CN110470723B - 一种防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法，包括：根据获取的接地极与待分析的埋地金属管道的特征参数，确定虚拟边界，并确定非线性边界；确定所述虚拟边界的电位分布和所述非线性边界的简化电流分布；在土壤区域计算所述非线性边界上土壤侧的电位分布；确定所述非线性边界上的简化极化电位；根据所述简化极化电位和所述土壤侧的电位分布，确定所述非线性边界上金属侧的电位分布；在金属区域，计算所述非线性边界上的过程电流分布；在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值不大于预先设定的收敛阈值时，确定所述非线性边界上的目标极化电位。该方法确定的埋地金属管道直流干扰精度高、效率高。

Description

一种防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法

技术领域

本发明属于埋地金属管道直流干扰分析领域，更具体地，涉及一种防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法。

背景技术

近年来，随着西电东送、西气东输工程的建设，直流接地极与埋地油气管道邻近的情况已不可避免。

当直流输电***接地极上有直流电流入地时，在极址附近的土壤中会形成一个直流电流场，并伴随着出现大地电位升高。直流杂散电流会在接地极附近的管道上流通，并在流出管道的区域发生电腐蚀。

直流接地极对邻近埋地油气管道的腐蚀影响和危险影响问题日益突出，有的已威胁到国家能源输送安全。目前，确定接地极对埋地油气管道直流干扰的方法精度不高，计算效率低。

发明内容

本申请旨在解决现有技术中计算防护层局部破损的埋地金属管道直流干扰时精度不高、效率较低的问题。

本发明提出的防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法，包括：

步骤S100：根据获取的接地极与待分析的埋地金属管道的特征参数，确定虚拟边界，所述虚拟边界内包括所述埋地金属管道占据的金属区域和位于所述虚拟边界与所述金属区域之间的土壤区域；并

确定非线性边界，所述非线性边界在靠近金属区域的一侧为金属侧，在靠近土壤区域的一侧为土壤侧；

步骤S200：不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述虚拟边界的电位分布和所述非线性边界的简化电流分布；

步骤S300：以所述虚拟边界的电位分布为初值，在土壤区域计算所述非线性边界上土壤侧的电位分布；

步骤S400：根据预先确定的极化曲线和所述非线性边界的简化电流分布，确定所述非线性边界上的简化极化电位；

步骤S500：根据所述简化极化电位和所述土壤侧的电位分布，确定所述非线性边界上金属侧的电位分布；

步骤S600：以所述非线性边界上金属侧的电位分布为初值，在金属区域，计算所述非线性边界上的过程电流分布；

步骤S700：在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值不大于预先设定的收敛阈值时，

根据预先确定的极化曲线和所述过程电流分布，确定所述非线性边界上的目标极化电位，所述目标极化电位即所述防护层破损的埋地金属管道的直流干扰。

具体地，所述的方法，还包括：

步骤S800：在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值大于预先设定的收敛阈值时，

按照预先设定的修正规则，更新所述简化电流分布，并

重复步骤S400至S700。

本发明的方法中，设置虚拟边界将无限区域问题转化为有限元区域问题，减少了计算量；通过有限元方法进行管地电位分布计算，考虑了管道防腐层局部破损的问题，提高了埋地金属管道直流干扰的计算精度和计算效率。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明一个实施例的防护层局部破损的埋地金属管道直流干扰确定方法的流程示意图；

图2为本发明一个实施例的混合模拟电荷法与有限元方法计算接地极对埋地管道的直流干扰的实施步骤示意图；

图3为本发明实施例中计算接地极与管道电荷分布时的模拟电荷配置图；

图4为本发明又一个实施例中在电导率为100Ω·m、Ph＝8的模拟土壤溶液中测量得到的X80管线钢的极化曲线；

图5为本发明实施例中在虚拟边界内管道局部破损处的非线性边界配置示意图

图6为本发明又一个实施例中管道与接地极在空间分布关系的示意图；

图7为确定的该管道上的极化电位分布曲线。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

目前，接地极直流干扰的计算主要是基于矩量法，矩量法的原理本身导致其无法考虑金属导体防护层的局部破损特征。因此，目前，在考虑接地极对于埋地金属管道的影响时，往往忽略了金属表面的电化学极化过程。如此会造成计算的管地电位以及泄露电流密度不准确。

