三维地形下并行管道阴保干扰规律数值模拟研究

李荐乐

（中国石化销售股份有限公司 华东分公司 嘉兴输油处，浙江 嘉兴 314000）

阴极保护与管道的防腐涂层一起构成了管道的双层保护体系，是埋地管道主要防护措施，在管道防腐方面发挥着重要作用[1-5]。阴极保护技术的原理[6-8]是通过外加电流方法或者牺牲阳极方法向管道表面提供阴极电流，使管道产生阴极极化，减小管道表面腐蚀。两种方法的原理相同，都是向管道表面提供阴极电流，只是保护电流的来源有所不同：牺牲阳极法的保护电流来源于活泼金属，例如镁、铝、锌等；而外加电流法的保护电流来自于恒电位仪的输出电流。油气管道通常采用外加电流阴极保护为主，牺牲阳极阴极保护为辅的保护方式。

当管道存在近距离并行或交叉时，管线的独立阴极保护系统之间会出现严重的干扰问题，造成管道腐蚀风险的增加[9-13]。此外，干扰容易导致恒电位仪运行故障，甚至出现不能正常投入使用的状况。目前社会高速发展，各种电气化铁路、交直流高压输电线等设施的大力建设，导致管道受到外界杂散电流干扰普遍存在。这类干扰问题往往范围小，变化不明显，难以发现。当并行管道遇上外界交直流干扰情况时，各种干扰问题结合，加重了干扰导致的腐蚀现象。在地形限制下的“公共走廊”内，油气管道之间近距离交叉或并行敷设，容易引起阴极保护系统间强烈的相互干扰。

当管道位于山区敷设时，并行管道之间的干扰问题将更加复杂[14-15]。主要体现在：管道沿线土壤、岩石分布情况复杂，地形起伏较大，且管道需要穿/跨越的位置较多，由此引起的阴保电流分布的连续性、均匀性与一般平原地区管道存在显著差异；此外，山区管道起伏、迂回，单根管道采用阴极保护时，在三维空间内不同管段之间存在相互干扰，数值模拟计算中，管道的空间位置不能忽略[16]。构建与山区管道实际情况更相符的三维并行管道模型，成为解决山区并行管道阴极保护问题的重要基础。长输管道位于山区地形下，获取阴极保护数据将会非常困难。因此，采用数值模拟方法，模拟获得管道沿线电位分布，对于管道日常运行与维护具有重要意义[17]。

国外在开展并行管道阴极保护技术研究时，主要借助的是数值模拟技术，该技术能够为这种特殊工况下的阴极保护设计提供指导。数值方法已在过去的二十年里证明是分析腐蚀问题的强力工具[18-20]。应用于腐蚀研究的数值方法包括了有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）以及边界元法（BEM）。自20 世纪80 年代初以来，BEM 已被用于模拟阴极保护系统。与FDM 和FEM 相比，BEM 只需要边界的网格划分。因此，BEM 相较于FEM 需要较少的方程组和较小的矩阵尺寸，并且可以解决有限域和半无限域问题。

文中采用基于边界元法建立的电化学腐蚀仿真软件BEASY 进行三维地形下并行管道的数值模拟，通过比较并行管道与单根管道之间的阴极保护电位差，探究三维地形下并行管道的干扰规律。其次研究了涂层破损率、土壤电阻率、阳极输出电流、辅助阳极与管道间距离、管道直径等参数对并行管道间干扰的影响规律。最后探究了独立设置阴极保护、联合阴极保护的并行管道阴极保护参数随管道并行间距的演化规律，给出了管道并行的合理间距。

1 数值模拟

使用电化学腐蚀仿真软件BEASY 进行三维地形下并行管道模型的建立，如图1 所示。模型基础参数设置如下：管道全长为10 km，管径为0.6 m，各位置处埋深均为2 m，防腐涂层破损率为1%，辅助阳极位于管道中心位置处，长20 m，直径为0.1 m，埋深为 3 m，与管道之间距离为 50 m，外加电流为5000 mA，土壤电阻率为20 Ω·m。此外定义辅助阳极附近的管段为管道中心区域，远离辅助阳极的管段被称作管道远处区域。

