文| 路民旭 杜艳霞 北京科技大学腐蚀与防护中心 李夏喜 孙健民 北京燃气集团有限责任公司
燃气管网外加电流阴极保护数值预测与优化技术研究
尽管牺牲阳极阴极保护方法在城市燃气管网中获得了广泛的应用，但由于其寿命有限，需要定期更换；但在城镇地区，地表建筑密集，开挖难度大，为了弥补牺牲阳极阴极保护技术的不足， 燃气行业也开始探索基于外加电流的燃气管网区域阴极保护技术。
燃气管网的区域性阴极保护技术是将某一区域内的所有燃气管网当作一个整体来进行保护，由于保护区域内保护对象繁多、地下管网分布复杂、范围较小，给辅助阳极地床的设计带来较大的困难。近年来，随着电化学和计算机技术的发展，人们尝试采用数值计算技术来处理复杂条件下的阴极保护优化设计。该技术为解决燃气管网的区域阴极保护设计问题提供了有效的解决途径。将数值模拟预测与优化技术应用于燃气管网阴极保护设计中，通过计算阴极保护电位和电流密度的分布，来评价保护效果，优选保护方案，确定合理的阳极种类、形状、数量、位置等参数，可大大提高燃气管网阴极保护的设计水平。
笔者带领研究团队围绕燃气管网阴极保护数值预测与优化技术开展了系统研究。综合考虑阴极保护系统的电子通路、离子通路及将二者联系起来的界面极化特性，并针对环境介质的不均匀性，建立了燃气管网阴极保护电位分布数学模型。结合电化学极化理论和实验测试，研究确定了数值模拟计算所需的边界条件。
根据燃气管网阴极保护特点和边界元计算原理开发了可进行三维问题求解的边界元计算程序。在数学模型和数值计算方法研究的基础上，开发了城市燃气管网阴极保护数值预测与评估软件，主界面如图1 所示。
根据燃气管网阴极保护特点和边界元计算原理开发了可进行三维问题求解的边界元计算程序。在数学模型和数值计算方法研究的基础上，开发了城市燃气管网阴极保护数值预测与评估软件，主界面如图1 所示。
图1 城市燃气管网阴极保护数值预测与评估软件界面
将研究形成的城市燃气管网阴极保护数值预测与评估技术在北京市燃气集团某中压管网区域进行了示范应用。所建的示范区三维几何模型及计算网格模型如图2 所示，计算得到的管线电位分布如图3 所示。
图2 示范站三维几何模型及计算网格模型
图3 某运行工况下埋地燃气管网电位分布计算结果
燃气管网交、直流干扰检测及防护技术研究
随着中国经济的迅速发展，基础设施的建设逐渐加快，某些基础设施如高压电塔、高速铁路、城市轨道交通等会对埋地燃气管道造成严重的交、直流干扰，导致阴极保护系统失效、引发腐蚀穿孔等安全问题。因此交直流杂散电流干扰问题已引起各大燃气公司的重视。
地铁直流杂散电流干扰检测及防护技术
近年来，中国各大城市为了缓解日趋严重的城市交通压力， 纷纷加快了地铁的建设。地铁运行时，由走行轨漏泄到道床及其周围土壤介质中的杂散电流，会引起埋地金属管道发生严重的腐蚀，导致油、气泄露，引发安全事故。因此，对于有效的检测并控制埋地管道地铁杂散电流腐蚀具有重要意义。
阴极保护电位是监视和控制阴极保护效果的重要指标，但由于地铁动态杂散电流的存在使得管道保护电位发生较大的波动， 图4 显示了采用杂散电流测试仪测得到位于地铁附近的一条管线上阴极保护电位和电流的变化曲线，上部为电流曲线，下部为电位曲线。
图4 某受地铁干扰管线上电流和管地电位变化曲线
地铁动态杂散电流引起的持续波动直接导致了难于正确地测量阴极保护极化电位，给阴极保护的有效性评价带来困难。此时采用常规的瞬间断电法因无法消除杂散电流干扰而无法满足测量要求。笔者带领的研究团队对地铁动态杂散电流干扰下的管道极化电位测试技术开展了研究，通过大量的室内模拟实验和现场试验，研发了抗干扰能力强的阴极保护极化电位测试探头。采用该探头测得的地铁干扰区管道通电电位及探头试片断电电位如图5 所示。将所开发的极化测试探头和无线传输系统结合，建立了埋地管道地铁杂散电流实时监测系统。