有限元方法在处理局部破损问题时具有优势。但因为接地极的电流场覆盖范围很大，采用有限元方法计算埋地管道的直流干扰问题时，剖分难度大、计算量过大。

本发明提供的防护层局部破损的埋地金属管道直流干扰确定方法，将模拟电荷法和有限元方法结合，降低了在大范围区域内有限元计算方法的剖分难度、减少了有限元的计算量，能够精确计算具有防护层局部破损特征的金属管道的直流干扰。

应该理解为，以下内容中，“管道”，“埋地管道”，“金属管道”，“埋地金属管道”，具有相同的含义。

应该理解为，以下内容中，“电流密度”，“泄露电流密度”，“电流分布”，“电流密度分布”具有相同的含义。

本发明提供的方法通过在金属管道的邻近区域设置虚拟边界，从而将电流场从无限区域问题转化为有限区域问题；而有限区域问题则通过有限元方法进行计算。

如图1所示，本发明实施例的防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法，包括：

步骤S100：根据获取的接地极与待分析的埋地金属管道的特征参数，确定虚拟边界，所述虚拟边界内包括所述埋地金属管道占据的金属区域和位于所述虚拟边界与所述金属区域之间的土壤区域；并

确定非线性边界，所述非线性边界在靠近金属区域的一侧为金属侧，在靠近土壤区域的一侧为土壤侧；

应该理解为，所述虚拟边界内包括所述埋地金属管道且不包括所述接地极；

所述非线性边界位于所述金属区域和所述土壤区域之间防护层破损的埋地金属管道部分。

步骤S200：不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述虚拟边界的电位分布和所述非线性边界的简化电流分布；

步骤S300：以所述虚拟边界的电位分布为初值，在土壤区域计算所述非线性边界上土壤侧的电位分布；

步骤S400：根据预先确定的极化曲线和所述非线性边界的简化电流分布，确定所述非线性边界上的简化极化电位；

步骤S500：根据所述简化极化电位和所述土壤侧的电位分布，确定所述非线性边界上金属侧的电位分布；

步骤S600：以所述非线性边界上金属侧的电位分布为初值，在金属区域，计算所述非线性边界上的过程电流分布；

步骤S700：在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值不大于预先设定的收敛阈值时，

根据预先确定的极化曲线和所述过程电流分布，确定所述非线性边界上的目标极化电位，所述目标极化电位即所述防护层破损的埋地金属管道的直流干扰。

进一步地，所述的方法，还包括：

步骤S800：在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值大于预先设定的收敛阈值时，

按照预先设定的修正规则，更新所述简化电流分布，并

重复步骤S400至S700。

具体地，所述预先设定的修正规则，包括：

将所述过程电流分布和所述简化电流分布的平均值作为更新后的简化电流分布；

将所述过程电流分布作为更新的更新后的简化电流分布。

进一步地，所述的方法，所述步骤S200中，不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述虚拟边界的电位分布，包括：

