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【摘 要】本文以一个真实的交叉并行油气管道阴极保护干扰案例，针对国内某油气管道存在的阴极保护干扰问题现状，分析现场干扰检测数据和干扰管/地电位特点，并利用数值模拟技术对现场干扰强度进行重新评估，最后对干扰治理方案进行数值模拟预评估，结果表明治理方案可以完全消除该处干扰影响。
【关键词】交叉并行管道；阴极保护；干扰；数值模拟；治理方案
1、现场检测与分析
1.1.干扰现场基本情况
该阴极保护干扰现场位于西北某输油站附近，有3条埋地管道，分别为管道1、管道2和管道3（图1）3条管道有各自独立的强制电流阴极保护系统，防腐层均为3PE。
管道1的阴极保护间与输油站共建，恒电位仪工作模式为恒电位模式，控制电位为一1.20V（相对于饱和硫酸铜参比电极CSE，下同），输出电压为6.50V，输出电流为1.61A。管道1的阳极地床由20支高硅铸铁水平铺设面成，总长度约80m。管道2横穿管道1，在平行段管道1和管道2相距约50m，管道2近距离穿过管道1的阳极地床（图1），最近处直线距离为25m。管道3距离管道1约60m。该地区为沙漠戈壁地貌，实测土壤电阻率偏高，范围为300--800Ω.m。
1.2.被干扰管道阴极保护电位测量
经过现场勘查和电位测量，发现管道3管/地电位变化不大，管道2受干扰最严重。
1.2.1.管道2干扰段电位分布
根据管道2在输油站前后9个测试桩上的管/地电位分布（图2），测试桩5距离管道1的阳极地床距离最近，测试桩4和6为后来临时安装的加密电位测试桩，距离测试桩5约500m。随着管道2向管道1的阳极地床不断靠近，管道2的管/地电位明显向负向偏移，在距离阳极地床最近处（测试桩5）达到管/地电位最负值一1.76V。随着管道2远离管道1的阳极地床，管/地电位逐渐向正向偏移，在测试桩8和测试桩9处，管/地电位基本稳定在一0.95V左右。可见，管道2管/地电位分布特点符合阴极保护干扰电流流入管段的特征，应该注意被干扰管道的过保护。
1.2.2.管道1管/地电位分布
图3显示的是管道1在输油站前后的管/地电位分布图，测试桩4和5分别为管道1进出站的测试桩，对应的管/地电位分别为一1.35V和一1.31V，测试桩3和6，对应的电位分别为一0.97V和一1.03V，远离阳极地床的测试桩2和7的电位分别为一0.89V和一0.93V。可见，在管道1进出站前后约2}3km范围内，管/地电位就正向偏移了约400mV，推测可能是受到了本身地床电位场的影响。
1.2.3.关闭干扰源后被干扰管道的电位变化
依据石油行业标准SY/T0017-2006规定的判断直流干扰程度指标：一般以管/地电位较自然电位的偏移量或者被干扰结构附件土壤电位梯度作为衡量指标，当管/地电位较自然电位正向偏移100mV，或被干扰管道附近土壤电位梯度大于2.5mV/m时，需采取治理措施。面对于由于直流干扰导致的管/地电位负向偏移的问题，标准中没有给出明确的指标，但是指出不应超过防腐层阴极剥离电位。管道2在电位测试桩上的实测最负管她电位达到一1.76V，可能导致管道2防腐层阴极剥离。由于管道2和管道1的管/地电位数据都是在电位测量桩上获得的，数据量有限，可能无法反映出管道管/地电位分布全貌。为此，利用有限元数值模拟技术对上述干扰现场进行重新模拟评估。
2、阴极保护干扰强度评估
2.1.有限元算法控制方程
阴极保护干扰涉及的物理过程均为稳态过程，可以采用經典无源静电场方程描述电位在土壤、管道中的分布规律：
式中：ρ为管道所在介质的电阻率，Ω·m；?为电位，V。
2.2.阴极保护干扰几何模型
在干扰现场，管道3距离干扰源较远，受到干扰较小，数值模拟时不考虑其影响。以下将完全按照现场管道实际走向、管道参数和地床位置建立对应的几何模型。管道1由两条管道同沟敷设面成，管径分别为559mm和813mm，埋深为1.8m，采用联合阴极保护方式。为便于数值模拟，将两条同沟敷设管道等价为一根虚拟管道，管径为两根管道之和，即1372mm，并相应调整其管材等价电阻率，保证虚拟管道与采用联合阴极保护的实际管道具有相等的单位长度纵向电阻。管道2管径为1219mm埋深为2.0m。
依据实际的管道1阳极地床参数，建立阳极地床几何模型。地床具体参数：埋深2.1m，高硅铸铁阳极20支，每支阳极间距为2.5m，单支阳极长1.5m，直径7.5cm，阳极埋设方式为平铺浅埋式，焦炭层厚度为0.3m，阳极地床输出总电流1.61A，计算区域土壤电阻率取500Ω.m。为了充分减小土壤边界效应对计算结果的影响，土壤计算范围取5km.
