直流杂散电流对管道腐蚀的影响外文翻译资料

 2022-11-14 04:11

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直流杂散电流对管道腐蚀的影响

Gan Cui1,Zi-Li Li1,Chao Yang1,Meng Wang1

  1. College of Pipeline and Civil Engineering, China University
    of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong,
    China)

摘要:直流杂散电流可引起埋地管道的严重腐蚀。在这项研究中,首先,我们推导出了管道直流杂散电流干扰方程。接下来,阴极边界条件与管道元素离散化,并设计相应的实验来验证数学模型。最后,数值模拟程序BEASY用于研究直流杂散电流辅助阳极地床在外加电流阴极保护系统产生腐蚀的影响。对于管道交叉角度,交叉距离,两个管道的距离,阳极输出电流,深度和土壤电阻率对腐蚀的影响进行了研究。我们的研究结果表明,管道穿越基本上影响受保护和未受保护的管道的腐蚀电位。管道交叉角度,交叉距离和阳极深度,我们的研究结果表明,没有显著的影响。减小阳极输出电流或土壤电阻率会逐渐降低管道腐蚀。当两个平行管道之间的距离增加时,腐蚀减弱的情况也会发生。

关键词:直流杂散电流,BEASY,数值模拟,直流干扰腐蚀

1 引言

杂散电流是指流过其他地方而不是沿着预期电流路径的电流。这是地下金属管道腐蚀和泄漏的重要原因(Li 等人,2010;Guo 等人,2015)。杂散电流腐蚀基本上是电化学腐蚀(Bertolini等人,2007)。由于埋管钢管的导电性较高,当杂散电流流过管道时(Brichau等,1996)有效地形成了腐蚀电池,形成了导电环境较小的电位差。在正常条件下,杂散电流引起的腐蚀比土壤腐蚀更严重(土壤腐蚀的潜在差异只有约0.35 V,无杂散电流,但当土壤电势达到8-9 V时,管土电位可高达8-9 V杂散电流存在)(Brichau等人,1996)。杂散电流对腐蚀有很大的影响,影响了埋地管道的使用寿命和安全使用(Ding 等人,2010)。因此,更好地了解杂散电流腐蚀是重要的。有三种类型的杂散电流:直流电(DC),交流电(AC)和地球上的自然电流。其中,DC杂散电流对埋地管道造成的损害最大(Gao等人,2010)。直流杂散电流主要来自直流电气化铁路,直流电解设备接地电极和阴极保护系统的阳极床(Wang 等人,2010)。数值方法已被证明是分析腐蚀问题的有力工具几十年。用于腐蚀研究的数值方法包括有限差分法(FDM),有限元法(FEM)(Xu and Cheng 2013)和边界元法(BEM)(Metwally et al。2007; Boumaiza and Aour 2014; Bordo et al。,2014)。 BEM应用于20世纪80年代初的阴极保护系统(Wrobel和Miltiadou 2004; DeGiorgi和Wimmer 2005; Lacerda 等人,2007; Abootalebi等人,2010;Lan 等人,2012;Liu等人, 2013)。与FDM和FEM相比,BEM仅需要边界的啮合。因此,BEM需要更少的方程,导致比FEM更小的矩阵大小,并且可以解决有限和无限域问题(Jia等人2004; Parvanova等人,2014)。最后但并非最不重要的是,BEM已经专门开发,用于计算电气铁路在管道网络中引起的直流杂散电流,并且可以对由轨道,牵引站,架空电线和列车组成的土壤和整个牵引系统进行建模(Bortels等2007; Poljak等人,2010)。

在本文中,进行BEM以确定直流干扰腐蚀对相邻管道的影响(与阴极保护的交叉或平行管道)。重点介绍外加电流阴极保护系统辅助阳极产生的直流电流。

2 数学模型

2.1控制方程

这里做了一些简化和假设:

管道周围的溶液是均匀的和电中性的,并且溶液中没有浓度梯度。基于上述假设和欧姆定律,电流密度我可以表示如下:

是土壤的电导率S/m;i是电流密度单位为mA/m2;e是电场强度V/m。。那么,连续性方程的静态形式就可以了写出:

在静态条件下,电位由以下等价方程定义:

因此,电位的控制方程是拉普拉斯方程:

2.2 边界条件

边界条件可以分为阳极边界条件,阴极边界条件和绝缘边界条件。

2.2.1阳极和绝缘边界条件

在该模拟中,使用外加电流阴极保护系统,并且假设辅助阳极的输出电流是恒定的。因此,阳极边界条件可以描述为:

