边界元法用于站场区域性阴极保护设计

顾颖波 大庆油田设计院

边界元法用于站场区域性阴极保护设计

顾颖波 大庆油田设计院

大庆油田某污水处理站区域性阴极保护工程采用边界元方法求解非均匀场能够合理优化阳极地床数量，避免了因预测不准、过保护而造成的设备容量增大问题。减少阴极保护系统2套，节省工程投资112.1万元，年节电4.38×104kW·h，年节省运行费用约2.25万元。该工程自投产以来，有效地控制了埋地管道的腐蚀速率，减少了管道穿孔频次，降低了安全隐患。

区域性阴极保护；边界元；阳极地床；阴极保护

1 设计特点

大庆油田某污水处理站有700 m3缓冲罐2座、2 000 m3净化水罐2座、10 000 m3一次沉降罐2座、二次沉降罐（DN 28.0 m）2座、站内埋地钢质管道总面积约2 800 m2，接地极面积约20 m2。该区域性阴极保护特点：①阴极保护区域面积较大，所辖区域内被保护体众多，分布范围广；②地下构筑物几何形状复杂，绝缘情况不一；③埋地管道呈密集网状分布，干扰来源普遍存在；④保护电流需要量大，被保护对象不断变化；⑤屏蔽情况难以预测。

2 设计难点

阳极地床位置和数量的确定是决定阴极保护各个保护体是否都能得到有效保护的关键，地床布设合理则保护范围内的保护体电位均匀，对阴极保护系统调试容易。由于该区域管网密集，且相互交叉，因此地床的选择和地床位置的确定将影响整个阴极保护系统的有效性。一般情况下阳极位置应与管道有一定的垂直距离，合理范围是100～500 m，当管道密集时，也可采用50～300 m的垂直距离，并且阳极地床的地点选取也应满足阳极正常工作的要求，保证阳极工作时能够充分活化。阳极布置还应适应该地区的发展规划要求，不得干扰其他地下构筑物；阳极布设区域在站场外时，还应满足防盗、防损坏的要求。

3 解决方法

针对上述设计难点，结合选取阳极地床位置工程经验，采用边界元法，利用CPSOD软件，对阴极保护系统进行三维几何建模、网格划分、材料物性设置及边界条件设置。该软件是在Windows 2000/XP操作系统下采用NET Framework、Patran、Tecplot联合开发的，能够实现以下功能：①获得整个区域保护系统中各处电位的分布，所有被保护对象表面的阴极保护电位分布及电流密度的分布；②计算不同方案下阴极保护电位分布情况，通过对阴极保护效果的比较，优化阳极系统的参数。设计过程中，变换地床位置及数量，将每次所获得的数学模型进行数值模拟计算，得到不同情况下整个区域土壤场中的电位分布云图及所有被保护对象的保护电位、保护电流分布云图，以获得保护电流的均匀分布；同时消除干扰及屏蔽区域，使整个区域内被保护对象都能在保护范围内，最终确定阳极地床设计方案。

出于阴极保护效果、节地等方面的综合考虑，本工程阳极地床类型选择深井阳极地床，因此仅对深井阳极类型地床进行位置及数量的数值模拟。

4 结论

（1）根据软件模拟结果，该含油污水处理站共设置深井钛合金阳极地床2座，阳极地床位置确定后，被保护体保护电位均在-0.850～-1.200 V之间，满足标准规范要求。

（2）与传统凭经验的设计方法（试凑法）相比较，采用边界元方法求解非均匀场能够合理优化阳极地床数量，避免了因预测不准、过保护而造成的设备容量增大问题。减少阴极保护系统2套，节省工程投资112.1万元，年节电4.38×104kW·h，年节省运行费用约2.25万元。

（3）该区域性阴极保护工程自投产以来，有效地控制了埋地管道的腐蚀速率，减少了管道穿孔频次，减少了原油和污水的泄漏次数，降低了安全隐患，满足环保要求；同时减少了施工和调试的工作量，具有较好的社会效益。

（4）CPSOD软件在大庆油田站场阴极保护中是首次使用，在国内其他油田应用并成功的极少。

（栏目主持张秀丽）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.028