长输管道强制电流阴极保护工艺计算

李晓

摘 要：文章结合关中环线天然气储气调峰管道工程，介绍了强制电流阴极保护设计中一些基本的工艺计算，利用电阻电路模拟和数值解法分析了相邻两个阴极保护站间的管道的外加电位和电流变化的影响因素。

关键词：长输管道；阴极保护；强制电流法；工艺计算

1.前言

强制电流阴极保护是埋地钢质管道防止腐蚀的主要技术，因其具有驱动电位高，保护距离长，便于监测，并可根据需要进行调整等特点，广泛应用于长输管道。强制电流是通过外部的直流电源向被保护金属构筑物通以阴极电流使之阴极极化实现保护的一种方法。

2.强制电流法阴极保护设计工艺计算

2.1保护距离计算

长输管道进行阴保的设计时，必须进行阴保距离的计算合理布设阴保站。

（1） （2）

式中：

△V——最大保护电位与最小保护电位之差，单位为伏（V）；

Dp——管道外径，单位为米（m）；

Js——管线保护电流密度，单位为（A/m2）；

Rs——单位长度管道纵向电阻，单位为 （Ω/m）；

ρT——钢材电阻率，单位为 （Ω·mm2/m）；

δ——管道壁厚，单位为毫米（mm）；

Lp——阴极保护半径，单位为米（m）；

2Lp——阴极保护直径，单位为米（m）。

2.2接地电阻的计算

强制电流消耗的电能约 60%～80%耗在阳极地床上，如果阳极接地电阻过大，会使能耗增加，深井式阳极地床接地电阻的计算公式如式（3）所示：

Rv2= ln（ ）（t≥La） （3）

Rv2——深埋式辅助阳极接地电阻，单位为欧（Ω）；

——土壤电阻率，单位为欧米（Ω·m）；

La——辅助阳极长度（含填料），单位为米（m）；

Da——辅助阳极直径（含填料），单位为米（m）；

t——辅助阳极埋深（填料顶部距地表面），单位为米（m）。

2.3 管道沿线电位、电流计算

本文将用电阻电路模拟两个阴极保护站间的埋地钢质管道强制电流阴极保护系统，用数值解析法计算管道沿线的保护电位和电流。

管道的电位分布是强制电流阴极保护设计的基础，目前在管道的电位计算中普遍假设管道沿线各处的单位长度纵向电阻和过渡电阻不变。实际上管道直径变化、壁厚变化以及沿线土壤电阻率的差异在所难免，这都会与假设条件不符，从而引起计算结果误差。

2.3.1 等效电阻方法

強制电流阴极保护系统由交流电源、辅助阳极、管道和大地组成的回路。在该回路中，电源的负极与埋于地下的管道相连，电源的正极与埋于地下的辅助阳极相连，使管道成为阴极而受到保护。

借助有限单元法的思路，将连续体的管道沿轴向分成若干个管段，各管段在数目有限的结点处相互连接，组成一个代替连续体的管段集合体。每个管段用两个电阻表示其对电流通过的阻碍作用，一个电阻为该管段的纵向电阻，一个为该管段的过渡电阻。各管段的纵向电阻首尾相接，并通过过渡电阻与大地相连。过渡电阻主要取决于覆盖层电阻，且与土壤电阻率有关。阴极保护站的辅助阳极也用一个电阻表示，电阻值为该辅助阳极的接地电阻。管道单元划分时，要求每个单元内的管径和过渡电阻没有变化；单元的长度根据管道的具体情况而定，但最好不超过 500 m。

若阴极保护站的输出电压用 U 表示，辅助阳极接地电阻为 R0；当管道被分成 n 个管段时，R2i-1表示第 i 管段的纵向电阻，R2i表示第 i 管段的覆盖层电阻，则可得到如图 1 所示的等效电阻电路。

假设所讨论管道的长度为 L；第 i 管段的外径为 Di，内径为 di，长度为 i，管材的电阻率为 ρi，单位面积覆盖层的电阻为 Rpi，则该管段的电阻：R2i-1= （4）；覆盖层的电阻：R2i= （5）；当第i管段某处

的覆盖层破损，若破损处的接地电阻为r，覆盖层电阻按式计算：

R2i= （6）

2.3.2解析法

在理想状况下，管道沿线外加电位 E 和电流 I 的计算通式为

E=Aeax+Be-ax （7）

I= （ Aeax-Be-ax） （8）

式中：A、B 分别为由边界条件确定的常数；rT为单位长度的管道电阻（Ω/m）； RT为单位长度的管道过渡电阻（Ω/m）；a= （9）

管道外加电位和电流分流分布如图2所示，若上游保护站处的外加电位为E1， 电流为I1，下游保护站处的外加电位为E2，电流为I2。则边界条件为：当x=0时，E=E1，I=I1；当x=L时，E=E2，I=I2。带入以上公式求得：

E= （10）

I=- {E2ch（ax）-E1ch[a（L-x）]} （11）

3.结论

（1）强制电流阴极保护设计中阴保站的设置、阳极地床的设计以及阴保站电源设备的选型都会影响阴极保护的效果。

（2）借助有限元的思路，利用解析法可以有效分析管道沿线电位等的变化规律。

参考文献：

[1]胡士信. 阴极保护工程手册[M]. 北京： 化学工业出版社，1999.

[2]邓军孝，柳叶.影响输气管道防腐保护的因素辨析[J].2007，1（1）：63-67.

[3]念大海.阴极保护技术应用现状分析[J].2012，15：68-69.

[4]埋地钢质管道阴极保护技术规范 GB/T 21448-2008

[5]陈世一， 吴先策， 江国业. 管道强制电流阴极保护电流和电位计算的数值方法[J].2008，21（3）：75-78.