城市小区低压燃气管网开放式阴极保护方式及地床形式优化

赵悦春 ,庄大伟 ,杜艳霞 ,葛彩刚 ,蒋金岩

(1.北京市燃气集团有限责任公司,北京 100035;2.北京科技大学新材料技术研究院,北京 100083;3.北京凯斯托普科技有限公司,北京 100028)

大多数低压燃气管网外腐蚀防护只采取防腐蚀涂层措施,随着管道服役时间的延长,涂层劣化腐蚀失效导致的泄漏事故频发[1-2]。阴极保护可为低压燃气管网提供有效的腐蚀防护[3-6],但是传统的阴极保护要求预保护结构物有完好的绝缘[7],城市小区内有复杂的埋地金属结构物复合体[8],埋地燃气管网无法与建筑物接地、钢筋进行有效绝缘,导致电流会分散到与低压燃气管道电连接的结构物上,造成阴极保护电流的屏蔽,大大增加了阴极保护设计的难度[9]。

针对低压燃气管网区域电连接点多和无法对保护区域进行完全电绝缘的问题,将在城市小区环境中施加开放式阴极保护。但是,国内外缺少关于开放式阴极保护的研究,面临多个技术难题,如确定低压管网开放式阴极保护电流的分散规律;如何准确确定电流需求量;如何选择适用的阴极保护方式及阳极地床形式等,这些问题为低压燃气管网区域的开放式阴极保护技术的应用带来了困难。

本工作使用现场馈电试验和数值模拟计算[10-15]相结合的方法,对比深井阳极地床、远阳极地床和近阳极地床的电流分散特征及保护电位分布效果,提出适用于低压燃气管网区域的开放式阴极保护方式及地床形式,从而为低压管网开放式阴极保护技术的推广和应用奠定基础。

1 阴极保护电流分布范围和需求研究

馈电试验能够考察电流的流向和分布范围,根据管道的走向和现场环境,采用镀锌扁铁制作临时阳极地床。确定临时阳极地床的位置,测试临时地床的保护范围,以及需要的电流量。在城市小区内进行了3种地床形式下的馈电试验:(1) 浅埋远阳极地床;(2) 低压燃气管网已有的深井地床;(3) 浅埋近阳极地床。

1.1 浅埋远阳极地床

浅埋远阳极地床位置和测试点分布情况见图1,浅埋远阳极地床与管道最近的距离为12 m,直流电源输出电流为18 A,输出电压为60 V。

图1 远阳极地床馈电试验测试点分布示意Fig.1 Schematic diagram of distribution of test points in the far anode ground bed feeding test

浅埋远阳极地床馈电试验极化2 h后的测试数据如表1所示,表中电位均相对于铜/饱和硫酸铜参比电极(CSE)。由表1 可见:当馈入电流为18 A时,1号测试点附近5 m 的管道达到保护效果,1号测试点距离阳极地床12 m,其他位置的断电电位均未达到-0.85 V,仍处于欠保护状态;靠近阳极地床的测试点的断电电位负向偏移量较大,远离临时阳极地床位置的测试点的断电电位负向偏移量较小,低压燃气管网的阴极保护电流需求量较大。由于城市小区内存在大量裸露建筑物金属接地材料,接地电阻小,吸收了大量阴极保护电流,造成待保护的低压燃气管道无法得到足够的阴极保护电流,阴极保护范围小,效果差。馈入的电流优先流入临时阳极地床附近的地下结构物,造成远离地床的管道无法得到阴极保护电流。

表1 远阳极地床馈电试验数据Tab.1 Feedback test data of far anode bed

1.2 深井阳极地床

现场深井阳极地床位置和测试点分布情况见图2和图3,深井阳极总埋深为60 m,活性段长度为20 m,活性段顶端距离地表的深度为40 m,距离最近管道的水平距离为18 m。直流电源输出电流为25.6 A,输出电压为46.4 V。

图2 现场深井阳极地床位置示意Fig.2 Schematic diagram of deep well anode bed location

图3 深井阳极地床馈电试验测试点分布示意Fig.3 Schematic diagram of distribution of test points in deep well anode bed feeding test

