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【論文精選】埋地鋼質燃氣管網地鐵雜散電流腐蝕防護模擬

2021-07-02 11:14:49 作者：鄭焱文，等來源：煤氣與熱力雜志分享至：

1 概述

隨著城市的不斷發展，人民生活水平不斷提高，為了滿足人們出行的需求，緩解城市交通堵塞，截至2017年末，中國內地共計34個城市開通城市軌道交通并投入運營，開通軌道交通線路165條，運營線路長達5 033 km，其中地鐵3 884 km，占比77.2%。2017年新增運營線路32條，同比增長24.1%；新增運營線路880 km，同比增長21.2%，增長速度前所未有［1］。位于城市中心區的地鐵線路往往優先建設運行，但城市中心區的燃氣管道敷設較為密集，加之管網運行多年，防腐層老舊，若不采取適當措施對管網給予保護，城市地鐵產生的雜散電流對埋地燃氣管網的影響將引起嚴重的安全事故。上海地鐵二號線沿線世紀大道下的燃氣管道，由于雜散電流腐蝕，已經發生了數十次泄漏事故［2］。2012年7月8日，遼寧省鞍山市產生了一起由電氣化鐵路雜散電流造成燃氣管道腐蝕穿孔的爆炸事故。

現今，雜散電流引起的鋼質燃氣管道腐蝕問題，已經得到了各地燃氣公司及研究人員的高度重視。川氣東送金陵支線管道與城際高鐵以及地鐵并行，受雜散電流干擾嚴重，采取絕緣隔離、鋅帶排流等措施，有效遏制了管道電位的正向偏移［3］。佛山市禪城區綠景苑小區燃氣管道，自廣佛地鐵開通后，受到了強烈的雜散電流干擾，在安裝一段PE管道阻斷雜散電流在鋼質管道內流動，并安裝定向排流器后，管道管地電位符合規范要求［4］。核心區域人口密度大、開挖難度大、不易施工等問題，使各地燃氣公司對城鎮燃氣管道施加防護措施時，難度加大。周吉祥［5］、方衛林等人［6］利用模擬軟件，對實際燃氣管道受干擾及保護現狀進行仿真模擬，并優化其排流措施后，根據實測數據得知，管道的運行工況符合規范要求。雜散電流的防治非常復雜，影響因素眾多，若盲目采用防護措施，可能付出較大代價卻不能獲得預期效果。若采用模擬仿真軟件對管網區域中的雜散電流擴散行為進行模擬仿真，進而對各種方法的防護效果進行考量，則可優選出最有效的防護方法，以指導工程實踐。

本文將基于COMSOL Multiphysics多物理場軟件以及燃氣管網分布及防護現狀，對某管網受到的雜散電流干擾及施加的防護措施進行模擬，并進一步提出更加有效的管網防護措施。

2 雜散電流腐蝕及防護的模擬仿真方法

在腐蝕防護數值模擬中，通常基于有限元以及邊界元兩種數值計算方法。早在1990年，有限元法就應用于受海水腐蝕影響的平臺的陰極保護模擬。在埋地管道模擬中，除了土壤與空氣交界處，周邊的土壤環境無邊界可言，且土壤環境相對于管道來說較大，若單純地用有限元法去計算，將大大增加計算量。邊界元法，由于計算量小，能將三維問題轉化成二維問題，二維問題轉化成一維問題，現已在無限域的模擬中廣泛應用，尤其適用于長條形的物體建模。本文采用邊界元法對片區燃氣管網的受干擾及保護情況進行數值模擬。

2.1 控制方程