周朝暉，王 劍，曹阿林

(1.河南省安全科學(xué)技術(shù)研究院，河南鄭州 450004;2.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南鄭州 450052;3.貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽 550081)

金屬管線輸送是油、氣、水以及其他液態(tài)化學(xué)品輸送的一種方便、快捷、有效的方式，廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保、冶金等行業(yè)，但金屬管線長期使用會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，對其安全運(yùn)行造成極大隱患，愈來愈引起普遍的關(guān)注。覆蓋涂層加陰極保護(hù)是土壤和水介質(zhì)環(huán)境中金屬管線最有效的腐蝕防護(hù)措施，也會使陰極保護(hù)金屬管線系統(tǒng)之間產(chǎn)生交互影響越來越大，特別是埋地金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)之間交互影響。由于其交互影響的復(fù)雜性，使得實(shí)驗(yàn)研究具有一定的困難。本文利用有限元分析軟件ANSYS強(qiáng)大的電磁仿真功能，模擬平行分布雙金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)之間的交互影響情況，分析強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)之間交互影響規(guī)律，為金屬管線的強(qiáng)制陰極電流保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、施工、維護(hù)提供一定的理論支持［1－5］。

1 ANSYS分析模型

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場、熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、機(jī)械制造、地礦冶金、國防軍工等工業(yè)及科學(xué)研究［6］。

為全面研究平行分布埋地雙金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)交互影響，首先應(yīng)對埋地單金屬管線(無交互影響)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)情況進(jìn)行ANSYS仿真分析，因此本文分別建立埋地單金屬管線模型和平行分布埋地雙金屬管線模型。

在土壤中埋設(shè)單或平行分布雙金屬管線，但金屬管線埋設(shè)于距地表2 m處，平行分布雙金屬管線分別埋設(shè)于距地表2 m(管線A)和4 m(管線B)處。金屬管線直徑均為300 mm、保護(hù)涂層厚度200 mm，長度10 m，模擬土壤環(huán)境為長、寬、高均為10 m的立方體區(qū)域。為簡化計算，將金屬管線假設(shè)為實(shí)心圓柱體，計算時分別考慮金屬管線無覆蓋涂層保護(hù)和覆蓋涂層保護(hù)下的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)交互影響情況。ANSYS分析模型如圖1所示。

依據(jù)圖1所示的分析模型，建立ANSYS有限元分析模型:選取Solid231單元ANSYS電場分析單元;對金屬管線、土壤和保護(hù)涂層設(shè)置電阻率和介電常數(shù)大小，選取金屬管線介電常數(shù)Permittivity為1×107、電阻率 Resistivity為4×10－7Ω·m，選取土壤介電常數(shù) Permittivity為80，電阻率Resistivity為50，保護(hù)涂層Permittivity為6、電阻率Resistivity為3 000Ω·m［7－9］。在金屬管線的一端施加10 V 的電位，另一端施加0 V的電位，土壤立方體下表面模擬大地地下無限遠(yuǎn)處，其電壓約束值為0 V。

2 ANSYS仿真分析

2.1 單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析

無覆蓋涂層保護(hù)單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)ANSYS仿真分析云圖如圖2所示，覆蓋涂層保護(hù)單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)ANSYS仿真分析云圖如圖3所示。

圖1 ANSYS分析模型

從圖中可以看出，無覆蓋涂層保護(hù)和覆蓋涂層保護(hù)下單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)土壤電勢云圖、金屬管線電勢云圖及其電流密度云圖均具有相同的變化趨勢。無覆蓋涂層保護(hù)和覆蓋涂層保護(hù)下單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)土壤表面電勢分布曲線、金屬管線電勢分布曲線及其電場強(qiáng)度分布曲線分別如圖4、圖5所示，從圖中可以看出，無覆蓋涂層保護(hù)單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的土壤表面電勢、電場強(qiáng)度均比存在覆蓋涂層保護(hù)時大很多，說明無覆蓋涂層保護(hù)時單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對周圍環(huán)境的干涉效果較強(qiáng)，為減小對環(huán)境的干涉作用，應(yīng)保證金屬管線覆蓋涂層的保護(hù)性能;而金屬管線的電勢、電場強(qiáng)度與有無覆蓋涂層保護(hù)關(guān)系不大，仿真分析結(jié)果相同，估計是由于金屬管線的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤和覆蓋涂層的電阻率，電流不會發(fā)生偏流作用。

圖2 無覆蓋涂層保護(hù)時單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析云圖

圖3 覆蓋涂層保護(hù)時單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析云圖

圖4 電勢分布曲線

圖5 電場強(qiáng)度分布曲線

2.2 雙金屬管線單管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析

土壤環(huán)境中平行分布的雙金屬管線，其中管線A施加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，管線B無施加陰極保護(hù)，其仿真分析云圖如圖6、圖7所示。

圖6 無覆蓋涂層保護(hù)時雙金屬管線單管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析云圖

圖7 覆蓋涂層保護(hù)時雙金屬管線單管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析云圖

圖8 電勢分布曲線

圖9 電場強(qiáng)度分布曲線

從圖7中可以看出，無覆蓋涂層保護(hù)和覆蓋涂層保護(hù)下雙金屬管線單管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中土壤電勢、A、B金屬管線電勢及其電流密度均具有相同的變化趨勢。從圖8、圖9可知，雙金屬管線單管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中土壤表面電勢、電場強(qiáng)度，在無覆蓋涂層保護(hù)和存在覆蓋涂層保護(hù)時均略小于單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的土壤表面電勢、電場強(qiáng)度，但土壤表面電勢、電場強(qiáng)度具有相同的變化趨勢;施加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的管線A電勢、電場強(qiáng)度均與單金屬管線陰極保護(hù)情況下相同;受干涉的管線B在存在覆蓋涂層保護(hù)時的電勢分布、電場強(qiáng)度分布與無覆蓋涂層保護(hù)時具有相同的變化趨勢，但其數(shù)值較小，因此為減少來自外部的干涉影響，應(yīng)保證金屬管線的覆蓋涂層性能。

2.3 雙金屬管線雙管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析

土壤環(huán)境中平行分布的雙金屬管線A、B，均施加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)時的仿真分析云圖如圖10、圖11所示。土壤表面和金屬管線的電勢、電場強(qiáng)度變化曲線如圖12、圖13所示，雙管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)時的土壤表面電勢、電流密度均略大于單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)時的土壤表面電勢和電流密度，二者形成疊加效應(yīng);金屬管線的電勢、電流密度均與是否存在覆蓋涂層無關(guān)系，變化趨勢、大小均與單金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)時相同。

圖10 無覆蓋涂層保護(hù)時雙金屬管線雙管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析云圖

圖11 覆蓋涂層保護(hù)時雙金屬管線雙管強(qiáng)制電流陰極保護(hù)仿真分析云圖

圖12 電勢分布曲線

圖13 電場強(qiáng)度分布曲線

3 結(jié)論

利用ANSYS的仿真分析功能，能夠比較準(zhǔn)確地模擬和分析出雙金屬管線強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)電勢、土壤表面電勢與電場強(qiáng)度、金屬管線的電勢、電流密度、電場強(qiáng)度分布趨勢、大小及其之間的交互影響關(guān)系，能為金屬管線的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計、施工、維護(hù)提供一定的理論和技術(shù)支持。

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