2.3.几何模型网格划分与求解
几何模型网格划分采用专业网格划分软件ICEMCFD完成，共划分网格数33.9*104个，为了更好地捕捉电场变化剧烈的区域，在网格模型的局部进行加密处理。模型的求解采用ANSYSCFX电场模块完成，计算模型除地床边界采用电流源边界外，其他采用电位边界。管道1与土壤之间电阻效应采用等价面电阻来表示，设为1*104Ω。m2（包括涂层面电阻和阴极极化等价面电阻），管道2对应的等价面电阻为2*104Ω.m2。为了提高计算精度，采用双精度求解器求解，计算收敛精度设定为10-5，一般求解器进行30次迭代即可达到收敛准则。
2.4.干扰强度有限元模拟结果
根据管道2在地床附近干扰电位分布有限元的计算结果（图4），管道2的干扰电位分布以地床所在位置（2000m处）为对称线，呈左右对称分布，干扰峰值电位为一2.55V。将有限元计算结果与管道2的现场测量干扰电位进行对比（图2），可以发现检测电位的最负值为一1.76V，面有限元计算结果给出的最负干扰电位为一2.55V，二者相差0.79V。原因在于图2所示检测干扰电位数据均是在电位测试桩上测量的，并没有测量到管道2所受到的最大干扰强度（应该位于最靠近管道1的地床位置）。依据现场实际电位测试桩的位置，在有限元模型对应位置提取有限元计算的电位结果，二者偏差在0.15V之内，这反映了数值模拟技术在分析阴极保护干扰问题上良好的可靠性。因此，在检测评价类似阴极保护干扰时，除了测量电位测试桩处的电位之外，还应该采用密间隔电位测量方法（LIPS）全面评价干扰区段被干扰管道的电位分布，必要时采用数值模拟技术辅助分析。 根据管道1在干扰管段数值模拟的管/地电位分布（图5），相对于管道2左右对称的分布特点，管道1的电位分布呈现出3个明显波峰，最负值为一1.83V，这是由于管道1走向呈“几”字形以及距离地床远近不一所导致的。
3、治理方案预评估与合理性探讨
3.1.基于有限元的预评估
现场勘查可知，输油站北侧和东北侧为隆起的小山包，西侧为平坦的开阔地，管道1新阳极地床位置倾向于在站场西北方向，距离站场西围墙延长线350m，距离管道2350m。新阳极地床采用平铺浅埋式，包含25支高硅铸铁阳极，其他采用阳极地床通用设计。
针对该干扰治理设计方案，采用以上介绍的基于有限元的数值模拟技术对治理方案进行预评估。治理方案数值模型中的参数与2.2节中的设置完全一致，不同在于管道1的阳极地床位置和高硅铸铁阳极数量不同。几何模型网格划分、求解器的设置见2.3节。
3.2.合理性讨论
针对以上干扰现场，管道1北侧是管道2，南侧是管道3，管道间距又不允许将地床置于两个管道之间，管道1的地床置于任何一侧都会遇到在地床和被保护管道之间存在其他金属构筑物的问题。采用3条管道联合保护的方式也许是一种合理的选择，但是，文中涉及的3条管道路径并非从始至终近距离平行，这就会造成联合保护和独立保护“混杂”在一起的局面，给阴极保护日常管理和有效性评价带来一定困难。因此，维持目前独立保护方式是一种比较现实的选择。治理方案中阳极地床距离管道2有350m，通过增大地床与中间构筑物间距，可以缓解管道1地床地电位场对管道2的干扰效应，这可以通过图6给出的管道2上的模拟管/地电位分布得到验证；依图7中管道1的管/地电位分布可知，设计的治理方案也没有对管道1的电位分布产生明显影响。
结束语
（1）在对阴极保护干扰问题进行现场检测时，应该采用密间隔电位测量技术测量被干扰管道的管/地电位，仅在电位测试桩上测量电位有可能得不到最大干扰强度。
（2）在分析复杂阴极保护干扰问题时，有必要借助数值模拟技术进行辅助分析。
（3）针对多条并行管道采用联合阴极保护还是独立阴极保护的问题，应根据现场实际情况具体分析。
参考文献：
[11]张丰，陈洪源，李国栋，等.数值模拟在管道和站场阴极保护中的应用[J].油气储运，2011.30（3）：208-212
[12]李紹忠，阎久红，何悟忠，等.SY/T0017-2006埋地钢质管道直流排流保护技术标准[S].北京：石油上业出版社，2006.
