平行分布双金属管线阴极保护交互影响分析

周朝晖，王 剑，曹阿林

(1.河南省安全科学技术研究院，河南郑州 450004;2.河南省化工研究所有限责任公司，河南郑州 450052;3.贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

金属管线输送是油、气、水以及其他液态化学品输送的一种方便、快捷、有效的方式，广泛应用于石油、化工、环保、冶金等行业，但金属管线长期使用会发生严重的腐蚀，对其安全运行造成极大隐患，愈来愈引起普遍的关注。覆盖涂层加阴极保护是土壤和水介质环境中金属管线最有效的腐蚀防护措施，也会使阴极保护金属管线系统之间产生交互影响越来越大，特别是埋地金属管线强制电流阴极保护系统之间交互影响。由于其交互影响的复杂性，使得实验研究具有一定的困难。本文利用有限元分析软件ANSYS强大的电磁仿真功能，模拟平行分布双金属管线强制电流阴极保护系统之间的交互影响情况，分析强制电流阴极保护系统之间交互影响规律，为金属管线的强制阴极电流保护系统的设计、施工、维护提供一定的理论支持［1－5］。

1 ANSYS分析模型

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场、热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造、地矿冶金、国防军工等工业及科学研究［6］。

为全面研究平行分布埋地双金属管线强制电流阴极保护交互影响，首先应对埋地单金属管线(无交互影响)强制电流阴极保护情况进行ANSYS仿真分析，因此本文分别建立埋地单金属管线模型和平行分布埋地双金属管线模型。

在土壤中埋设单或平行分布双金属管线，但金属管线埋设于距地表2 m处，平行分布双金属管线分别埋设于距地表2 m(管线A)和4 m(管线B)处。金属管线直径均为300 mm、保护涂层厚度200 mm，长度10 m，模拟土壤环境为长、宽、高均为10 m的立方体区域。为简化计算，将金属管线假设为实心圆柱体，计算时分别考虑金属管线无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下的强制电流阴极保护交互影响情况。ANSYS分析模型如图1所示。

依据图1所示的分析模型，建立ANSYS有限元分析模型:选取Solid231单元ANSYS电场分析单元;对金属管线、土壤和保护涂层设置电阻率和介电常数大小，选取金属管线介电常数Permittivity为1×107、电阻率 Resistivity为4×10－7Ω·m，选取土壤介电常数 Permittivity为80，电阻率Resistivity为50，保护涂层Permittivity为6、电阻率Resistivity为3 000Ω·m［7－9］。在金属管线的一端施加10 V 的电位，另一端施加0 V的电位，土壤立方体下表面模拟大地地下无限远处，其电压约束值为0 V。

2 ANSYS仿真分析

2.1 单金属管线强制电流阴极保护仿真分析

无覆盖涂层保护单金属管线强制电流阴极保护ANSYS仿真分析云图如图2所示，覆盖涂层保护单金属管线强制电流阴极保护ANSYS仿真分析云图如图3所示。

图1 ANSYS分析模型

从图中可以看出，无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下单金属管线强制电流阴极保护系统土壤电势云图、金属管线电势云图及其电流密度云图均具有相同的变化趋势。无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下单金属管线强制电流阴极保护系统土壤表面电势分布曲线、金属管线电势分布曲线及其电场强度分布曲线分别如图4、图5所示，从图中可以看出，无覆盖涂层保护单金属管线强制电流阴极保护系统的土壤表面电势、电场强度均比存在覆盖涂层保护时大很多，说明无覆盖涂层保护时单金属管线强制电流阴极保护系统对周围环境的干涉效果较强，为减小对环境的干涉作用，应保证金属管线覆盖涂层的保护性能;而金属管线的电势、电场强度与有无覆盖涂层保护关系不大，仿真分析结果相同，估计是由于金属管线的电阻率远远小于土壤和覆盖涂层的电阻率，电流不会发生偏流作用。

图2 无覆盖涂层保护时单金属管线强制电流阴极保护仿真分析云图

图3 覆盖涂层保护时单金属管线强制电流阴极保护仿真分析云图

图4 电势分布曲线

图5 电场强度分布曲线

2.2 双金属管线单管强制电流阴极保护仿真分析

土壤环境中平行分布的双金属管线，其中管线A施加强制电流阴极保护，管线B无施加阴极保护，其仿真分析云图如图6、图7所示。

图6 无覆盖涂层保护时双金属管线单管强制电流阴极保护仿真分析云图

图7 覆盖涂层保护时双金属管线单管强制电流阴极保护仿真分析云图

图8 电势分布曲线

图9 电场强度分布曲线

从图7中可以看出，无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下双金属管线单管强制电流阴极保护系统中土壤电势、A、B金属管线电势及其电流密度均具有相同的变化趋势。从图8、图9可知，双金属管线单管强制电流阴极保护系统中土壤表面电势、电场强度，在无覆盖涂层保护和存在覆盖涂层保护时均略小于单金属管线强制电流阴极保护系统的土壤表面电势、电场强度，但土壤表面电势、电场强度具有相同的变化趋势;施加强制电流阴极保护的管线A电势、电场强度均与单金属管线阴极保护情况下相同;受干涉的管线B在存在覆盖涂层保护时的电势分布、电场强度分布与无覆盖涂层保护时具有相同的变化趋势，但其数值较小，因此为减少来自外部的干涉影响，应保证金属管线的覆盖涂层性能。

2.3 双金属管线双管强制电流阴极保护仿真分析

土壤环境中平行分布的双金属管线A、B，均施加强制电流阴极保护时的仿真分析云图如图10、图11所示。土壤表面和金属管线的电势、电场强度变化曲线如图12、图13所示，双管强制电流阴极保护时的土壤表面电势、电流密度均略大于单金属管线强制电流阴极保护时的土壤表面电势和电流密度，二者形成叠加效应;金属管线的电势、电流密度均与是否存在覆盖涂层无关系，变化趋势、大小均与单金属管线强制电流阴极保护时相同。

图10 无覆盖涂层保护时双金属管线双管强制电流阴极保护仿真分析云图

图11 覆盖涂层保护时双金属管线双管强制电流阴极保护仿真分析云图

图12 电势分布曲线

图13 电场强度分布曲线

3 结论

利用ANSYS的仿真分析功能，能够比较准确地模拟和分析出双金属管线强制电流阴极保护系统电势、土壤表面电势与电场强度、金属管线的电势、电流密度、电场强度分布趋势、大小及其之间的交互影响关系，能为金属管线的强制电流阴极保护设计、施工、维护提供一定的理论和技术支持。

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