深井阳极地床馈电试验极化3 h后的测试数据如表2所示,表中电位均相对于CSE。由表2可见,距离深井阳极最近的低压燃气管道7号测试点的断电电位未达到-0.85 V(vs.CSE),由于存在接地的影响,只有少量阴极保护电流流入低压燃气管网,管网处于欠保护状态,低压燃气管网的阴极保护电流需求量大,阳极保护范围未达到16 m,若采用深井阳极地床形式对低压燃气管网区域进行保护,将面临阴极保护电流屏蔽、阴极保护电流需求量大等问题。深井阳极地床不适用于低压燃气管网开放式阴极保护。

表2 深井阳极地床馈电试验数据Tab.2 Feedback test data of deep well anode bed

1.3 浅埋近阳极地床

在管道1.5 m 附近,埋设角钢临时阳极地床,角钢的间距约为2.5 m,共布置11个角钢,为近阳极地床。近阳极地床的分布位置见图4,测试点位置见图5。直流电源输出电流为4.7 A,输出电压为60 V。

图4 近阳极地床馈电试验近阳极地床位置示意Fig.4 Schematic diagram of distribution position of temporary ground bed for near-anode ground bed feeding test

图5 近阳极地床馈电试验测试点位置示意Fig.5 Schematic diagram of test point locations of near-anode ground bed feed test

近阳极地床馈电试验数据如表3所示,表中电位均相对于CSE。由表3可见,距离临时阳极地床23 m 的4号测试点,管道断电电位超过-0.85 V(vs.CSE),有40～50 m的管道达到了有效的保护状态,临时阳极地床靠近管道时,从地床流出的电流会优先流入管道,因此管道能吸收足够的电流,从而达到保护状态;当测试点距离临时阳极地床35 m左右时,阳极地床流出的电流会被管道附近的其他结构物吸收,管道吸收的电流明显减少,电位衰减较快。

表3 近阳极地床馈电试验数据Tab.3 Near-anode ground bed feeding test data

3种形式阳极地床的输出电流和保护范围如表4所示。由表4可见:开放式低压燃气管网区域电流散失点多,远阳极地床和深井阳极地床电流分散到管道以外的其他金属结构物的电流较多,造成待保护的低压燃气管道无法获得足够多的电流,且电流沿低压燃气管网衰减较快,保护距离较短;近阳极地床能够保证尽可能多的电流进入低压燃气管网,每组地床及总的电流需求量下降,更适用于低压燃气管网开放式阴极保护。对比3种阳极地床形式下的电流分散特征,在低压燃气管网中,适用于开放式阴极保护的阳极地床形式为近阳极地床形式。

表4 3种阳极地床的输出电流和保护范围Tab.4 Output current and protection range of three anode ground beds

2 基于数值模拟技术的阳极地床优化设计

阳极地床的形式和分布是开放式阴极保护技术的重点,数值模拟技术能够有效设计合适的阳极地床。基于数值模拟技术建立低压燃气管网阳极优化方案的过程包括:(1) 建立低压燃气管网和楼层接地的几何模型,并对其划分网格;(2)使用极化曲线和馈电试验得到的管道电位分布,反演低压燃气管网和接地边界条件;(3) 计算求解;(4) 根据管道保护效果,调整阳极地床形式、数量、位置以及输出电流。

在开放式小区管网模型中,计算浅埋分布阳极地床形式、深井阳极地床形式和牺牲阳极地床电位分布,并对比了3种阳极地床的保护效果。采用边界元计算软件BEASY 对数学模型进行数值求解。边界元在保证计算精度的同时,可降低问题维数,加快计算速率。

土壤电阻率是阴极保护数值模拟的重要参数,在现场进行土壤电阻率的测试,采用温纳四极法测试相同埋深管道的土壤电阻率,其土壤电阻率测量值为77Ω·m。

2.1 几何模型建立

根据调研结果建立低压燃气管网的几何模型和网格划分,如图6所示。

图6 低压燃气管网的几何模型和网格划分示意Fig.6 Schematic diagram of geometric model(a)and mesh division(b)of low-pressure gas pipeline network

2.2 边界反演

在所考察的城市小区土壤环境中,测试接地网材料Cu和低压燃气管道材料Q235钢的极化曲线,如图7所示。

图7 接地网材料Cu和低压燃气管道材料Q235钢在土壤中的阴极极化曲线Fig.7 Cathodic polarization curves of Cu grounding grid material and Q235 steel of low pressure gas pipeline material in soil

