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阴极保护中的数值模拟应用

2015-11-02 16:55:50
作者:本网整理
来源:中国石油防腐蚀网

由于管网越来越密,管道经营方正面对日益加剧的直流干扰问题。而且,在越来越复杂的公用工程管廊内,对交流电腐蚀的影响也有许多争论。管网与储罐的阴极保护系统涉

  由于管网越来越密,管道经营方正面对日益加剧的直流干扰问题。而且,在越来越复杂的公用工程管廊内,对交流电腐蚀的影响也有许多争论。

  管网与储罐的阴极保护系统涉及越来越复杂的技术问题,新技术标准要求在设计阶段采用建模技术,如荷兰NPR2760-1991“De wederzijdse beïnvloeding van buisleidingen en hoogspan nings-verbindingen”(管道与高压输电线路的相互影响)标准,要求减缓交流电对管道的腐蚀影响。


图注:阴极保护中的数值模拟应用

  随着管道外腐蚀直接评价(ECDA)技术的发展以及管道完整性管理数据库的标准化,管道经营企业的经理们期待开发出计算机模拟工具,帮助优化管道腐蚀的调查和维护方案。

  目前,数值模拟技术的发展已经完全有能力建立起复杂干扰条件下阴极保护系统的电化学特性的数学模型。

  应用

  对于任何工程应用,模拟模型加快了优化设计和方案评价的过程。技术还在不断发展中,当现场数据采集与模拟模型紧密联系时,可以达到最大的效果,最终优化了管道系统完整性管理工作。在管道和储罐阴极保护方面的实际用途包括:

  在设计阶段,模拟模型的应用取决于设施配置的复杂程度以及适用的标准。模型类型的选择在很大程度上与采集数据的类型和质量有密切的关系。唯有先进的边界元方法(BEM)模型和有限元方法(FEM)模型才能够通过确定消除IR降的电位来优化阴极保护系统的设计。

  为了减缓直流电与交流电的影响,模拟模型要显示邻近部件干扰的详细调查结果。直流电与交流电干扰都能够建立模型,并采取优化减缓措施。

  对于现场调查,在直流电位梯度(DCVG)活动的预评价阶段要采用子网络模型。有此模型可以进行现场调查的虚拟规划,并且有助于确定整流器最佳干扰方案等。

  对于管道的完整性管理,能够建立起完整的管道网络的模型,并且输入管道外腐蚀直接评价(ECDA)数据。然后,用此模型能够作为直接评价信息与通电电位的连续监测两者的连接。当所监测的数据变化时,此模拟模型能够查明根本原因以及它们对管道完整性的影响,从而成为优化维护方案的强大工具。

  应用

  最基本的阴极保护系统包括一个阴极(受保护的构筑物)、一个阳极(其保护阴极)、一种电解质(土壤),以及阴极与阳极之间的金属连接通道。对于管道网络,沿着管道的这些参数是变化的。

  设计管道网络的阴极保护系统时,目的要获得管地电位或者整个构筑物上的IR降的电位,其比某些最小保护电位准则更负。

  按照标准,相对于硫酸铜参比电极(CSE),这个最小保护电位准则取-0.85V,硫酸铜参比电极应直接放在管道附近,以降低土壤中以及防腐层上的IR降。然而,实际上,由于构筑物的隐蔽特点,通常不可能将参比电极直接放在管道附近。代之以将参比电极放在地面上,但在构筑物的正上方,显然这样能够产生较大的IR降误差。

  因为模拟模型对现场测量没有实际限制,所以能够计算出“真正的”无IR降电位,并与远地的通电电位与断电电位进行比较。

  模拟的精确性总是取决于输入数据的质量。管道网络或者储罐构筑物的几何形状是最直接的输入参数。储罐构筑物的计算机辅助设计(CAD)文档输入和管道网络的横麦卡托投影坐标系统(UTM)格式化数据(通常为GIS地理信息系统的一部分)都是当今通常可以获得的信息,并且能够自动输入模拟工具。

  岩土数据包括沿线地质勘测数据和通过土壤取样分析(DIN 50929标准第3部分)获得的土壤电阻率数据。根据管道的位置和延伸状况,会有很大变化。此外,季节性的变化(如永冻土周期)对土壤电阻率数据也有很大影响。

  构筑物和管道材料特征,包括防腐层在内,都将决定求解程序采用什么极化曲线。这些数据已经制成表格,并且很容易获得大多数材料数据。对现有的管道网络,需要进行直流电压梯度(DCVG)测量这样的现场调查,对防腐层的性能退化状况进行评价。

  对于精确建立阴极保护系统模型,直流电干扰与交流电干扰都是重要的影响因素。直流电干扰可能来自第三方阴极保护系统、压缩机站、铁路网络和大地电流。交流电对管道的干扰可能是临近的高压交流输电线路产生的感应影响。

  技术

  阴极保护数学模型的支配方程源自欧姆定律和拉普拉斯方程。欧姆定律把电流密度与电场关联起来,拉普拉斯方程在电位分布中考虑到土壤和材料电阻率。

  管道工业在用的一种标准模型叫做衰减模型。此模型忽略了土壤电阻率与管道的极化作用,并且假设始终如一的防腐层电阻。此模型提供的信息局限于管道对远地电位。该模型需要的有限输入使它只能作为阴极保护系统配置的预评价工具。

  更为先进的模型并不忽略土壤电阻率在域内的影响,因此需要空间离散化。虽然存在组合技术,但是可以说,取决于与三维离散化方法的两种主要趋势是:

  1. 在边界元方法(BEM)中,仅仅几何体的外表面被离散化。用这种方法能够建立大型网络及有恒定电阻率的环境(如海水)的模型。过去,人们已经开发了边界元方法(BEM)模型,用于优化海洋船舶船壳的阴极保护系统。这种方法的局限性在于很难非常详细地获得复杂的三维形状。

  2. 在有限元方法(FEM)中,执行整个域的离散化,在所有空间点中,考虑到电阻率的变化。标准方法已经广泛用于机械设计,它的信息更加密集,但灵活性更大,能够用它处理复杂的几何形状。

  管道经营企业把模拟技术引入他们的设计和资产管理过程时,既需要关注输入参数的质量,也需要根据目标输出,精心选择建模方法。

 

责任编辑:田双

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