图1 三维地形下管道模型Fig.1 Schematic diagram of pipeline model in 3D terrain

独立设置阴极保护的并行管道模型是通过将上面三维地形中的管道平移一段距离，这个距离即为管道并行间距，辅助阳极在管道两端对称布置，参数设置同上。左侧管道命名为pipe1，左侧辅助阳极命名为anode1，右侧管道命名为pipe2，右侧辅助阳极命名为anode2。独立设置阴极保护的并行管道模型如图2 所示。联合阴极保护的并行管道模型如图3 所示，此时只有一个辅助阳极，即anode1，两根管道均由anode1 进行保护。

为了探究各因素对并行管道干扰的影响规律，各影响参数的选值范围见表1。利用BEASY 软件中的后处理模块可以获取管道不同位置处的阴极保护电位、电流密度以及土壤的电位梯度，通过比较以上阴极保护参数随涂层破损率、土壤电阻率、阴极保护电流、并行管道间距等参数的变化，可研究各参数对并行管道间干扰的影响规律。

图2 独立设置阴极保护的并行管道模型Fig.2 Parallel pipeline model under independent cathodic protection

图3 联合阴极保护的并行管道模型Fig.3 Parallel pipeline model under combined cathodic protection

表1 影响并行管道干扰的参数选值范围Tab.1 Parameter selection range affecting parallel pipeline interference

最后，为探究在管道中心区域附近增大管道并行间距是否可以减小并行管道之间的干扰，设置的具体模型为：依据图2 独立设置阴极保护的并行管道模型，将中心区域（管道5000 m）处管道与辅助阳极向外平移70 m，此时中心区域管道并行间距为80 m，模型如图4 所示，其余设置参数不变。

图4 管道中心区域间距为80 m 模型Fig.4 Model of 80 meters spacing in pipe center areas

2 结果与讨论

2.1 并行管道间的干扰规律

管道并行间距为5 m 和单根管道阴极保护电位曲线对比如图5 所示。由图5 可知，相较于单根管道，并行管道在管道中心区域的阴极保护电位减小99.27 mV，而远处位置管道阴保电位略有升高。辅助阳极除保护需保护的管段外，输出的电流还从辅助阳极附近（管道中心区域）流入受干扰管道中。在管道远处区域，由于受保护的管道附近的土壤电位较负，当其他金属管道经过该区域时，受干扰管道中电流会在此位置流出。由极化规律可知，流入管道的电流值越大，对应阴保电位值越负，而流出管道的电流将导致阴保电位值变正。因此，并行管道间的干扰同时存在阳极干扰与阴极干扰。在管道中心区域，干扰形式主要为阳极干扰，阴保电位值下降较大；而在管道远处区域，干扰形式主要为阴极干扰，阴保电位值呈上升趋势。

图5 并行管道与单根管道阴保电位比较Fig.5 Comparison of cathodic protection potential of parallel pipeline and single pipeline

不同并行间距下的阴保电位曲线如图6 所示。由结果可以发现，随着间距的增加，管道中心区域电位逐渐上升，远处的管道电位略有降低，说明并行管道间相互干扰程度降低。因此，增大并行管道的间距，可以降低并行管道间相互干扰。随着距离增加，保护电位的变化越来越小。间距从5 m 变为25 m 时，管道保护电位最负值变化了23.19 mV；而间距从75 m变化至 100 m 时，管道保护电位最负值变化了7.76 mV。说明管道间距较小时，增大间距对于减小干扰会更加明显。

图6 并行间距变化管道保护电位分布曲线Fig.6 Distribution curve of protection potential of pipelines with parallel spacing changes

2.2 各参数对三维地形下并行管道间干扰的影响规律

2.2.1 涂层破损率

图7 不同涂层破损率时单管与并行管道保护电位最负值差值曲线Fig.7 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different coating damage rates

