CN104674228B

CN104674228B - 一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法

Info

Publication number: CN104674228B
Application number: CN201510052672.1A
Authority: CN
Inventors: 周吉祥
Original assignee: Shenzhen Gas Corp Ltd
Current assignee: Shenzhen Gas Corp Ltd
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2035-02-02
Also published as: CN104674228A

Abstract

本发明所提供的一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，通过采用边界元法建立地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型，使用所述模型模拟镁阳极的电位和电流密度、杂散电流大小及地铁平行长度对穿越段阴极保护系统的影响，从而可以对应提出定向钻穿越段阴极保护系统提升改善的初步方案，使定向钻穿越段管道的阴极保护系统得到提升改善，满足阴极保护准则，使管道安全运行得到有效保障。

Description

一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法

技术领域

本发明涉及建造设备防护领域，尤其涉及的是一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法。

背景技术

现有技术中，城镇燃气管道定向钻穿越多采用外防腐层和牺牲阳极阴极保护进行联合保护。由于穿越段距离较长，牺牲阳极保护距离有限，阴极保护效果可能不满足国家标准，尤其在动态直流杂散电流干扰下，阴极保护系统容易失效或保护不足，为管道的安全运行埋下了重大隐患，管道穿越段一旦腐蚀穿孔，处理难度大，后果严重。

因此，现有技术存在缺陷，有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中采用外防腐蚀层和牺牲阳极阴极保护对管道进行联合保护时，不能满足保护要求的缺陷，提供定向钻穿越管道阴极保护的检测方法。

本发明的技术方案如下：

一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，其中，包括：

A、采用边界元法建立地铁杂散电流干扰数值模型和阴极保护系统数值模型；

B、获取定向钻穿越管线中牺牲阳极的埋深、管道直径、分布走向和土壤电阻率的数据信息；

C、将所述数据信息代入所述模型，模拟出电位和电流密度的电位云图；

D、通过对所述电位云图的结果进行分析，得到定向钻穿越管道阴极保护的检测结果。

所述定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，其中，在步骤A还包括：

在建立所述模型时，设置测得的牺牲阳极电位作为牺牲阳极的恒电位边界条件；设置辅助阳极输出电流除以阳极表面积得到的电流密度作为辅助阳极的恒电流边界条件。

所述定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，其中，在步骤A中：所述地铁杂散电流干扰数值模型为：

式中，为钢轨的接地表面，为钢轨上的电流密度。

用矩阵形式写为：HU=GQ；式中：

U 和 Q 中各有 n 个元素；由定解问题的定解条件知，在 2n 个元素中应有 n个已知，n 个未知；将 n 个未知元素组成矢量 X，得到新的代数方程组：

AX=F

解此方程组，求出 X，于是即得到全部边界上的电位和电流密度的分布。

有益效果：本发明所提供的一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，通过采用边界元法建立地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型，使用所述模型模拟镁阳极的电位和电流密度、杂散电流大小及地铁平行长度对穿越段阴极保护系统的影响，从而可以对应提出定向钻穿越段阴极保护系统提升改善的初步方案，使定向钻穿越段管道的阴极保护系统得到提升改善，满足阴极保护准则，使管道安全运行得到有效保障。

附图说明

图1为本发明提供的一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、采用边界元法建立地铁杂散电流干扰数值模型和阴极保护系统数值模型；

S2、获取定向钻穿越管线中牺牲阳极的埋深、管道直径、分布走向和土壤电阻率的数据信息；

S3、将所述数据信息代入所述模型，模拟出电位和电流密度的电位云图；

S4、通过对所述电位云图的结果进行分析，得到定向钻穿越管道阴极保护的检测结果。

对于地铁杂散电流和阴极保护来说，它是一个电场问题，可以通过数值模拟技术得到管道、阳极等研究对象上的电位和电流密度分布，以云图方式显示的结果可以很清晰地看到杂散电流所产生的影响。因而，数值模拟技术在研究干扰问题时更为方便和快捷。

利用数值方法来求解所研究问题特性的数学模型就是数值计算的实质所在，建立一个数学模型应该至少包括对问题的描述方程和相应得边界条件。在管道阴极保护系统的电位分布的研究中，比较多应用拉普拉斯(Laplace)方程这一描述方程式作为阴保电位分布计算，Laplace 方程形式为：

