随着中亚输气管道、西气东输二线等大型能源动脉工程的建设, 我国天然气长输管道建设迎来了一个空前的高峰期, 管道并行的工程实例也逐渐增多, 如西气东输一线、西气东输二线、西部管道均在河西走廊中并行敷设。并行敷设油气管道阴极保护干扰问题也日渐突出, 在《钢质管道及储罐腐蚀控制工程设计规范》 (SY 0007)中规定了对于非联合保护的平行管道间的距离不宜小于10 m, 由于SY0007的编制时间较早, 经过近10年的发展, 管道外防护涂层的性能有了很大提高。涂层性能的提高、阴极保护电流密度的减小是否会对非联合保护并行管道合理间距的要求有所改变, 目前尚无相关的研究结果和监测数据, 那么并行敷设管道阴极保护防干扰的合理距离应该是多少呢?笔者拟结合工程实际从并行管道现场测试、室内实验、数值模拟等方面谈一些粗浅的看法。
国内外资料关于非联合保护并行管道相互干扰的现场测试数据较少, 因此, 为取得现场的第一手详实数据, 对甘肃省境内西部原油成品油管道和西气东输并行段进行了现场测试。测试的主要内容包括记录恒电位仪的运行参数、测量土壤电阻率、管道的电位梯度分布、管道沿线的通、断电电位分布。
按照《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》 (SY/T 0023-1997), 采用对称四极交流电法来测量土壤电阻率。土壤电阻率是影响地下金属构件腐蚀的一个重要的综合性指标, 是判断土壤腐蚀性的最基本参数, 同时也是影响阴极保护输出电流及保护效果的一个重要指标。
电位梯度测量, 在垂直管道方向上, 分别测量管道两侧地表电位梯度的变化。通过测量不同间距的两个参比电极之间电位差来进行, 在不同的地质条件下要对两支参比电极进行校正。
管道沿线通、断电电位分布测量, 用便携式参比电极置于埋地管道上方的地表面上, 通过数字万用表测量被保护构件与参比电极之间的电位, 通过瞬间断电法来消除IR降。在阴极保护间安装断路器来实现瞬间断电, 并采用具有记忆功能的万用表来测量通电保护电位、瞬间断电电位。
本次现场测试以阴保间为基点, 对沿阳极地床的不同间距、不同土壤电阻率、不同并行间距进行了测试。主要的测试基点包括西部管道甘露池附近46号阀室阴保间, 西气东输一线山丹站, 西部原油成品油管道山丹站和西靖站和西部原油管道与西气东输管道相距较远处。下面例举两处测量数据。
46号阀室土壤电阻率测量:电极间距2 m, 倍率1, 读数2, 测得的土壤电阻率为25.12 Ω·m。
通电点通断电电位测量:对46号阀室阴保间通断电电位进行了9次测量, 测得的通电电位平均值为-1.2030 V, 断电电位平均值为-1.1090 V, IR降平均值为94 mV。
46号阀室电位梯度测量:间距2 m时, 电位梯度为-17.18 mV/2m, 电位梯度平均值为8.64 mV/m。垂直管道方向随着距离的增大, 电位梯度逐渐减小, 在距管道7 m以外电位梯度小于2.5 mV/m。
西靖站2 km处西气东输一线电位梯度测量:间距2 m时, 北侧靠近并行段, 电位梯度为-18.764 mV/2m, 电位梯度平均值为9.382 mV/m。南侧远离并行段, 电位梯度为-27.11 mV/2m, 电位梯度平均值为13.655 mV/m。随着与管道间距的增大, 电位梯度呈减小趋势。南侧在6 m外电位梯度开始小于2.5 mV/m; 北侧在13 m外电位梯度开始小于2.5 mV/m; 对比南北两侧的电位梯度变化可知, 南侧6 m外的电位梯度变化幅度明显小于北侧, 主要是由于北侧与西部原油成品油管道并行, 南侧为非并行侧, 并行侧的存在对电位梯度的变化有一定影响的。