不同破损率下并行管道与单根管道阴极保护电位最负值的差值如图7 所示。由模拟结果可以发现，随着破损率的变化，并行管道的干扰规律较为复杂。涂层破损率为0 时，并行管道间干扰较大；随着涂层开始破损，在小破损率（1%）时，并行管道相互干扰达到峰值；之后随着破损率的增大，并行管道间的干扰先减小，后增大。这是由于流入管道中的电流不变的情况下，较小的涂层破损率（1%）意味着电流密度较大，从而导致局部的阴保电位值变化较大。

2.2.2 土壤电阻率

不同土壤电阻率下，并行管道与单根管道的阴极保护电位最负值差值曲线如图8 所示。由图8 可知，并行管道与单管阴极保护电位最负值的差值随土壤电阻率的增加而增大，说明土壤电阻率越大，并行管道间的干扰越严重。较高的土壤电阻率对应较大的土壤电阻，辅助阳极释放的电流无法从较远的区域流入管道，更多的电流从管道中心区域处流入管道，因而导致并行管道间的干扰增加。

图8 不同土壤电阻率时单管与并行管道保护电位最负值差值曲线Fig.8 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different soil resistivity

2.2.3 阳极输出电流

不同阳极输出电流下，并行管道与单根管道的阴极保护电位最负值差值曲线如图9 所示。由图9 可直观地发现，随着辅助阳极输出电流的增加，并行管道与单管阴极保护电位最负值的差值也随之增大，且两者呈线性关系。这是由于随着辅助阳极电流值的增加，更多的电流流入受干扰管道，进而导致并行管道间的干扰增加。

2.2.4 辅助阳极与管道间距

不同辅助阳极与管道间距下，并行管道与单根管道的阴极保护电位最负值差值曲线如图10 所示。由图10 可知，随着辅助阳极与管道之间间距的增加，单管与并行管道阴极保护电位最负值的差值降低，即并行管道间的干扰也降低。这是由于随着辅助阳极与管道间距的增加，较少的电流流入受干扰管道，进而导致并行管道间的干扰减少。

图9 不同输出电流下单管与并行管道保护电位最负值差值曲线Fig.9 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different output currents

图10 不同辅助阳极与管道间距下单管与并行管道保护电位最负值差值曲线Fig.10 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different spacing of different auxiliary anode and pipe

2.2.5 管道直径

不同管道直径下，并行管道与单根管道的阴极保护电位最负值差值曲线如图11 所示。由图11 可知，管道直径越小，并行管道间干扰越严重。这是由于随着管道直径的减小，管道表面积也随之减小，流入管道的电流密度值更大，进而导致并行管道间的干扰增加。

2.3 不同因素对并行管道干扰范围的影响规律

目前，国内外有很多规范规定了管道之间的并行间距，也有许多并行管道工程实例给出规定的并行间距[21]。以上规范多基于输油管道温降、输气管道破裂、施工维修等方面的考虑，基于并行管道阴极保护干扰考虑给出的并行间距却很少，此外对并行管道阴保系统间干扰影响范围的界定研究也极为匮乏。由图6 可知，随着并行间距的增加，并行管道间的干扰降低，且干扰程度逐渐变小，即管道阴极保护电位在管道并行间距大于一定值后变化缓慢。因此文中对并行管道阴保系统间干扰影响范围的界定如下：管道阴极保护电位最负值增长速率出现明显减缓的点即为并行管道相互干扰范围，大于该间距后，并行管道间干扰可忽略，因此这个间距就是文中推荐的合理并行间距。

图11 不同管道直径下单管与并行管道保护电位最负值差值曲线Fig.11 Difference curve of the most negative protective potential of single and parallel pipelines at different pipe diameters

2.3.1 独立设置阴极保护的并行管道干扰范围

1）不同输出电流下管道阴极保护电位的最负值随管道并行间距的变化曲线如图12 所示。由图12 可知，当输出电流增大时，管道电位最负值随着并行间距的变化幅度逐渐升高，但变化趋势几乎不变。在管道并行间距大于80 m 以后，管道电位变化趋于平缓。因此，并行管道的干扰范围为80 m，且不随输出电流的变化而变化。

