CN103422094A - 一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，涉及金属材料的一般防蚀和管道系统技术领域。其步骤如下：地床初步设计；实地参数测量；定出若干个初步地床设计方案；针对每个初步设计方案，建立对应的三维几何模型；网格划分和边界设定；求解计算模型，利用欧姆定律，得出阳极地床接地电阻；最后，继续创建一个地床接地电阻变量Rgrounding，用于存储地床接地电阻值，其表达式为Rgrounding＝ΔU/I_total，ΔU为边界条件中设定的阳极地床边界电位与球冠的电位差；这样就得到了该地床设计方案在特定土壤条件下对应的接地电阻值。本发明基于有限元离散算法、具有适用范围广、简单易行、准确度高。
Description
技术领域
本发明是一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，涉及金属材料的一般防蚀和管道系统技术领域。
背景技术
阴极保护是埋地金属管道的重要防护措施之一，在防腐层失效或破损的条件下，为管道提供保护，可分为强制电流法和牺牲阳极法两种形式。在实际的埋地金属管道阴极保护实践中，往往采用强制电流法为主，牺牲阳极法为辅。
简单的说，强制电流阴极保护基本构成有三部分，分别是直流电源、阳极地床、被保护埋地金属管道，如图1所示。对应的电路连接如下：从直流电源正极引出导线，焊接到阳极地床上；从直流电源负极引出导线，连焊接到被保护金属管道上。如此以来，电流从直流电源的正极流出，经由导线、埋地阳极地床散流入大地，在金属管道防腐层漏点流入管道，汇流于管道上的负极电缆，回到电源负极，构成完整闭合回路。上述过程中，在防腐层漏点处，由于阴极保护电流的作用，造成管道电位会负方向偏移，当偏移到一定量时，管体腐蚀速率就可以降低可以忽略的程度，实现了阴极保护。
阴极保护阳极地床主要有浅埋式、深井式和柔性阳极三种形式，但是对长输埋地管道阴极保护来说，浅埋式阳极地床使用最为广泛。浅埋式阳极地床的设计好坏对强制电流阴极保护系统的长期、平稳、低功耗运行有重要意义。浅埋式阳极地床的设计主要考虑两点：(1)尽量低的接地电阻，(2)可以满足长期消耗合理的阳极数量。尽量低的接地电阻可以减小整个回路等效电阻，在工作电流一定的情况下，实现低功耗运行。虽然国标(GB/T 21448-2008：埋地钢制管道阴极保护技术规范)已经不对地床接地电阻进行硬性规定，但是，大多数业主还是希望能将接地电阻控制到2欧姆以下。考虑到阳极地床可能将连续工作二三十年，甚至更长，所以必要有足够的阳极数量。
目前，浅埋式阳极地床设计方案单一：不管单支阳极水平式铺设还是立式铺设，阳极在地床中均沿一条直线排列。以一个包含15支阳极，单支长1.5米，每支间距5米的阳极地床为例，对应的地床长度约为100米。这种设计方案对位于地广人稀地区地床设计具有良好适用性。但是在人口稠密地区，土地资源紧缺，征地难度大，采用更紧凑、多样化的地床设计方案逐渐成为一种趋势。
目前使用的浅埋式阳极接地电阻估算方法可以分为三步，分别为：(1)根据单支阳极的埋设方式(水平式或立式)，利用理论公式估算出单支阳极在特定土壤电阻率条件下对应的接地电阻R，具体公式参见GB/T 21448-2008附录A；(2)根据地床中埋设阳极的支数n(通常为10-15支)和支与支间距L，人工查表得出多支阳极之间干扰系数F，(3)估算整个地床接地电阻Rn：Rn＝(R/n)×F。
目前使用的这种浅埋式阳极接地电阻估算方法虽然使用方便，但是，适用范围却非常窄，具体说，仅仅适用于所有阳极沿直线排列这一种情况，难于适应多样化的地床设计新需求。这就需要一种更加普适、简单易行的计算浅埋式阳极地床接地电阻新方法。
发明内容
本发明目的是发明一种基于有限元离散算法、具有适用范围广、简单易行、准确度高的阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法。
本数值模拟方法通过以下步骤实现对浅埋式阳极接地电阻的求解，具体步骤如下：