对城市小区内不同区域的低压燃气管网的边界条件进行反演,将馈电试验测得的断电电位与反演的结果进行对比分析,见图8,其相对误差在18%以内,表明该模型能够拟合实际低压燃气管网的极化特性和涂层状况。

图8 反演计算电位与测试断电电位误差Fig.8 Error of inversion calculation potential and test power-off potential

2.3 浅埋分布式辅助阳极地床形式

根据馈电试验和反演的燃气管道边界条件,在可埋设地床的空间范围内,不断调整辅助阳极地床位置、数量和输出电流,优化后确定了浅埋分布式辅助阳极地床的数量为73支,埋深为3 m,距离管道为2～4 m,其分布位置见图9,总输出电流为104 A,输出电流为0.8～3 A,绝大多数低压燃气管网的电位为-1 200～-850 mV(相对于CSE),低压燃气管网达到了有效保护状态,其电位分布见图10。

图9 优化后浅埋分布式辅助阳极地床分布位置示意Fig.9 Schematic diagram of distribution position of shallow buried distributed auxiliary anode bed after optimization

图10 优化后浅埋分布式辅助阳极地床电位分布云图Fig.10 Cloud map of potential distribution of shallow buried distributed auxiliary anode ground bed after optimization

2.4 深井地床形式

在城市小区低压燃气管网区域内埋设深井阳极,最终优化方案为深井阳极数量23 支,埋深60 m,活性段长度20 m,埋深40 m,总输出电流136 A,其位置见图11。经过计算求解,保护电位分布范围为-1 200～-850 mV(相对于CSE),如图12所示。为了使低压燃气管道获得足够的电流,避免大量电流流入临近的接地网中,降低屏蔽效应,需安装大量深井阳极,且相同电流输出条件下,深井阳极的施工成本比浅埋分布式辅助阳极地床的高[16]。因此,开放式阴极保护设计使用深井阳极地床方案的可行性较低。

图11 优化后深井阳极地床分布位置示意Fig.11 Schematic diagram of distribution position of deep well anode bed after optimization

图12 优化后深井阳极地床电位分布云图Fig.12 Cloud map of potential distribution in deep well anode bed after optimization

2.5 牺牲阳极地床形式

在城市小区低压燃气管网区域内埋设镁合金牺牲阳极地床,间隔2 m,铺设1 674支,埋深为3 m,距离管道1 m,其位置见图13,总输出电流为55.4 A。经过计算求解,其电位为-650～-1 200 mV(相对于CSE)。

图13 优化后牺牲阳极地床分布位置示意Fig.13 Schematic diagram of distribution position of sacrificial anode ground bed after optimization

如图14所示,单支牺牲阳极地床的输出电流较小,管道保护范围较小,低压燃气管网大部分保护电位均正于-850 mV(相对于CSE),阴极保护电流流入临近的接地网中,低压燃气管网获得的电流较少。因此,牺牲阳极地床不适用于城市小区低压燃气管网开放式阴极保护设计。

图14 优化后牺牲阳极地床电位分布云图Fig.14 Cloud map of potential distribution of sacrificial anode ground bed after optimization

如表5所示(表中电位均相对于CSE):3 000 m左右的低压燃气管网需使用23支深井阳极地床,但其输出电流较大,施工成本较高;牺牲阳极地床输出电流较小,1 674支牺牲阳极无法为低压燃气管网提供足够的阴极保护电流,导致低压燃气管网大部分范围处于欠保护状态;浅埋分布式阳极地床可以解决接地的屏蔽效应,对于防腐蚀层遭到破坏的燃气管道起到了有效的保护作用,在城市小区内埋设73支浅埋分布式辅助阳极可有效保护城市小区低压燃气管网。

表5 3种阳极地床形式下的保护效果Tab.5 Protection effects in three anode ground bed forms

3 结论

(1) 针对城市低压燃气管网电连接点较多和无法充分绝缘的特征,提出了开放式阴极保护方式。

(2) 通过馈电试验,对比了近阳极地床、深井阳极地床和远阳极地床等3种开放式阴极保护地床形式下的电流分散特征,近阳极地床能够有效屏蔽接地干扰,是适用于低压燃气管网的阳极地床形式。

(3) 通过数值模拟计算,分析了深井阳极地床、牺牲阳极地床和浅埋分布式阳极地床等3种形式下开放式阴极保护的保护电位分布,得到了适用于城市小区低压燃气管网浅埋分布式阳极地床分布方案。