根据对不同地段的现场测量, 当测试位置与阳极地床的距离不同时, 管道两侧电位梯度下降到2.5 mV/m的距离也有所不同。远阳极处的防干扰距离要小于近阳极处的防干扰距离, 且随着测试点土壤电阻率的不同, 防干扰距离也有一定的差异, 随着土壤电阻率的增大, 防干扰距离基本呈增大趋势。对现场数据分析可知, 在距阳极地床较远的位置, 当土壤电阻率在100 Ω·m以下时, 并行管道阴极保护防干扰的合理距离可取4 m~6 m; 当土壤电阻率大于100 Ω·m时, 可适当加大距离。
为了进一步研究3PE涂层的阴极保护电流密度要求, 以及带3PE涂层及不带涂层阴极保护系统之间的相互干扰问题, 建立了室内模拟装置, 制作了3PE涂层和裸管试样进行了对比试验。
分别对裸管和带3PE涂层钢管试样在不同阳极地床保护下, 采用不同并行间距时对试样两侧电位梯度的影响进行了测试。
裸管试样测试:对1号裸管、地床通电测试, 当单根裸管试样处于阴极保护下时, 随着距阳极地床距离的增大, 电位梯度均为正值, 且随着距阳极地床距离的增大, 电位梯度下降, 在一定位置处电位梯度下降为0。在被保护试样周围电位梯度均为负值, 随着距被保护试样距离的增大, 电位梯度下降, 直到降为0。另外对1、2号裸管、地床同时通电测试分析, 并对不同的间距(141.5 mm、226 mm、250 mm)进行了测试。结果表明, 在非并行侧, 随着距管道和阳极距离的增大, 电位梯度逐渐减小。但是在并行试样之间, 电位梯度呈现很大的波动, 说明两个阴极保护系统之间产生了较大的干扰。
带3PE涂层试样测试:带3PE涂层1号管、地床通电, 单个3PE涂层试件周围的电位梯度很小, 远小于裸管试样的情况, 且随着距试件距离的增大, 电位梯度基本保持不变。对带3PE涂层的1、2号管同时通电, 结果表明, 对于涂层试样, 两个并行试样之间的电位梯度和非并行侧的电位梯度值均较小, 在0上下波动, 远小于并行裸管试样的情况, 说明并行涂层试样之间并没有产生相互的干扰。
通过对3PE涂层试样和裸管试样的模拟实验可知, 裸管试样在非并行侧, 随着距管道和阳极距离的增大, 电位梯度逐渐减小。但在并行试样之间, 电位梯度呈现很大的波动, 说明两个阴极保护系统之间产生了较大的干扰。而对于3PE涂层试样, 两个并行试样之间的电位梯度和非并行侧的电位梯度值均较小, 远小于并行裸管试样的情况, 说明并行涂层试样之间并没有产生相互的干扰。
由于现场测量数据受到并行的高压线路、土壤电阻率分布的不均匀性以及阳极地床位置的不确定性等多方面的影响, 根据现场测试数据很难单纯地来研究并行管道不同阴极保护系统之间的相互干扰。而数值模拟方法能更灵活地对研究对象和研究条件进行设定, 故采用了数值模拟方法来对不同阴极保护系统保护下并行管道沿线的电场分布进行计算, 从而研究不同阴极保护系统的相互干扰。
在阴极保护工程中掌握阴极表面电位分布规律是非常重要的, 它直接关系到阴极保护的效果。建立阴极保护体系的数学模型, 必须知道这个体系的所有组成部分及反映体系特性的各种参数。一个实际的阴极保护体系大致有被保护构件的几何尺寸和阳极的位置、形状, 电流流经介质的电性能, 阳极的电学行为, 尤其是电化学(如极化曲线)特性, 被保护构件的电学行为, 主要是极化行为和表面钙沉积行为等参数。阴极保护体系数学模型包括问题的描述方程和相应的边界条件。边界条件作为阴极保护体系电位分布数学模型的一个重要组成部分, 对数值计算结果的准确性有很大的影响, 能够给出适当的、更加符合实际情况的边界条件是数值计算要解决的一个关键问题。
