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直流杂散电流对管道腐蚀的影响
甘翠1bull;李自力1bull;朝阳1bull;孟旺1
收到日期：2015年2月4日/在线发布日期：2015年11月25日
copy;The Author（s）2015.本文以Springerlink.com的开放获取方式发布
摘要直流杂散电流会对埋地管道造成严重腐蚀。 在这项研究中，首先，我们推导了管道上的直流杂散电流干扰方程。 接下来，阴极边界条件被离散化
管道元件和相应的实验来验证数学模型。 最后，数值模拟程序BEASY被用来研究在外加电流阴极保护系统中产生的辅助阳极床所产生的直流杂散电流的腐蚀效应。 研究了交叉角度，交叉距离，两条管线距离，阳极输出电流，深度和土壤电阻率等因素的影响。 我们的结果表明，管道穿越实质上影响受保护和未受保护管道的腐蚀可能性。 我们的结果表明，管道交叉角度，交叉距离和阳极深度没有显着影响。 逐渐降低阳极输出电流或土壤电阻率可以减少管道腐蚀。 当两条平行管道之间的距离增加时，腐蚀也会减少。
关键词直流杂散电流BEASY数值模拟直流干扰腐蚀
＆李自立
1中国石油大学（华东）管道与土木工程学院，山东青岛266580
孙燕华编辑
介绍
杂散电流是指流向其他地方的电流，而不是沿着预期的电流路径流动。 这是导致地下金属管道腐蚀和泄漏的重要原因（Li et al。2010; Guo et al。2015）。 杂散电流腐蚀实质上是电化学腐蚀（Bertolini et al.2007）。 由于埋地钢管的高导电性，当杂散电流流过管道（Brichau等，1996）有效地形成腐蚀电池时，会形成与导电性较差环境的电位差。 在正常情况下，由杂散电流引起的腐蚀比土壤腐蚀严重（土壤腐蚀的电位差只有0.35V左右，没有杂散电流，但管电位可能高达8-9V杂散电流存在）（Brichau等，1996）。 杂散电流对腐蚀有很大影响，因此影响埋地管道的使用寿命和安全使用（Ding et al。2010）。 因此，更好地了解杂散电流腐蚀非常重要。
有三种类型的杂散电流：地电流中的方向电流（DC），交流电（AC）和自然电流。 其中，直流杂散电流对埋地管道造成最大的损害（Gao et al。2010）。 直流杂散电流主要来源于直流电气化铁路，直流电解设备接地电极和阴极保护系统的阳极床（Wang et al。2010）。
数值方法已被证明是分析过去二十年腐蚀问题的有力工具。 用于腐蚀研究的数值方法包括有限差分法（FDM），有限元法（FEM）（Xu and Cheng 2013）和边界元法（BEM）（Metwally et al.2007; Boumaiza and Aour 2014; Bordo #39;n等2014）。 BEM被应用于模型
杂散电流是指流向其他地方的电流，而不是沿着预期的电流路径流动。 这是导致地下金属管道腐蚀和泄漏的重要原因（Li et al。2010; Guo et al。2015）。 杂散电流腐蚀实质上是电化学腐蚀（Bertolini et al.2007）。 由于埋地钢管的高导电性，当杂散电流流过管道（Brichau等，1996）有效地形成腐蚀电池时，会形成与导电性较差环境的电位差。 在正常情况下，由杂散电流引起的腐蚀比土壤腐蚀严重（土壤腐蚀的电位差只有0.35V左右，没有杂散电流，但管电位可能高达8-9V杂散电流存在）（Brichau等，1996）。 杂散电流对腐蚀有很大影响，因此影响埋地管道的使用寿命和安全使用（Ding et al。2010）。 因此，更好地了解杂散电流腐蚀非常重要。
有三种类型的杂散电流：地电流中的方向电流（DC），交流电（AC）和自然电流。 其中，直流杂散电流对埋地管道造成最大的损害（Gao et al。2010）。 直流杂散电流主要来源于直流电气化铁路，直流电解设备接地电极和阴极保护系统的阳极床（Wang et al。2010）。
数值方法已被证明是分析过去二十年腐蚀问题的有力工具。 用于腐蚀研究的数值方法包括有限差分法
使用传统的三电极电池组件在土壤环境中测量钢的极化曲线。 使用矩形铂形状作为对电极，并使用饱和硫酸铜电极作为参考。 工作电极为长方体，其材料为Q235钢。 将钢电极埋入环氧树脂中，使长方体的1cm2区域暴露于土壤。 在实验之前，使用600-1200格，防水砂纸逐渐抛光工作电极。 然后用蒸馏水洗涤，用丙酮脱脂并用乙醇洗涤。 最后，它在未加热的空气流中干燥。 使用电化学工作站Parstat 2273进行电化学测量，该工作站专门设计用于研究电化学腐蚀行为。 它可用于测试开路电位，电化学阻抗谱（EIS），Tafel极化曲线，循环伏安曲线等。本文对Tafel曲线进行了测试，极化测量涉及从-400到
极化曲线被用作阴极边界条件，但它是一个非线性曲线，所以我们必须在分段线性插值方法中使用极化数据（Abootalebi et al。2010; Liang et al。2011; Liu et al。使用传统的三电极电池组件在土壤环境中测量钢的极化曲线。 使用矩形铂形状作为对电极，并使用饱和硫酸铜电极作为参考。 工作电极为长方体，其材料为Q235钢。 将钢电极埋入环氧树脂中，使长方体的1cm2区域暴露于土壤。 在实验之前，使用600-1200格，防水砂纸逐渐抛光工作电极。 然后用蒸馏水洗涤，用丙酮脱脂并用乙醇洗涤。 最后，它在未加热的空气流中干燥。 使用电化学工作站Parstat 2273进行电化学测量，该工作站专门设计用于研究电化学腐蚀行为。 它可用于测试开路电位，电化学阻抗谱（EIS），Tafel极化曲线，循环伏安曲线等。本文对Tafel曲线进行了测试，极化测量涉及从-400到
-1200 mV，扫描速度为0.3 mV / s。