对于遭受地铁杂散电流腐蚀的燃气管网，如何有效排除杂散电流的干扰是实际生产中亟待解决的问题。笔者所在研究团队在实验室模拟试验和现场测试中发现，管道原有的牺牲阳极阴极保护系统会和地铁杂散电流产生很强的交互作用。在较大的地铁杂散电流影响下，牺牲阳极和管道之间电缆中流动的电流方向在发生着变化，说明牺牲阳极地床会充当杂散电流的流入流出点，使管道的电位波动幅度增大，干扰增强。为了减弱干扰程度，需要采用极性排流装置对传统的牺牲阳极阴保系统进行极性改造。综合考虑埋地燃气管道和地铁间的相互作用，可以采用极性排流或强制排流的方法，此外还可以采用阴极保护、分段绝缘等技术来缓解干扰。
交流干扰检测和防护技术
近年来，随着城市的发展，高压电线和管道铺设增加，这使得越来越多的管道铺设时与高压输电线并行。当金属管道与高压输电线并行时会受到来自电力系统的交流干扰。交流干扰将会加速管道腐蚀穿孔、干扰管道阴极保护系统、引起牺牲阳极与管道间发生极性逆转、对工作人员产生电击危害，严重威胁着管道的运行安全。因此，有效的交流干扰检测与防护措施对于确保天然气管道的安全运行有着重要的意义。
笔者带领研究团队和北京燃气集团高压公司合作，对北京燃气管网交流干扰检测评价及防护技术开展了研究。北京市某次高压天然气管线与两条100kV 和220kV 的高压输电线长距离并行， 并行距离达到7km，管线与高压输电线路相对位置如图６所示， 管道沿线并行高压线照片如图７所示。
图5 采用极化探头测得的地铁干扰区管地通电电位及试片断电电位
图6 某次高压天然气管道与高压输电线相对位置图
图7 高压输电线路照片
该次高压天然气管道沿线交流干扰现场检测结果如表1所示。
由上表可见，在6 处测量地点中，有3 处交流干扰电压均超过15V（基于安全接触电压考虑，NACE 标准RP0177-2000 规定埋地管道的管地交流电压不应超过15V），最高交流干扰电压接近30V，如此高的交流干扰风险对管道的安全运行埋下了巨大隐患。
检测到交流干扰后，如何设计缓解地床来将交流干扰缓解到允许的程度，是目前要解决的关键问题。由于交流干扰问题较为复杂，要进行准确的排流设计，需要借助相关软件。目前世界上对于交流干扰预测与排流设计比较权威的软件是加拿大SES 公司研发的CDEGS 软件包。该软件包可以进行精确复杂的接地设计、电流分布计算、电磁场及电磁干扰计算、土壤结构分析以及雷电/ 雷涌等模块。笔者研究团队利用该软件对上述管道交流干扰缓解方案进行了优化计算，确定了缓解方案，目前一期、二期缓解方案都已成功实施，获得了预期的缓解效果。
燃气管网阴极保护及干扰数据远程监测技术
传统的阴极保护电位检测方法是由阴保工或巡线员手持万用表或电压表在管道沿线测试桩处逐一进行测量，这种方法费时费力，尤其对于需要长时间连续监测的位置，并且不便于及时发现存在的问题，若将先进的数据远程监控技术应用于阴极保护电位数据的自动检测与传输，将大大提高维护管理水平，节省劳动力。对于远程监控技术，自上世纪80 年代起国内外开发了不同传输技术的阴极保护远程监控和测量的产品，随着地理信息系统及信息传递技术的发展，阴极保护远程监控技术也得到相应地发展。目前采用基于GIS 的实时监视控制和数据采集系统作为管理的运行管理平台，已在如美国、英国、挪威、丹麦等国家的管道普遍使用。可实现数据记录、设备查询、日常管理确定敏感区域的管道位置， 以便发生故障时能及时提供相关的详细资料。