【关键词】交叉并行管道；阴极保护；干扰；数值模拟；治理方案
1、现场检测与分析
1.1.干扰现场基本情况
该阴极保护干扰现场位于西北某输油站附近，有3条埋地管道，分别为管道1、管道2和管道3（图1）3条管道有各自独立的强制电流阴极保护系统，防腐层均为3PE。
管道1的阴极保护间与输油站共建，恒电位仪工作模式为恒电位模式，控制电位为一1.20V（相对于饱和硫酸铜参比电极CSE，下同），输出电压为6.50V，输出电流为1.61A。管道1的阳极地床由20支高硅铸铁水平铺设面成，总长度约80m。管道2横穿管道1，在平行段管道1和管道2相距约50m，管道2近距离穿过管道1的阳极地床（图1），最近处直线距离为25m。管道3距离管道1约60m。该地区为沙漠戈壁地貌，实测土壤电阻率偏高，范围为300--800Ω.m。
1.2.被干扰管道阴极保护电位测量
经过现场勘查和电位测量，发现管道3管/地电位变化不大，管道2受干扰最严重。
1.2.1.管道2干扰段电位分布
根据管道2在输油站前后9个测试桩上的管/地电位分布（图2），测试桩5距离管道1的阳极地床距离最近，测试桩4和6为后来临时安装的加密电位测试桩，距离测试桩5约500m。随着管道2向管道1的阳极地床不断靠近，管道2的管/地电位明显向负向偏移，在距离阳极地床最近处（测试桩5）达到管/地电位最负值一1.76V。随着管道2远离管道1的阳极地床，管/地电位逐渐向正向偏移，在测试桩8和测试桩9处，管/地电位基本稳定在一0.95V左右。可见，管道2管/地电位分布特点符合阴极保护干扰电流流入管段的特征，应该注意被干扰管道的过保护。
1.2.2.管道1管/地电位分布
图3显示的是管道1在输油站前后的管/地电位分布图，测试桩4和5分别为管道1进出站的测试桩，对应的管/地电位分别为一1.35V和一1.31V，测试桩3和6，对应的电位分别为一0.97V和一1.03V，远离阳极地床的测试桩2和7的电位分别为一0.89V和一0.93V。可见，在管道1进出站前后约2}3km范围内，管/地电位就正向偏移了约400mV，推测可能是受到了本身地床电位场的影响。
1.2.3.关闭干扰源后被干扰管道的电位变化
依据石油行业标准SY/T0017-2006规定的判断直流干扰程度指标：一般以管/地电位较自然电位的偏移量或者被干扰结构附件土壤电位梯度作为衡量指标，当管/地电位较自然电位正向偏移100mV，或被干扰管道附近土壤电位梯度大于2.5mV/m时，需采取治理措施。面对于由于直流干扰导致的管/地电位负向偏移的问题，标准中没有给出明确的指标，但是指出不应超过防腐层阴极剥离电位。管道2在电位测试桩上的实测最负管她电位达到一1.76V，可能导致管道2防腐层阴极剥离。由于管道2和管道1的管/地电位数据都是在电位测量桩上获得的，数据量有限，可能无法反映出管道管/地电位分布全貌。为此，利用有限元数值模拟技术对上述干扰现场进行重新模拟评估。
2、阴极保护干扰强度评估
2.1.有限元算法控制方程
阴极保护干扰涉及的物理过程均为稳态过程，可以采用經典无源静电场方程描述电位在土壤、管道中的分布规律：
式中：ρ为管道所在介质的电阻率，Ω·m；?为电位，V。
2.2.阴极保护干扰几何模型
在干扰现场，管道3距离干扰源较远，受到干扰较小，数值模拟时不考虑其影响。以下将完全按照现场管道实际走向、管道参数和地床位置建立对应的几何模型。管道1由两条管道同沟敷设面成，管径分别为559mm和813mm，埋深为1.8m，采用联合阴极保护方式。为便于数值模拟，将两条同沟敷设管道等价为一根虚拟管道，管径为两根管道之和，即1372mm，并相应调整其管材等价电阻率，保证虚拟管道与采用联合阴极保护的实际管道具有相等的单位长度纵向电阻。管道2管径为1219mm埋深为2.0m。
依据实际的管道1阳极地床参数，建立阳极地床几何模型。地床具体参数：埋深2.1m，高硅铸铁阳极20支，每支阳极间距为2.5m，单支阳极长1.5m，直径7.5cm，阳极埋设方式为平铺浅埋式，焦炭层厚度为0.3m，阳极地床输出总电流1.61A，计算区域土壤电阻率取500Ω.m。为了充分减小土壤边界效应对计算结果的影响，土壤计算范围取5km.