图12 不同输出电流下管道电位最负值随管道并行间距的变化曲线Fig.12 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different output currents

2）不同土壤电阻率下管道阴极保护电位的最负值随管道并行间距的变化曲线如图13 所示。由图13可知，在管道并行间距大于80 m 以后，管道阴极保护电位趋于平缓。因此，并行管道的干扰范围为80 m，且不随土壤电阻率的变化而变化。

图13 不同土壤电阻率下管道电位最负值随管道并行间距的变化曲线Fig.13 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different soil conductivity

3）不同涂层破损率下管道阴极保护电位的最负值随管道并行间距的变化曲线如图14 所示。由图14可知，管道并行间距大于80 m 以后，管道阴极保护电位趋于平缓。因此，并行管道的干扰范围为80 m，合理并行间距为80 m，且不随涂层破损率的变化而变化。

图14 不同涂层破损率下管道电位最负值随管道并行间距的变化曲线Fig.14 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different coating damage rate

4）不同辅助阳极与管道间距下，管道阴极保护电位的最负值随管道并行间距的变化曲线如图15 所示。由图15 可知，在管道并行间距大于80 m 以后，管道阴极保护电位趋于平缓。因此辅助阳极与管道间距的变化对管道并行间距无影响，仍为80 m。

由图16 可知，管道中心区域处的间距增大80 m，可使管道全线保护电位最负值升高近50 mV，而管道其他位置处保护电位变化不大，大大降低了并行管道间的干扰。因此当并行管道分别设立阴极保护时，推荐在辅助阳极位置附近处增大管道间距，这样可以大大降低并行管道间阴极保护的干扰。

2.3.2 联合阴极保护的并行管道干扰范围

图15 不同辅助阳极与管道间距管道电位最负值随管道并行间距的变化曲线Fig.15 Variation curve of the most negative potential value with parallel pipeline spacing under different distance between the auxiliary anode and the pipeline

图16 增大中心区域处管道间距后管道的电位分布Fig.16 Potential distribution of pipelines after increasing the distance between pipelines in the central area

管道全线保护电位最负值与管道并行间距之间的关系曲线如图17 所示。由图17 可知，随着管道并行间距的增加，靠近辅助阳极的管道1 上的保护电位最负值缓慢降低，管道2 上的保护电位最负值随管道并行间距的增加而迅速增加。因此进行管道联合阴极保护时，管道之间的并行间距不宜过大，推荐并行间距小于7 m。

图17 管道电位最负值随管道并行间距的变化曲线Fig.17 Variation curve of the most negative value of pipeline potential with the distance between parallel pipelines

3 结论

通过数值模拟的手段研究了并行管道间的干扰规律，得出如下主要结论。

1）三维地形下并行管道存在干扰，干扰规律为管道中心区域保护电位变负，远处管道保护电位变正。随着并行间距的增加，干扰逐渐减弱，且随着距离的增加，其干扰减小速率逐渐减缓。

2）涂层破损率对并行管道干扰规律较复杂，涂层破损率为0 时，并行管道间干扰较大；随着涂层开始破损，达到较小破损率（1%）时，并行管道间相互干扰最大；之后随着破损率的增大，干扰先减小，后增大。土壤电阻率越大，阳极输出电流越大，辅助阳极距管道距离越近，管道直径越小，并行管道间干扰越剧烈。

3）对于独立设置阴极保护的并行管道，考虑了不同的输出电流、不同土壤电阻率、不同涂层破损率以及不同的辅助阳极与管道之间的间距等情况，均发现当并行间距超过80 m 后，管道保护电位趋于平缓。因此为了减小并行管道间的干扰，建议管道并行间距应大于80 m。

4）联合阴极保护的并行管道，随并行管道间距的增加，距离辅助阳极较远的管道保护电位迅速上升。因此为了保证并行的两条管道均能受到良好的阴极保护，建议管道并行间距宜小于7 m。