（1）

式中：为电位，为电导率（研究区域内介质）。

只有假设所研究系统内没有电流的得失，没有源点或汇点，导电介质都是均匀的，系统状态不随时间发生变化处于稳态，才能如果要保证拉 Laplace 方程的有效性。

如果所区域内有场源存在时，电位分布方程的则应使用泊松(Poisson)方程：

（2）

拉普拉斯或泊松方程的解取决于求解区域的几何布局和边界条件。从数学上来讲，要得到一个偏微分方程的定解可以必须有一定的边界条件来补充和限制

拉普拉斯方程的边界条件有三类：

(1)第一类边界条件(Dirichlet 条件)

全部边界上的函数值已知，即：

(2)第二类边界条件(Neumann 条件)

全部边界上的函数的法向导数已知，即：

(3)第三类边界条件(混合边界条件)

一部分边界已知函数值，另一部分边界已知函数的法向导数值。或者已知函数和它的法向导数之间的关系。

具体到阴极保护系统中，它的边界条件可参看表 1：

同等造成轨道对地的过渡电阻和土壤电阻分布不均等不确定性因素，所以严格意义上的地铁杂散电流理论计算是难以实现的。

为简化所研究的问题，同时避免给影响规律研究带来明显的误差，一般的做法是提出合理的假设，对地铁线路进行简化，这些假设：

（1）位于走行轨上的轴向电阻是分布均匀的；

（2）馈电线路的阻抗忽略不计；

（3）土壤电阻和轨道对地的过渡电阻是均匀分布的。

由地铁杂散电流干扰的加入并不改变阴极保护系统电位分布所满足的Laplace方程，只是系统电流需满足自平衡条件，即由地铁上流出的杂散电流必须再返回到铁轨上，自平衡条件如下：

（3）

式中，为钢轨的接地表面，为钢轨上的电流密度。该条件表明地铁泄漏电流最终全部会返回到铁轨上。

随着阴极保护技术的完善，越来越复杂的物体需要阴极保护技术给予保护，

一些复杂的被保护结构电位分布很难再用传统的方法做出准确的计算和评价；在计算机技术飞速发展的今天，随之而来数值计算方法空前发展。使用计算机强大的计算分析能力对阴保技术又带来一次革新，数值方法求解微分方程的基本思路是用离散的﹑只含有限未知数的代数方程组去近似替代连续变量的微分方程及边界条件，从而求出节点上待定函数的近似值。

阴极保保护系统的数学模型可通过有限元法(FEM)﹑有限差分法(FDM)和边界元法(BEM)来求得数值解。其中，因为阴极保护系统中关注的是被保护金属结构物的表面电位，所以现在边界元法(Boundary Element Method)在阴保系统的模式计算中的被使用较为普遍。边界元法是上世纪八十年代初提出的，它是的一种数值计算方法，它的基础解是问题控制微分方程，并以此建立边界积分方程，然后对边界积分方程通过插值﹑离散等手段，取得关于边界上未知数的方程，从而获得所要求的物理量。

通过加权余量法或格林公式得到边界积分方程，具体形式如下：

（4）

边界积分方程的离散单元有常单元﹑线性单元﹑二次单元及更高阶的单元；相应得差值函数分别为常数﹑线性函数﹑二次函数及更高阶的函数。通过边界单元的离散，可得到一个离散后的代数分程组，用矩阵形式写为：HU=GQ。式中：

U 和 Q 中各有 n 个元素。由定解问题的定解条件知，在 2n 个元素中应有 n个已知，n 个未知。将 n 个未知元素组成矢量 X，得到新的代数方程组：

AX=F （5）

解此方程组，求出 X，于是全部边界上的就得到了，即得到了电位和电流密度的分布。

《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》（SY/T0017）规定：“管地电位较自然电位正向偏移 100mV 或管道附近土壤中电位梯度大于 2.5mV/m 时，管道应及时采取排流保护措施。”对于城镇燃气埋地管道，由于城市中杂散电流源千变万化，其发生杂散电流腐蚀的机会往往是随机的，随外界电力设施的负载情况、地铁轨道的绝缘情况、管道的防腐层情况会导致电流方向、电流强度等参数的变化。由于各类杂散电流源不能准确定位，就给杂散电流的抑制和消除带来很大困难，此时接地排流就成为诸多排流方式中最适宜的选择。