第一步，地床初步设计
按照浅埋式阳极地床设计寿命和阳极年消耗率，估算出地床中需要使用的阳极支数和每支阳极的规格；
第二步，实地参数测量
对阳极地床位置实地勘察，测量阳极地床区域的土壤电阻率平均值；如果想得到更精确的接地电阻，可以测量当地土壤电阻率随深度变化情况：
ρ＝ρ(h)；
第三步，定出若干个初步地床设计方案
可以根据地床实际许可规模，设计最有可能的几个地床方案；如单组阳极设计方案、两组并排设计方案、还可以在每组中适当增减阳极数目；
第四步，针对每个初步设计方案，建立对应的三维几何模型
所建立的三维几何模型由两部分组成，分别为土壤部分和阳极地床部分。在远离阳极地床的地方，因阳极地床其产生的地电场会可近似为半空间球面场，所以，将土壤部分建成一个半球体；为了尽量减小边界效应影响，球体半径要大于10倍阳极地床总长度。
一般在地床施工过程中，为了提高单支阳极与土壤接触效果，在每支阳极的周围都要围填一层焦炭(一般30cm左右)，考虑到焦炭电阻率比较低(小于1欧姆米)，所以在建模的过程中，将焦炭层的厚度附加到单支阳极尺寸上，作为整体来建模，这样既可以简化建模，又不会影响计算精度；阳极埋深依据实际设计深度建模；
第五步，网格划分和边界设定
由于本数值模拟方法求解的网格模型仅为土壤区域，所以可以删除每支阳极对应的实体部分，只保留每支阳极外表面即可。采用有限元软件自带分网工具或专业的分网工具分网(如ANSYS ICEM CFD)对剩下的土壤模型进行网格划分。为了更好扑捉地床附近的地电场变化，在阳极地床附近要进行网格加密处理；
关于土壤物质属性设定，根据实际需要，可以设定一个常数土壤电阻率或者给出土壤电阻率随深度变化函数，如ρ＝ρ(h)；由于不需要计算每支阳极的实体部分，所以不用设定每支阳极的物质属性；
考虑到在实际地床工作条件下，各支阳极之间都是并联关系，电位趋于一致，然而，由于每支阳极所处的相对位置不同，各支阳极表面实际输出电流密度并不相等，所以土壤网格模型中，采用电位边界条件更合适，每支阳极表面输出电流密度会自动求出。在地床内每支阳极表面边界设定为恒定的电位，如10V，在近似无穷远边界的球冠边界上设定为参考电位：0V；
第六步，求解计算模型，利用欧姆定律，得出阳极地床接地电阻；
本数值模拟方法使用的是ANSYS CFX软件电磁模块求解上述网格模型，模型收敛精度为10-5；在后处理器中，积分提取出从阳极地床散流入大地的总电流量，采用欧姆定律计算整个地床的接地电阻，具体步骤为：
首先，在后处理器中，利用Tool菜单中的Surface Group功能，定义一个面组(Surface Group)，可命名为anode_surface，包含地床内所有单支阳极的外表面；
其次，在Expression函数处理器中，创建一个名为I_total的变量，用来提取从阳极地床中流入大地的总电流量，其表达式为：I_total＝areaInt(CurrentDensity)
最后，继续创建一个地床接地电阻变量Rgrounding，用于存储地床接地电阻值，其表达式为Rgrounding＝ΔU/I_total，ΔU为边界条件中设定的阳极地床边界电位与球冠电位的差。这样就得到了该地床设计方案在特定土壤条件下对应的接地电阻值。其他地床设计方案采用类似的数值模拟过程。
本数值模拟方法的优点在于：基于数值离散算法，适合任何形式浅埋式地床接地电阻的模拟，自动包含了地床内各支阳极之间的干扰效应，还可以包含实际土壤电阻率分布对接地电阻的影响，具有适用范围广、简单易行、精度高的优点。该数值模拟方法是目前阳极地床接地电阻估算法的重要补充。
附图说明：
图1为阴极保护基本构成示意图
具体实施方式
实施例.下面以一个真实的阳极地床设计案例来说明本数值模拟方法的实施过程。
该案例要为一个为人口稠密区浅埋式阳极地床进行移位。新阳极地床规模要求控制在5米×30米范围内，高硅铸铁阳极用量设定在15支左右，每支长为1.5米，阳极埋深为1.5米，设计地床接地电阻控制在2欧姆以内。
实地测量的土壤电阻率在60Ωm～70Ωm之间，选定的具有代表性的60Ωm、70Ωm进行地床接地电阻计算。