阴极保护信息的传输方式可以简单分为有线和无线两大类， 其中有线通信主要包括电力载波通讯、架设光缆、电缆或者租用电信电话线、DDN、ADSL 等，而无线包括短波通信、微波通信、扩频通信、卫星通信GPS、GSM 短信/GPRS 通信等。在管道行业， 由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此架设光缆和铺设电缆的难度较大，不太符合情况。而向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些监控点线路难以到达，另外采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高、不便于大规模使用。与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。
为了能够进一步提高阴极保护管理水平，适应数字化管道建设的要求，笔者所在研究团队与国内相关单位合作将阴极保护电位测试探头与无线传输技术相结合开发了阴极保护数据远程无线传输系统。该系统包括远程数传终端、无线传输网络和主站服务器三部分。将该系统安装于埋地燃气管网上，能够实时显示阴极保护通/ 断电电位数据，对保护不足或欠保护的位置能够以红色报警信息高亮显示，并能对历史数据进行作图和数据分析，显示结果如图8 所示。
图8 阴极保护及干扰数据远程监测系统显示数据
阴极保护数据无线传输和远程监控系统是集成了阴保检测技术、智能仪表技术、无线通信技术和计算机网络技术等多学科领域的数据监测系统。该系统可完成阴极保护及干扰数据的自动检测及预处理、无线数据传输和服务器数据管理等功能，该技术的推广应用对于提高国内燃气管网防腐管理水平具有重要意义。
结语
随着埋地燃气管网建设规模的扩大以及服役环境的日益复杂， 其面临的安全问题也日趋严峻，为了保证城市燃气管网的安全， 减少腐蚀泄漏事故发生，先进的阴极保护优化设计、远程监测及交直流干扰防护技术亟待在实际生产中推广应用，并在应用中不断完善。
阴极保护的数值模拟计算技术不仅可以用于阴极保护系统的优化设计、效果评价，还可用于阴极保护电位分布规律的研究以及杂散电流防护方案的制定；阴极保护数据远程传输和控制技术可直接用于阴极保护效果评价和阴极保护系统的维护管理中，这两项技术对于提高阴极保护的设计和管理水平具有重要的意义， 但作为新兴技术，在数据的准确性、系统的稳定性、可靠性方面尚待进一步的完善，如阴极保护数模计算的计算边界尚待进一步研究并建立相应的数据库，阴极保护测试探头的结构、功能、寿命、测试准确性尚待进一步研究，无线传输系统的稳定性也尚待进一步完善。在不断进行技术完善的同时，要注重与实际生产的结合， 以实际应用中发现的问题作为技术和产品完善的方向，同时利用实际应用来对新技术和新产品进行检验。新技术和新产品的开发只是一个起点，将这些技术和产品真正应用于实际生产中，才能发挥出其应有的价值。此外对于交、直流杂散电流的判别、检测及排除，我国近年来无论在观念认识，还是科学研究和实际工程中都有了一定的发展，但围绕交、直流干扰的一些根本性问题， 如动态直流杂散电流的判别，交流腐蚀机理以及交、直流干扰的有效排除技术，由于国际上也尚处于探索阶段，我国目前大多参照国外标准、研究结果或推荐作法，没有取得突破性的研究进展， 故围绕交、直流干扰腐蚀机理、判断指标以及防护技术尚待进一步深入研究。