实际上，牺牲阳极作为阴极保护的牺牲，除具有提供保护电流起到阴极防护作用外，由于其填包料接地电阻较低还是很好的接地排流手段。由于牺牲阳极直接接地排流方式适用性强，施工简单且成本低，在城市排流方面在国内使用较多，但不可否认的是，由于牺牲阳极直接接地排流方式排流功率小，因而所能提供的排流保护距离较短。如果从这个方面考虑，通过增加阳极组数（即阳极排流点数），适当减少每组阳极的支数，可以有效地增加排流效果，而且有利于阴极保护电流的分配。

因为牺牲阳极是裸露的镁合金，其与管道通过导线电连接在一起，所以镁阳极相当于管道上的一个大缺陷点。对于单只水平放置的阳极，当埋深小于阳极长度，且填包料的电阻率小于 1Ω·m 时，阳极的接地电阻可由下述公式计算出：

（6）

式中：l：填包料总长

t：填包料中心线的深度

d：填包料直径

ρ：土壤电阻率

当阳极埋深大于阳极长度，且填包料的电阻率小于 1Ω·m 时，阳极接地电阻的计算公式如下：

（7）

考虑等效的缺陷类型为盘状缺陷，其接地电阻为：

R=ρ/2D （8）

例如：某公司输配分公司次高压管线附近所埋设的镁牺牲阳极尺寸(加填包料)大约为 Φ200 mm，长 1200 mm。令阳极接地电阻和缺陷接地电阻相等时，土壤电阻率一项正好可以约去。假设阳极埋深较浅，为 0.5 m 时，其等效的缺陷直径为 1.41 m；当阳极埋设较深时，其接地电阻与深度无关，此时其等效的缺陷直径为 1.5 m。这说明镁牺牲阳极的存在，会大大增加吸收到的杂散电流量，由此造成的影响是不容忽视的。

假设铁轨泄漏运行需要的电流为 2000A，且其中有 0.5%的电流漏泄，即为10 A的电流，管道的涂层完全绝缘，铁轨和管道的并行间距为 100 m，并行长度为 120 km，此时便可以模拟出的镁阳极的电位和电流密度的分布云图，基于该分布云图进行解析，可以得到定向钻穿越管道阴极保护的检测结果。

本发明通过采用边界元法建立了地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型，通过模拟镁阳极的电位和电流密度、杂散电流大小及地铁平行长度对穿越段阴极保护系统的影响，得到定向钻穿越段阴极保护电位分布规律及保护效果评估，依据评估结果，施工者可以提出定向钻穿越段阴极保护系统提升改善拟采用极性排流和强制排流相结合的初步方案，并依据初步方案指导现场排流器的安装及强制排流站的施工、调试，使管道安全运行得到有效保障。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种定向钻穿越管道阴极保护的检测方法，其特征在于，包括：

A、采用边界元法建立地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型；

C、将所述数据信息代入所述地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型，模拟出电位和电流密度的电位云图；

D、通过对所述电位云图的结果进行分析，得到定向钻穿越管道阴极保护的检测结果；

在步骤A还包括：

在建立所述地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型时，设置测得的牺牲阳极电位作为牺牲阳极的恒电位边界条件；设置辅助阳极输出电流除以阳极表面积得到的电流密度作为辅助阳极的恒电流边界条件；

在步骤A中：所述地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型所对应的管道阴极保护系统中电流所满足的自平衡条件为：

式中，为地铁中钢轨的接地表面，为地铁中钢轨上的电流密度；

在步骤A中：通过加权余量法或格林公式得到所述地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型的边界积分方程，所述边界积分方程的具体形式如下：

用矩阵形式写为：HU=GQ；式中：

AX=F

解此方程组，求出 X，于是即得到全部边界上的电位和电流密度的分布;

所述步骤A中的地铁杂散电流干扰和阴极保护系统数值模型，包含以下假设：

（1）位于走行轨上的轴向电阻是分布均匀的；

（2）馈电线路的阻抗忽略不计；

（3）土壤电阻和轨道对地的过渡电阻是均匀分布的。