條件基礎(chǔ)上，對不同區(qū)域陽極地床分布進行了優(yōu)化計算，重點是陰極保護電位在合格范圍邊緣的1#、2#及3#區(qū)域，其分布如圖2所示。

圖2 陽極分布優(yōu)化重點區(qū)域

對1#區(qū)域，調(diào)整1#陽極地床的位置與輸出電流，經(jīng)調(diào)整后其電流從5.0A降至3.0A，與附近管道最近距離為13m；優(yōu)化后該區(qū)域內(nèi)所有埋地管道極化電位均落于-850～-1200mV（CSE）范圍內(nèi)，全部得到了理想的保護。

對2#區(qū)域，調(diào)整2#陽極地床的位置，位置調(diào)整為距離上方管線7m，距離左側(cè)管線5m，同時新設(shè)置了5#陽極地床，距離最近管道3m。經(jīng)過陽極地床位置及數(shù)量優(yōu)化后，該區(qū)域內(nèi)埋地管道極化電位均落入-850～-1200mV（CSE）范圍內(nèi)，全部得到了理想的保護。

對3#區(qū)域陽極地床的位置及數(shù)量進行優(yōu)化，新增6#陽極地床，該地床與附近管道的最近距離為8m。經(jīng)過陽極參數(shù)優(yōu)化，3#區(qū)域的埋地管道極化電位均落入-850～-1200mV（CSE）范圍內(nèi)，全部得到了理想的保護。

優(yōu)化后的陽極分布如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的陽極分布

4 應(yīng)用效果與分析

4.1 數(shù)值仿真計算結(jié)果驗證

項目按優(yōu)化后設(shè)計投用后，每回路輸出電流2～3A，與數(shù)值仿真結(jié)果一致。經(jīng)密間隔電位測試，陰極保護電位全部在-0.85～-1.25V有效保護范圍內(nèi)，且與數(shù)值仿真結(jié)果誤差均在10%以內(nèi)，驗證了仿真計算的準確性。

4.2 應(yīng)用展望

數(shù)值模擬技術(shù)可以在輸氣站區(qū)域陰極保護設(shè)計中快速準確地模擬電位分布情況等關(guān)鍵參數(shù)，從而能夠?qū)﹃帢O保護方案進行優(yōu)化。經(jīng)過實際應(yīng)用驗證，該方法能夠顯著提高陰極保護效果，為陰極保護設(shè)計提供了有益的幫助。未來可以結(jié)合更多的實際應(yīng)用情況，提出更加優(yōu)化的陰極保護設(shè)計方案，從而更好地保護輸氣站區(qū)域設(shè)施的安全穩(wěn)定運行。