阴极保护体系的数学模型可通过有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)和边界元法(BEM)等求得数值解。
(1)计算模型的建立及计算结果。非联合保护并行管道阴极保护体系几何模型的建立参考西部管道公司和西气东输公司提供的现场阳极地床资料, 取阳极地床的总长度为135 m, 阳极与管道的垂直距离为100 m, 管径为1016 mm, 管道涂层为3PE涂层, 建立了不同间距下并行管道阴极保护系统的几何模型。计算得到了并行管道阴极保护系统土壤体及管道截面上的土壤体平面上的电场电位分布。
由并行管道阴极保护体系土壤体及截面上的电位分布结果可知, 在不同的并行间距下, 土壤体电场电位呈现相似的变化规律, 即阳极地床附近的土壤电位较高, 随着与阳极地床距离的增大, 电位逐渐降低; 当管道位于阳极地床附近时, 管道附近土壤中的电位受阳极地床的影响较大; 当管道距阳极地床较远时, 管道附近的土壤电位较低, 随着与管道间距的增加, 地场电位逐渐升高, 这种变化规律与现场测试结果相吻合。
(2)不同并行间距下两管道相互干扰分析。通过对不同间距对大地电场电位分布的影响和管道间的相互干扰程度分析, 可以得出无干扰的最小间距。以管道沿线的阴极保护电位分布和垂直于管道方向上土壤中的电位分布为研究对象。分别计算了并行管道间距为2 m、4 m、6 m和10 m时管道沿线的电位分布和垂直管道方向上土壤中的电位梯度变化。
计算结果表明, 管道沿线的阴极保护电位分布与管道距阳极的距离有很大的关系, 管道与阳极距离最近处阴极保护电位最负, 随着与阳极距离的增大, 管道的阴极保护电位逐渐变正。当并行管道间距为2 m时, 在距阳极的不同位置, 并行管道中间均受到二者电场的影响, 两并行管道之间相互干扰较大。当并行管道间距为4 m时, 管道之间的电位梯度相对于2 m的情况均有较大幅度的下降, 且电场影响随着距阳极距离的增大而减小, 在250 m外影响已经很小, 500 m外并行管道之间已经不受彼此电场的影响。当并行管道间距为6 m时, 土壤场电位并没有发生明显的变化, 说明并行管道之间电场的影响进一步减小。间距6 m时, 在距离阳极地床250 m外, 可认为两条管道之间已无影响。当并行管道间距为10 m时, 所考察的三条并行管道垂直线上的土壤场电位、电位梯度与6 m间距相比数值基本上没有明显的变化, 随着与阳极距离的增加, 管道之间的电位梯度数值有所减小, 但数值均较小, 说明两管道之间的相互影响已很小。
(3)不同土壤电阻率条件下两管道相互干扰分析。分别取土壤电阻率为20 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m来研究土壤电阻率对大地电场电位分布的影响, 以并行管道间距为4 m和6 m两种情况下垂直线上电位梯度变化为研究对象。
随着土壤电阻率的增大, 垂直管道土壤中的电位逐渐减小, 而管道之间、管道两侧土壤中的电位梯度逐渐增大。在并行管道间距为4 m、土壤电阻率为20 Ω·m和50 Ω·m情况下, 管道之间与管道两侧的电位梯度相当, 说明管道之间无相互影响, 当土壤电阻率为100 Ω·m时, 管道之间的电位梯度开始大于两侧土壤中的电位梯度, 说明两侧电场的影响随着土壤电阻率的增大而有所增加, 但由于电位梯度数值很小, 说明彼此的影响仍很小。当管道间距为6 m时, 对于所考察的三种电阻率, 均呈现管道之间的电位梯度明显小于管道两侧的电位梯度, 说明两管道之间无相互干扰。
通过对并行管道在2 m、4 m、6 m和10 m间距下电位分布和电位梯度变化计算, 可以得出:
