李曉

摘 要：文章結合關中環(huán)線天然氣儲氣調峰管道工程，介紹了強制電流陰極保護設計中一些基本的工藝計算，利用電阻電路模擬和數值解法分析了相鄰兩個陰極保護站間的管道的外加電位和電流變化的影響因素。

關鍵詞：長輸管道；陰極保護；強制電流法；工藝計算

1.前言

強制電流陰極保護是埋地鋼質管道防止腐蝕的主要技術，因其具有驅動電位高，保護距離長，便于監(jiān)測，并可根據需要進行調整等特點，廣泛應用于長輸管道。強制電流是通過外部的直流電源向被保護金屬構筑物通以陰極電流使之陰極極化實現保護的一種方法。

2.強制電流法陰極保護設計工藝計算

2.1保護距離計算

長輸管道進行陰保的設計時，必須進行陰保距離的計算合理布設陰保站。

（1） （2）

式中：

△V——最大保護電位與最小保護電位之差，單位為伏（V）；

Dp——管道外徑，單位為米（m）；

Js——管線保護電流密度，單位為（A/m2）；

Rs——單位長度管道縱向電阻，單位為 （Ω/m）；

ρT——鋼材電阻率，單位為 （Ω·mm2/m）；

δ——管道壁厚，單位為毫米（mm）；

Lp——陰極保護半徑，單位為米（m）；

2Lp——陰極保護直徑，單位為米（m）。

2.2接地電阻的計算

強制電流消耗的電能約 60%～80%耗在陽極地床上，如果陽極接地電阻過大，會使能耗增加，深井式陽極地床接地電阻的計算公式如式（3）所示：

Rv2= ln（ ）（t≥La） （3）

Rv2——深埋式輔助陽極接地電阻，單位為歐（Ω）；

——土壤電阻率，單位為歐米（Ω·m）；

La——輔助陽極長度（含填料），單位為米（m）；

Da——輔助陽極直徑（含填料），單位為米（m）；

t——輔助陽極埋深（填料頂部距地表面），單位為米（m）。

2.3 管道沿線電位、電流計算

本文將用電阻電路模擬兩個陰極保護站間的埋地鋼質管道強制電流陰極保護系統(tǒng)，用數值解析法計算管道沿線的保護電位和電流。

管道的電位分布是強制電流陰極保護設計的基礎，目前在管道的電位計算中普遍假設管道沿線各處的單位長度縱向電阻和過渡電阻不變。實際上管道直徑變化、壁厚變化以及沿線土壤電阻率的差異在所難免，這都會與假設條件不符，從而引起計算結果誤差。

2.3.1 等效電阻方法

強制電流陰極保護系統(tǒng)由交流電源、輔助陽極、管道和大地組成的回路。在該回路中，電源的負極與埋于地下的管道相連，電源的正極與埋于地下的輔助陽極相連，使管道成為陰極而受到保護。

借助有限單元法的思路，將連續(xù)體的管道沿軸向分成若干個管段，各管段在數目有限的結點處相互連接，組成一個代替連續(xù)體的管段集合體。每個管段用兩個電阻表示其對電流通過的阻礙作用，一個電阻為該管段的縱向電阻，一個為該管段的過渡電阻。各管段的縱向電阻首尾相接，并通過過渡電阻與大地相連。過渡電阻主要取決于覆蓋層電阻，且與土壤電阻率有關。陰極保護站的輔助陽極也用一個電阻表示，電阻值為該輔助陽極的接地電阻。管道單元劃分時，要求每個單元內的管徑和過渡電阻沒有變化；單元的長度根據管道的具體情況而定，但最好不超過 500 m。

若陰極保護站的輸出電壓用 U 表示，輔助陽極接地電阻為 R0；當管道被分成 n 個管段時，R2i-1表示第 i 管段的縱向電阻，R2i表示第 i 管段的覆蓋層電阻，則可得到如圖 1 所示的等效電阻電路。

假設所討論管道的長度為 L；第 i 管段的外徑為 Di，內徑為 di，長度為 i，管材的電阻率為 ρi，單位面積覆蓋層的電阻為 Rpi，則該管段的電阻：R2i-1= （4）；覆蓋層的電阻：R2i= （5）；當第i管段某處

的覆蓋層破損，若破損處的接地電阻為r，覆蓋層電阻按式計算：

R2i= （6）

2.3.2解析法

在理想狀況下，管道沿線外加電位 E 和電流 I 的計算通式為

E=Aeax+Be-ax （7）

I= （ Aeax-Be-ax） （8）

式中：A、B 分別為由邊界條件確定的常數；rT為單位長度的管道電阻（Ω/m）； RT為單位長度的管道過渡電阻（Ω/m）；a= （9）

管道外加電位和電流分流分布如圖2所示，若上游保護站處的外加電位為E1， 電流為I1，下游保護站處的外加電位為E2，電流為I2。則邊界條件為：當x=0時，E=E1，I=I1；當x=L時，E=E2，I=I2。帶入以上公式求得：

E= （10）

I=- {E2ch（ax）-E1ch[a（L-x）]} （11）

3.結論

（1）強制電流陰極保護設計中陰保站的設置、陽極地床的設計以及陰保站電源設備的選型都會影響陰極保護的效果。

（2）借助有限元的思路，利用解析法可以有效分析管道沿線電位等的變化規(guī)律。

參考文獻：

[1]胡士信. 陰極保護工程手冊[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社，1999.

[2]鄧軍孝，柳葉.影響輸氣管道防腐保護的因素辨析[J].2007，1（1）：63-67.

[3]念大海.陰極保護技術應用現狀分析[J].2012，15：68-69.

[4]埋地鋼質管道陰極保護技術規(guī)范 GB/T 21448-2008

[5]陳世一， 吳先策， 江國業(yè). 管道強制電流陰極保護電流和電位計算的數值方法[J].2008，21（3）：75-78.