一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法与流程

本发明涉及高压/特高压直流输电系统接地极引起附近金属管道杂散电流的预测，具体地说是一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法。

背景技术：

随着国家西电东送战略实施，我国已经建成多条高压/特高压直流输电线路，在其送端和受端换流站分别设有接地极。同时，由于我国能源需求快速发展，油气管道项目快速推进，存在在同一走廊中同时有直流接地极和油气管道等多个系统的问题。

当高压/特高压直流输电系统直流工作电流(如：单极大地回线方式下)或不平衡电流通过直流接地极泄入大地时，将引起附近土壤中各点电位变化，埋地金属管道若处于不同电位的土壤介质中，将在管道上形成纵向电流，影响管道阴极保护系统的正常运行，并在电流离开金属的地方发生阳极腐蚀反应，导致金属管道的电化学腐蚀。高压/特高压直流输电系统接地极对金属管道安全运行的主要影响为腐蚀。另外，接地极对管道附属设施的影响主要是对阴极保护设施的干扰和对管道阀门内部接头的绝缘损坏。

但是由于接地极与金属管道都埋在地下，导致人们对地下金属管道中的杂散电流的腐蚀情况不能实时观察，所以需要一种方法来预测其杂散电流的大小，从而更好地为金属管道进行防腐蚀工作，在为接地极和管道选址时，也可以作为参考依据之一。

技术实现要素：

本发明针对高压/特高压直接输电系统接地极引起附近金属管道杂散电流而导致金属管道被电化学腐蚀的现状，提供一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法，其可以较为准确的计算出在直流接地极附近的金属管道中杂散电流大小，为金属管道提供防腐蚀措施的依据，为设计管道与接地极的位置提供理论依据。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法，包括以下步骤：

步骤一，对目标金属管道与直流输电系统接地极情况进行简化处理，减小后续计算量；

步骤二，构建直流输电系统接地极导致的金属管道杂散电流的数学模型，当地电场处于稳态，同时管道阴极保护体系电位分布为稳定状态，采用静电场方程来描述；

步骤三，基于步骤二的数学模型，对金属管道及直流输电系统接地极的区域进行限制并确定相应的边界条件；

步骤四，构建目标金属管道的几何模型，该几何模型包括三个计算域，分别为接地极、土壤、金属管道；

步骤五，利用所述的数学模型与几何模型，使用数值模拟软件(优选为ANSYS中的CFX模块)进行模拟仿真，计算金属管道杂散电流的大小。

进一步地，步骤一中的简化处理如下：

1)直流输电系统接地极的埋深对金属管道电位、纵向电流及溢散电流的影响很小，忽略不计；

2)假设无穷远处土壤边界为自然电位，靠近接地极的边界为绝缘面，对应的目标金属管道的外线路电阻均为零，金属管道表面光洁；

3)假设土壤区域相对管道的尺寸无限大，土壤中介质均匀且各向同性，土壤电导率和金属管道在土壤介质中的极化曲线唯一。

进一步地，步骤二中的静电场方程如下：

由于接地极以及金属管道电位分布为静电场，故只考虑麦克斯韦方程前两项，即

其中ρ_t指空间中自由电荷的分布，在静止状态下，有此时电场特性方程为：

从而得到静电场电势基本微分方程：

假设在求解区域内部没有电荷分布，即系统内没有电流的得失，也不存在远点或者汇点，从而得到数学模型的控制方程如下，

式中：ε为金属管道中所在介质的电导率，mA/m²；ρ为金属管道中所在介质的电阻率，Ω·m；φ为电势，V。

为进一步简化管道，将金属管道全部等效为圆柱结构，修正其电阻率保证其等效之后的电阻不变；假设金属管道的内半径为r₁，外半径为r₂，管壁的厚度为d，则金属管道单位长度的电阻为

等效的金属管道单位长度的电阻为

简化得

式中，ρ₁、ρ₂分别表示金属管道前后所在介质的电阻率，Ω·m。此步骤是为了更方便的计算金属管道涂层面电阻与极化电阻，是等效简便的说明。

进一步地，步骤三中，在设定边界条件时，设定换流站为电流边界，并将足够远的大地远方设定为等位边界条件，边界条件如下：

换流站边界条件：

地表面边界条件：

金属管道受影响的边界条件：

式中，R_c(x,y,z)为金属管道涂层面电阻，Ω·m²；χ表示介质极化率，表示管道内电流密度，A/m²；R_p为金属管道极化电阻，Ω；ρ_soil(s,y,z)为土壤电阻率，Ω·m。

本发明具有的有益效果：本发明可以较为准确的计算出在直流接地极附近的金属管道中杂散电流大小，为金属管道提供了防腐蚀措施的依据，为设计管道与接地极的位置提供了理论依据。

附图说明

图1为直流杂散电流引起的金属管道电腐蚀示意图；

图2为本发明管内地电位升模拟结果图；

图3为本发明管内泄漏电流密度模拟结果图；

图4为杂散电流形成等效电路示意图；

图5为本发明杂散电流实验装置示意图。

具体实施方式

一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法，其步骤如下：

步骤一，利用ANSYS软件对金属管道和接地极进行几何模型建立，由于实际现场较为复杂，对于目标金属管道与接地极情况进行简化处理。模型简化后，确定三个计算域，分别为接地极、土壤、金属管道。

步骤二，求解直流输电接地极导致的杂散电流的数学模型。当地电场处于稳态，同时管道阴极保护体系电位分布为稳定状态，采用静电场方程来描述。静电场方程如下：

其中ρ_t指空间中自由电荷的分布。

从而得到静电场电势基本微分方程如下：

假设在求解区域内部没有电荷分布，即系统内没有电流的得失，也不存在远点或者汇点，从而得到数学模型的控制方程如下，

式中：ε为管道中所在介质的电导率，mA/m²；

ρ为管道中所在介质的电阻率，Ω·m；

φ为电势，V。

步骤三，基于数学模型，对管道及接地极的区域进行限制并确定相应的边界条件。设定换流站为电流边界，并在足够元的大地远方设定为等位边界条件。具体边界条件如下：

换流站边界条件：

地表面边界条件：

金属管道受影响的边界条件：

式中，R_c(x,y,z)为管道涂层面电阻，Ω·m²；R_p为管道极化电阻，Ω；ρ_soil(s,y,z)为土壤电阻率，Ω·m。

步骤四，利用建立的数学模型与几何模型，使用数值模拟软件ANSYS中的CFX模块进行模拟仿真计算，计算金属管道杂散电流的大小。

①设置管道距接地极距离5km，接地极入地电流3000A，管道纵向电阻9.98×10^-3Ω/m，模拟得到不同管道涂层面电阻下管内电流变化，如图2。

②设置土壤电阻率100Ω.m，管道距接地极距离5km，接地极入地电流3000A，管道纵向电阻9.98×10^-3Ω/m，模拟得到不同管道涂层面电阻下管道泄漏电流密度变化，如图3。

杂散电流形成的等效电路如图4所示，本发明杂散电流所用的实验装置如图5所示。