极化曲线被用作阴极边界条件，但它是一个非线性曲线，所以我们必须在分段线性插值方法中使用极化数据（Abootalebi et al。2010; Liang et al。2011; Liu et al。
（Wrobel and Miltiadou 2004; DeGiorgi and Wimmer 2005; Lacerda等2007; Abootalebi等2010; Lan等2012; Liu等2013）。 与FDM和FEM相比，BEM仅需要边界的网格划分。 因此，BEM需要较少的等式，导致矩阵尺寸小于有限元，并且可以解决有限域和无限域问题（Jia et al.2004; Parvanova et al。2014）。 最后但并非最不重要的是，BEM专门用于计算电气铁路在管道网络中诱发的直流杂散电流，并可对土壤和整个牵引系统进行建模，包括轨道，牵引站，架空电线和火车（Bortels等人。2007; Poljak等2010）。
本文采用边界元法来确定直流干扰腐蚀对相邻管道（与阴极保护管道交叉或平行）的影响。 它侧重于外加电流阴极保护系统的辅助阳极产生的直流电流。
数学模型
-
- 治理方程式
这里做了一些简化和假设：管道周围的解决方案是均匀和电中性的，并且解决方案中没有浓度梯度。
基于上述假设和欧姆定律，电流密度可以表示如下（Metwally et al。2008）：
i = ree; eth;1THORN;
其中re是以S / m表示的土壤电导率; i是以mA / m为单位的电流密度2; e是以V / m表示的电场。 那么，连续方程的静态形式可以表示为
rifrac14;reth;reeTHORN;frac14;0： eth;2THORN;
在静态条件下，电势由以下等效方程定义：
r /frac14;e： eth;3THORN;
因此，电势的控制方程是拉普拉斯方程（Thamita 2012）：
D/ frac14; 0: eth;4THORN;
-
- 边界条件
边界条件可以分为阳极边界条件，阴极边界条件和绝缘边界条件。
-
-
- 阳极和绝缘边界条件
-
在该模拟中，使用外加电流阴极保护系统，并且假定辅助阳极的输出电流是恒定的。 因此，阳极边界条件可以描述为（Lan等，2012）
I frac14; I0: eth;5THORN;
绝缘边界条件可以描述为
o/
上= 0： eth;6THORN;
-
-
- 阴极边界条件
-
在阴极表面发生许多复杂的电化学反应。 极化是这些反应的一个结果。 极化数据将被用作阴极边界。
使用传统的三电极电池组件在土壤环境中测量钢的极化曲线。 使用矩形铂形状作为对电极，并使用饱和硫酸铜电极作为参考。 工作电极为长方体，其材料为Q235钢。 将钢电极埋入环氧树脂中，使长方体的1cm2区域暴露于土壤。 在实验之前，使用600-1200格，防水砂纸逐渐抛光工作电极。 然后用蒸馏水洗涤，用丙酮脱脂并用乙醇洗涤。 最后，它在未加热的空气流中干燥。 使用电化学工作站Parstat 2273进行电化学测量，该工作站专门设计用于研究电化学腐蚀行为。 它可用于测试开路电位，电化学阻抗谱（EIS），Tafel极化曲线，循环伏安曲线等。本文对Tafel曲线进行了测试，极化测量涉及从-400到
-1200 mV，扫描速度为0.3 mV / s。
极化曲线被用作阴极边界条件，但它是一个非线性曲线，所以我们必须在分段线性插值方法中使用极化数据（Abootalebi et al。2010; Liang et al。2011; Liu et al。2013; Li等2013）。 极化曲线如图1所示，我们将其呈现为分段线性曲线。
-
- 边界元法（BEM）
当应用边界元法时，只有区域的边界需要离散化。 使用管道元素方法对管道进行离散化，参见图2.节点和元素的数量在此方法中减少了很多，结果简化了计算。
a –400
–600
–800
潜在的E，mV
–1000
–1200
–1400
0 20 40 60 80 100 120 140
电流密度i，mA / m2
b –400
–600
–800
潜在的E，mV
–1000
–1200
–1400
0 20 40 60 80 100 120 140
电流密度i，mA / m2
图1极化曲线。 一个实验极化曲线。 b分段线性极化曲线
A B C D E F
O
theta;
r
图2管道表面离散化
HI; JM（t）= jJj /m（t）
Z -RL eth;Lt - ZRNTHORN;Eeth;kTHORN; :
RNRN2]1=22
eth;8THORN;
在等式 （7）和（8），i = j。 K（k）是第一类的椭圆积分，而E（k）是第二类的椭圆积分; J和B是坐标变换的结果; t是局部坐标; ZRN是最后一个管道元素节点的第三个坐标。
应该注意的是，使用管道元素法需要满足某些条件（Meng et al.1998）。
（1）被保护体的几何形状需要适用于气缸单元细分。 （2）同一个气缸单元上的所有位置都被认为是恒定的。
这是众所周知的根本解决之道
4pr
2.3.2奇异系数的计算
对于半无限区域（Wu 2008），
X
Hiifrac14; - Hij; i 6frac14; j: eth;9THORN;
解决Gii的分析方法是
L L
G frac14; 1 - ln : eth;10THORN;
边界积分方程为1。 这里“r”是指边界节点和源节点之间的距离。
ii 2p
16r
因此，整合将成为一个奇点
( \l
边界节点与源节点重合。
2.3.1非奇异系数的计算
基于上述管元法和标准BEM公式，为了
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