本案例选定了5个阳极地床设计方案，具体为：2组×6支、2组×7支、2组×8支、2组×9支、3排×6支，每支阳极间距、组与组间距根据每组阳极数目和组的数目相应增减。
建模时，半球体土壤模型半径定为400米，每支阳极外表面电位设定为10V，远方球冠电位为0V，求解收敛精度为10-5，最后得到5个设计方案的接地电阻如下表：
在充分考虑经济性和实用性后，最终推荐使用第3个设计方案：2排×8支。地床内每支高硅铸铁阳极间距2.5米，组间距4米。在考察的土壤电阻率范围内，该方案地床接地电阻均小于2欧姆，而且用阳极数目也最少。
本例经试验，证明其适用范围广、简单易行、精度高。
Claims (4)
1.一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，其特征在于其步骤如下：
第一步，地床初步设计
按照浅埋式阳极地床设计寿命和阳极年消耗率，估算出地床中需要使用的阳极支数和每支阳极的规格；
第二步，实地参数测量
对阳极地床位置实地勘察，测量阳极地床区域的土壤电阻率平均值；如果想得到更精确的接地电阻，可以测量当地土壤电阻率随深度变化情况：
ρ＝ρ(h)；
第三步，定出若干个初步地床设计方案
根据地床实际许可规模，设计最有可能的几个地床方案；如单组阳极设计方案、两组并排设计方案、还可以在每组中适当增减阳极数目；
第四步，针对每个初步设计方案，建立对应的三维几何模型
第五步，网格划分和边界设定
采用有限元软件自带分网工具或专业的分网工具分网对土壤模型进行网格划分；
土壤物质属性设定，根据实际需要，可以设定一个常数土壤电阻率或者给出土壤电阻率随深度变化函数，如ρ＝ρ(h)，不用设定每支阳极的物质属性；
模型中边界条件均采用电位边界，每支阳极表面输出电流密度会自动求出：在地床内每支阳极表面边界设定恒定的电位，如10V，在近似无穷远边界的球冠边界上设定为参考电位：0V；
第六步，求解计算模型，利用欧姆定律，得出阳极地床接地电阻
本方法使用的是ANSYS CFX软件电磁模块求解上述模型，模型收敛精度为10-5；在后处理器中，积分提取出从阳极地床散流入大地的总电流量，采用欧姆定律计算整个地床的接地电阻，具体步骤为：
首先，在后处理器中，利用Tool菜单中的Surface Group功能，定义一个面组Surface Group，命名为anode_surface，包含地床内所有单支阳极的外表面；
其次，在Expression函数处理器中，创建一个名为I_total的变量，用来提取从阳极地床中流入大地的总电流量，其表达式为：
最后，继续创建一个地床接地电阻变量Rgrounding，用于存储地床接地电阻值，其表达式为Rgrounding＝ΔU/I_total，ΔU为边界条件中设定的阳极地床边界电位与球冠的电位差；这样就得到了该地床设计方案在特定土壤条件下对应的接地电阻值。其他地床设计方案采用类似的数值模拟过程。
2.根据权利要求1所述的一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，其特征在于所建立的阳极地床三维几何模型由两部分组成，分别为土壤部分和阳极地床部分；在远离阳极地床的地方，阳极地床产生的地电场会近似为一个半空间球面场，将土壤模型形状建成一个半球形；
地床施工过程中，每支阳极的周围都要围填一层焦炭，在建模的过程中，将焦炭层的厚度附加到单支阳极尺寸上，作为整体来建模；阳极埋深依据实际设计深度建模。
3.根据权利要求1所述的一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，其特征在于网格划分和边界设定时，在阳极地床附近要进行网格加密。
4.根据权利要求2所述的一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，其特征在于所述土壤模型的球冠半径要大于10倍阳极地床总长度。
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