绝缘边界条件可以描述为:

2.2.2阴极边界条件

在阴极表面,发生许多复杂的电化学反应。极化是这些反应的结果之一。极化数据将用作阴极边界。使用常规三电极电池组件在土壤环境中测量钢的极化曲线。使用矩形铂形状作为对电极和饱和硫酸铜电极作为参考。工作电极为长方体,材料为Q235钢。将钢电极嵌入环氧树脂中,使得只有1cm2的长方体面积暴露于土壤。实验前,工作电极采用600-1200格栅逐渐抛光,防水砂纸。然后用蒸馏水洗涤,用丙酮脱脂,并用乙醇洗涤。最后,将其在未加热的空气流中干燥。电化学测量使用电化学工作站Parstat 2273进行,其特别设计用于电化学腐蚀行为的研究。它可用于测试开路电位,电化学阻抗谱(EIS),Tafel极化曲线,循环伏安图等。本文对Tafel曲线进行了测试,偏振测量涉及扫描从400到1200 mV,扫描速率为0.3mV/s时的极化曲线用作阴极边界条件,但它是非线性曲线,因此我们必须在分段线性插值方法中使用极化数据(Abootalebi等人,2010; Liang等人,2011; Liu 等人,2013; Li等人,2013)。极化曲线如图1所示。我们将其呈现为分段线性曲线。

图1:极化曲线 a:实验极化曲线;b:分段线偏振曲线

2.3边界元法(BEM)

边界元法应用时,只有域的边界需要离散化。管道离散使用管道元件的方法,见图2。该方法减少了节点和元素的数量,所以使用该方法时可以简化计算。

应该注意的是,使用管道元件方法需要满足某些条件:(1)受保护体的几何形状需要适用于单元细分;(2)在同一单元上的电位被认为是恒定的。

已知边界积分方程的基本解是:

这里“r”是指边界节点与源节点之间的距离。因此,当边界节点与源节点重合时,集成将成为一个奇点。

图2 管道表面离散化

2.3.1非奇异系数的计算

在等式(7)和(8)中,i = j。K(k)是第一类的椭圆积分,而E(k)是第二类的椭圆积分;J和B是坐标变换的结果;t是局部坐标;而Zrn是最后一个管道节点的第三个坐标。

2.3.2奇异系数的计算

对于半无限区域

针对Gii的分析方法是

最后,标准BEM公式由数值积分表示,结果为:

3 实验

为了验证数学模型,在对照实验室环境中进行相关实验。

3.1实验设计

整个实验箱由木材制成,8000mm*6000mm*1500mm(长*宽*高),盖上绝缘板。我们还放置了一块PVC板盖着它和在它周围。两根钢管埋在箱内:分别为受保护的管道和直流干扰管道。保护管参数为材质Q235钢号,无涂层,外径20mm,壁厚3mm,长度6000 mm,深度1m。直流电干扰管的参数为外部材料Q235,无涂层,直径20mm,壁厚3mm,长度4000mm,深度0.5米。辅助阳极的参数为经处理的圆柱形表面直径为0.03米,长度0.1米,深1米,管距离0.3米,无填料,输出电流为1mA。

测试点设在管道上,如图3所示。三根恒电位电缆(DJS-292)分别连接到管道,辅助阳极和参比电极的通电点。参考电极是饱和的铜--硫酸铜电极(CSE),其被埋在通电点附近。

图3 实验装置示意图

使用测试块电源中断方法,使用NIUSB6210数据采集模块采集阴极保护电位数据。

3.2仿真与实验结果比较

图4显示了受保护管道上测试点的测量和模拟电位。直流干扰管的实验结果如图5所示。图4和图5显示实验数据与仿真结果相对较好。最大的差别是小于15 mV,小于2%。因此,直流杂散电流干扰的数学模型是相当准确的。BEM建模证明对于模拟管道上的直流杂散电流干扰非常有效。

图4 保护管电位

图5 直流干扰管上的电位

4 BEASY模拟

本文采用边界元数值模拟软件BEASY。仿真模型根据图6进行。对于BEM模拟,正在研究的结构位于大立方体内。根据BEASY的建议(BEASY 2005),仿真箱必须是20倍模型的大小。模型周围的框不需要这么多元素,除非模型放置得非常接近。只要模型距离箱壁很远,目前不应该到达箱子。因此,没有必要放这么多元素;4元素/面(包括地面)将能满足要求(Wu et al,2011)。