2.3.几何模型网格划分与求解
几何模型网格划分采用专业网格划分软件ICEMCFD完成，共划分网格数33.9*104个，为了更好地捕捉电场变化剧烈的区域，在网格模型的局部进行加密处理。模型的求解采用ANSYSCFX电场模块完成，计算模型除地床边界采用电流源边界外，其他采用电位边界。管道1与土壤之间电阻效应采用等价面电阻来表示，设为1*104Ω。m2（包括涂层面电阻和阴极极化等价面电阻），管道2对应的等价面电阻为2*104Ω.m2。为了提高计算精度，采用双精度求解器求解，计算收敛精度设定为10-5，一般求解器进行30次迭代即可达到收敛准则。
2.4.干扰强度有限元模拟结果
根据管道2在地床附近干扰电位分布有限元的计算结果（图4），管道2的干扰电位分布以地床所在位置（2000m处）为对称线，呈左右对称分布，干扰峰值电位为一2.55V。将有限元计算结果与管道2的现场测量干扰电位进行对比（图2），可以发现检测电位的最负值为一1.76V，面有限元计算结果给出的最负干扰电位为一2.55V，二者相差0.79V。原因在于图2所示检测干扰电位数据均是在电位测试桩上测量的，并没有测量到管道2所受到的最大干扰强度（应该位于最靠近管道1的地床位置）。依据现场实际电位测试桩的位置，在有限元模型对应位置提取有限元计算的电位结果，二者偏差在0.15V之内，这反映了数值模拟技术在分析阴极保护干扰问题上良好的可靠性。因此，在检测评价类似阴极保护干扰时，除了测量电位测试桩处的电位之外，还应该采用密间隔电位测量方法（LIPS）全面评价干扰区段被干扰管道的电位分布，必要时采用数值模拟技术辅助分析。 根据管道1在干扰管段数值模拟的管/地电位分布（图5），相对于管道2左右对称的分布特点，管道1的电位分布呈现出3个明显波峰，最负值为一1.83V，这是由于管道1走向呈“几”字形以及距离地床远近不一所导致的。
3、治理方案预评估与合理性探讨
3.1.基于有限元的预评估
现场勘查可知，输油站北侧和东北侧为隆起的小山包，西侧为平坦的开阔地，管道1新阳极地床位置倾向于在站场西北方向，距离站场西围墙延长线350m，距离管道2350m。新阳极地床采用平铺浅埋式，包含25支高硅铸铁阳极，其他采用阳极地床通用设计。
针对该干扰治理设计方案，采用以上介绍的基于有限元的数值模拟技术对治理方案进行预评估。治理方案数值模型中的参数与2.2节中的设置完全一致，不同在于管道1的阳极地床位置和高硅铸铁阳极数量不同。几何模型网格划分、求解器的设置见2.3节。
3.2.合理性讨论
针对以上干扰现场，管道1北侧是管道2，南侧是管道3，管道间距又不允许将地床置于两个管道之间，管道1的地床置于任何一侧都会遇到在地床和被保护管道之间存在其他金属构筑物的问题。采用3条管道联合保护的方式也许是一种合理的选择，但是，文中涉及的3条管道路径并非从始至终近距离平行，这就会造成联合保护和独立保护“混杂”在一起的局面，给阴极保护日常管理和有效性评价带来一定困难。因此，维持目前独立保护方式是一种比较现实的选择。治理方案中阳极地床距离管道2有350m，通过增大地床与中间构筑物间距，可以缓解管道1地床地电位场对管道2的干扰效应，这可以通过图6给出的管道2上的模拟管/地电位分布得到验证；依图7中管道1的管/地电位分布可知，设计的治理方案也没有对管道1的电位分布产生明显影响。
结束语
（1）在对阴极保护干扰问题进行现场检测时，应该采用密间隔电位测量技术测量被干扰管道的管/地电位，仅在电位测试桩上测量电位有可能得不到最大干扰强度。
（2）在分析复杂阴极保护干扰问题时，有必要借助数值模拟技术进行辅助分析。
（3）针对多条并行管道采用联合阴极保护还是独立阴极保护的问题，应根据现场实际情况具体分析。
参考文献：
[11]张丰，陈洪源，李国栋，等.数值模拟在管道和站场阴极保护中的应用[J].油气储运，2011.30（3）：208-212
[12]李紹忠，阎久红，何悟忠，等.SY/T0017-2006埋地钢质管道直流排流保护技术标准[S].北京：石油上业出版社，2006.