基于COMSOL的直流杂散电流干扰的管道的仿真分析

姚辉超

(中海石油气电集团技术研发中心，北京 100028)

杂散电流是指没有按照制定的电流回路流动，而从回路中流出进入周围环境介质中(如土壤、水等)而形成的电流[1-3]。当环境中存在着金属物时，金属就受到杂散电流的干扰。由于金属构筑物的电阻远小于土壤的电阻率，杂散电流就从金属构筑物的某一端流入，在一定区域从另一端流出来，杂散电流流出位置造成金属腐蚀。杂散电流既可能是直流电，也可能是交流电，不同形态杂散电流各具有不同的行为特点，本文重点研究分析埋地管道受直流电流干扰影响规律。

1 干扰原理

在直流杂散电流的干扰下，埋地管道受到在管道上出现“阴极区”和“阳极区”[4-5]。“阴极区”即电位相对较低的区域，主要形成在直流杂散电流流进埋地管道的位置处。“阳极区”即电位相对较高的区域，主要形成在直流杂散电流流出埋地管道的位置处。由于管道上“阴极区”相比管道其他地方的管地电位比较负，电子聚集到电流流入的这个区域，使得“阴极区”发生阴极极化，对埋地管道起到了一定阴极保护的作用。管道上“阳极区”相比管道其他地方的管地电位比较正，主要因为此处管道金属失去电子发生氧化反应形成金属离子，因此杂散电流从管道流出的位置就会发生腐蚀[6]。

2 计算模型

COMSOL Multiphysics 是一款通用的工程仿真软件平台，该软件腐蚀模块能够用于模拟电化学腐蚀过程和阴极保护系统有文献报道[7]。本文利用COMSOL软件的腐蚀模块搭建杂散电流干扰模型，并对管道受杂散电流干扰的杂散电流大小、土壤电阻率等因素进行了仿真计算。

2.1 模型搭建

本文在前人基础上利用COMSOL软件的腐蚀模块搭建双管道模型[7-8](见图1)：两条管道长度均1.6 km，被保护管道和受干扰管道的管径分别为0.762 m和0.406 m。辅助阳极的直径为0.1 m，长度为5 m。辅助阳极距离被保护管道100 m，距离受干扰管道800 m。

图1 双管道模型

2.2 边界条件和参数设置

边界元计算方法的边界条件：

(1)被保护管道：电位模型设置为固定，电极电位设置为0 V；

(2)受干扰管道：电位模型设置为悬浮电位，外加电流为0 A，边界电位初始值设置为0 V；

(3)辅助阳极：固定恒定电位仪输出电流为2.5 A；

(4)土壤电阻率设置为20 Ω·m。

2.3 考察影响因素

利用搭建的双管道模型对管道受杂散电流干扰的杂散电流大小和土壤电导率等因素，并考察其周围空间电流和电位分布。

(1)考虑5种杂散电流大小：1、2.5、5、7.5、10 A。

(2)考虑3种土壤电阻率：200、20、1.8 Ω·m。

3 计算结果处理及分析

3.1 直流干扰电流的影响

通过改变被保护管道的恒定电位仪输出的电流的变化：1、2.5、5、7.5、10 A，研究受干扰管道受直流杂散电流干扰的规律研究。

图2 不同直流杂散电流的受干扰管道电位分布

从图2可以看到，在不同直流杂散电流的情况下，受干扰管道电位分布的规律一致，双管道模型两管道存在交叉关系，在模型中采用了一个阳极，所以受干扰管道电位在两管道交叉的位置出现了一个对称的波峰分布形状。随着土壤中恒定电位仪输出电流的增大，受干扰管道电位分布将会向交叉位置移动。

3.2 土壤电阻率的影响

采用双管道模型研究3种土壤电阻率200、20、1.8 Ω·m，埋地金属管道受直流杂散电流干扰的影响。

图3 不同土壤电阻率的受干扰管道电位分布

分析图3，在不同土壤电阻率的情况下，受干扰管道电位分布规律类似，模型中采用了一个阳极，所以受干扰管道电位在两管道交叉的位置出现了一个对称的波峰分布形状。随着电阻率的变化，受干扰管道电位分布沿着管道走向的分布均匀性发生了变化。相较于高电阻率土壤介质中的受干扰管道电位分布，低电阻率土壤中的分布更为均匀。

4 结论

本文采用双管道模型研究了埋地管道受直流杂散电流干扰的影响，随着土壤中恒定电位仪输出电流的增大，受干扰管道电位分布将会向交叉位置移动。这是因为流进受干扰管内的电流密度会随着恒定电位仪输出电流升高而变大，增强了受干扰管道表面的阴极极化作用。随着土壤中电阻率值的增大，受干扰管道电位分布将会向正极一侧移动。这是因为流进受干扰管内的电流密度会随着土壤的电阻率升高而变小，削弱了受干扰管道表面的阴极极化作用。