该模型包括以下内容:具有受保护管道(管线1)的外加电流阴极保护系统(ICCP)。管道2位于管线1附近,没有施加阴极保护。因此,辅助阳极对管线1的一部分阴极保护电流将作为杂散电流流入管线2,并影响管线2的腐蚀。见图6。

选择原点作为两条管线之间的交点,模型中的参数设置如下:管线1:两个端点坐标为(-800 m,0 m,-4 m)和(800 m,0 m, -4 m),直径为0.762 m,材料为Q235;管线2:两个端点坐标为(0 m,-800 m,-2 m)和(0 m,800 m,-2 m),直径为0.4064 m,材料为Q235。假设两条管道上的涂层具有5%的损伤。 垂直埋置的辅助阳极具有以下参数:两个端点坐标(-800 m,-100 m,-1 m)和(-800 m,-100 m,-6 m),直径为0.1 m,恒流 2400 mA。 埋管线土壤电导率为0.005 S / m。 应当注意,下面的所有模拟电位数据都是相对于饱和硫酸铜参比电极。

图6 直流干扰模型示意图。阳极研磨床产生直流杂散电流。管线2逆时针旋转以研究四个不同的交叉角(30°,45°,60°和90°)

5 结果与讨论

5.1管道穿越的影响

考虑到与90°角相交的两条管道的情况,每个参数的设置与第四章中相同。通过仿真获得管道2的电位分布和电流密度分布,结果如图7所示。

如图7a所示,管道2的电位分布的变化在两条管道相交时非常大。交叉点附近的腐蚀电位高于自腐蚀电位,交叉点的电位为正。管道两端的电位低于管道自腐蚀潜力。考虑到图7b中的杂散腐蚀电流密度。在本节中,电流密度为正,这意味着电流流出管道。因此,管道的这一部分成为阳极,其电位高于腐蚀更严重的自腐蚀电位。显示负电流密度的部分具有流入管线的电流。换句话说,它变成阴极。其潜力低于自腐蚀潜力。它接受一些减少腐蚀的阴极保护。

图7 管道穿越的计算效果;a:电位分布,b:杂散电流密度分布

5.2管道穿越对阴极保护电位分布的影响

进行以下假设:管线2还接收施加的外加电流阴极保护。管道2的辅助阳极的坐标为(100m,-800m,-1m)和(100m,-800m,-6m)。电流也为2400 mA,其余参数保持不变。两个管线的阴极保护电位和电流密度的分布如图8所示。

如图8所示,在两条管线之间的交点附近发生阴极保护电位的大的变化。交叉路口的最大值有明显的潜在增长。然而,电流密度在交点附近为低,在交叉点本身几乎为零。因此,管道阴极保护的程度在交叉口周围减弱,可能导致保护能力不足的情况发生。

图8 管道交叉对阴极保护电位(a)和计算电流密度分布的计算效应(b)

5.3计算交叉角变化的影响

我们模拟了两条管道之间的四个不同交叉角的管道2的腐蚀电位和电流密度分布:30°,45°,60°和90°。逆时针旋转管道2获得不同的角度,而所有其他参数保持不变。结果如图9所示。

图9显示,在交叉角度从30°增加到90°时,交叉点附近的电位变得越来越负。然而,交叉点前100米内的电位变化只有约30 mV。另一方面,离交叉口几百米处的计算电位变化相对较大。 这是因为管道和辅助阳极之间的相对位置变化较大,同时阳极和交叉点的位置保持不变。当比较交点的电位时,这是非常重要的一点。

图9 不同交叉角的计算效果。a 电位分布,b 杂散电流分布

5.4改变垂直交叉距离的计算效果

我们模拟了埋在深度为0.5,1,2和3 m的管道2的腐蚀电位和电流密度分布(见图10)。其他参数保持不变。

我们的计算结果表明,在所研究的范围内,管道腐蚀电位和电流密度对于不同的垂直交叉距离几乎保持不变。

图10 改变垂直交叉距离的计算效果: a电位分布,b杂散电流分布

5.5平行管线水平距离的计算效果

平行管道之间的距离在实践中可能有很大差异。我们模拟管道2的距离为0,50,100,150和200 m的电位分布和电流密度分布,所有其他参数不变。模拟结果如图11所示。

我们的研究结果表明,随着两条管道之间的水平距离的增加,管线2的潜在分布变得更为负。此外,整个管道的潜在分布变得更均匀分布。从杂散电流密度的分布,我们知道电流密度随着距离的增加而减小,大多数类型的交点的电流密度在200 m内约为零。这里,来自杂散电流的直流干扰变得非常小。结果,管道2中的直流干扰随着水平距离的增加而减小。 剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


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