(1) 不同并行间距下, 管道沿线阴极保护电位分布均与管道阳极间的距离有很大关系, 在与阳极距离最近的位置阴极保护电位最负, 随着与阳极距离的增大, 管道的阴极保护电位逐渐向正方向偏移。
(2) 不同并行管道间距情况下, 垂直于管道方向的电位梯度受阳极距离影响较大, 在与阳极较近的位置, 并行管道之间及两侧的电位梯度均较大, 说明此时受阳极地电场的影响较大, 随着与阳极距离的增大, 管道之间及两侧的电位梯度减小, 阳极地场的影响减弱, 管道之间的影响开始显现, 在与阳极相距较远的位置, 管道两侧的电位梯度基本相当, 此时管道之间主要受到两并行管道电场的影响。
(3) 当并行管道间距为2 m时, 与阳极地床距离不同的位置均出现管道之间电位梯度明显大于两侧的电位梯度, 说明此间距下两个阴极保护系统的电场相互影响严重; 当并行间距增大到4 m后, 管道之间及两侧的电位梯度明显减小, 且管道之间的电位梯度开始小于两侧土壤中的电位梯度, 说明管道之间电场的影响明显减小, 可认为在距阳极地床250 m外并行管道之间的影响已经可以忽略, 随着并行间距继续增大到6 m和10 m, 电位分布及电位梯度已变化很小。综上所述, 可得到对于3PE涂层的并行敷设管道, 土壤电阻率为50 Ω·m时, 在不受阳极地床影响的位置, 阴极保护系统防干扰的最小间距为4 m。
(4) 通过模拟土壤电阻率变化对不同间距并行管道间相互干扰的影响, 随着土壤电阻率的增大, 管道之间的相互干扰有所增大, 但增大程度远小于管道间距变化的影响, 数值计算结果表明在100 Ω·m以下时, 仍可采用4 m的间距。
(1) 通过对现场测量数据的分析表明, 沿垂直于管道方向, 随着与管道距离的增加, 土壤中的电位梯度呈下降趋势。当测试位置与阳极地床的距离不同时, 管道两侧电位梯度下降到2.5 mV/m的距离有所不同。远阳极位置处的防干扰距离要小于近阳极位置处的防干扰距离, 且随着测试位置处土壤电阻率的不同, 防干扰距离也有一定的差异, 随着土壤电阻率的增大, 防干扰距离基本呈增大的趋势。对现场测试数据进行总结可得在距阳极地床较远的位置, 当土壤电阻率在100 Ω·m以下时, 并行管道阴极保护防干扰的合理距离可取4 m~6 m; 当土壤电阻率大于100 Ω·m时, 可适当加大距离。
(2) 通过对3PE涂层试样和裸管试样的阴极保护电流密度对比实验和并行试样非联合保护相互干扰研究, 结果表明, 带3PE涂层的阴极保护电流密度远小于裸管试样的阴极保护电流密度, 3PE涂层试样之间无干扰存在, 试样两侧的电位梯度变化非常小, 接近于0, 而并行裸管试样之间土壤电位梯度呈现较大的波动, 存在相互干扰。
(3) 采用阴极保护电位分布数值模拟方法研究了2 m、4 m、6 m和10 m不同间距下管道电场之间的相互干扰情况, 结果表明:并行管道间距为2 m时, 两个阴极保护系统的电场相互影响严重; 当并行间距增大到4 m后, 管道之间及两侧的电位梯度明显减小, 且管道之间的电位梯度开始小于两侧土壤中的电位梯度, 说明管道之间电场的影响明显减小, 可以认为在距阳极地床250 m外并行管道之间的影响已经可以忽略, 随着并行间距继续增大到6 m和10 m, 电位分布及电位梯度已无明显变化。由此可得到对于3PE涂层的并行管道, 土壤电阻率为50 Ω·m情况下, 在不受阳极地床影响的位置, 阴极保护系统防干扰的最小间距为4 m。数值模拟计算结果表明, 随着土壤电阻率的增大, 管道之间的相互干扰有所增大, 但增大程度远小于管道间距变化的影响, 在100 Ω·m以下时, 仍可采用4 m的间距。
2010, Vol. 39 Issue (6): 557-560
2010, Vol. 39 Issue (6): 557-560