在所述接地极上设置m个模拟电荷，模拟电荷值分别记为Q_i，其中，1≤i≤m；对应地，在接地极的外侧有m个匹配点；所述m个模拟电荷和所述m个匹配点上的电位为

在所述埋地金属管道上设置n个模拟电荷，其模拟电荷值记为Q_j，1≤j≤m；对应地，在管道的外侧有n个匹配点；所述n个模拟电荷和所述n个匹配点上的电位为

结合下式：

求解以下方程，确定接地极上和埋地金属管道上设置的模拟电荷的电荷分布Q₀和Q₁；

其中，Q₀为设置在接地极上的模拟电荷的电荷值的列向量；

Q₁为设置在埋地金属管道上的模拟电荷的电荷值的列向量；

为设置在接地极上的模拟电荷的电位值的列向量，其任一元素的值为

为设置在埋地金属管道上的模拟电荷的电位值的列向量，其任一元素值为

[P_st]为电位系数矩阵，P_st为该矩阵中第s行第t列的元素，由下式确定：

其中，

分别为第s个模拟电荷与第t个匹配点的位矢，1≤s≤(m+n)，1≤t≤(m+n)；

ε为介电常数；

将所述虚拟边界离散为y个分析点，求解以下方程，确定所述虚拟边界上的电位分布

其中，Q为设置在接地极上与管道上的模拟电荷的电荷值组成的列向量；

[P_ab]虚拟边界的电位系数矩阵，P_ab为该矩阵中第a行第b列的元素，由下式给出：

其中，

分别表示第a个模拟电荷与第b个分析点的位矢，1≤a≤(m+n)，1≤b≤y。

进一步地，所述步骤S200中，不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述非线性边界的简化电流分布包括：

将所述非线性边界离散为k个分析点，根据下式确定所述非线性边界的简化电流分布：

其中，σ为土壤电导率；

为电场系数矩阵，F_gh为该矩阵中第g行第h列的元素，由下式确定：

其中，

分别为第g个模拟电荷与第h个分析点的位矢，1≤g≤(m+n)，1≤h≤k；

Q为设置在接地极上与管道上的模拟电荷的电荷值组成的列向量。

进一步地，所述步骤S300，包括：

以所述虚拟边界的电位分布为初值，在土壤区域采用有限元法计算所述非线性边界上土壤侧的电位分布：

所述土壤区域Ω_D的电流场的电位满足下式：

(x,y,z)∈Ω_D

所述虚拟边界的电位分布为所述土壤区域的电流场中的第一类边界条件：

进一步地，所述步骤S600，包括：

以所述非线性边界上金属侧的电位分布为初值，在金属区域，以有限元法计算所述非线性边界上的过程电流分布：

所述金属导体区域Ω_pipe的电流场的电位满足拉普拉斯方程，即：

所述导体内部、以及防护层完好的边界在所述金属导体区域的电流场中满足第二类边界条件：

在所述非线性边界，满足以下边界条件：

其中，

为所述非线性边界上的电流分布。

所述接地极与待分析的埋地金属管道的特征参数包括：

接地极的结构参数和位置参数、管道的结构参数和位置参数、多处破损的防护层的尺寸和位置参数。

进一步地，

所述接地极上的模拟电荷设置在接地极的导杆的轴线上，相应的匹配点位于接地极的导杆的外圆周上，相邻的两个模拟电荷之间的距离大于模拟电荷到对应的匹配点之间的距离；

管道上的模拟电荷设置在管道内、沿管道长度延伸的中心轴线上，相应的的匹配点位于管道的外圆周上，相邻的两个模拟电荷之间的距离大于模拟电荷到对应的匹配点之间的距离。

进一步地，所述步骤S700中，所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值为均方差，所述预先设定的收敛阈值为1e-5。

进一步地，所述步骤S100中，确定虚拟边界为以所述埋地金属管道的中心轴线为中心轴线，半径为5m、长度与所述埋地金属管道的长度相同的圆柱面。

综上，该方法根据直流接地极以及金属管道的特征参数，建立不考虑极化过程的电流场分布计算模型，根据静电比拟原则转化为模拟电荷法进行初始电流分布计算；根据虚拟边界的几何参数以及模拟电荷计算得到的电荷分布计算虚拟边界上的电位分布；根据电流连续性定理建立土壤区域与金属区域的有限元模型，选取模拟电荷法计算得到的管道泄漏电流密度作为非线性边界的初始电流密度。通过土壤区域的有限元模型计算非线性边界土壤侧的电位分布，通过金属区域的有限元模型计算非线性边界管道侧的电流分布，结合实测极化曲线获得非线性边界的电流密度，根据计算结果修正非线性边界电流密度的初值，重复有限元模型计算步骤直至结果收敛。

具体地，利用模拟电荷法计算电场分布的步骤中，不考虑电化学极化过程，通过静电比拟方法将接地极对埋地管道的干扰从电流场问题转化为静电场问题。

具体地，在接地极以及管道上分别设置模拟电荷，结合接地极表面的电位条件以及管道上的电荷守恒条件分别列写模拟电荷的电位方程组，求解该方程组，即可得到接地极以及管道上的模拟电荷分布。

因为大地边界的法向电流密度为0，因此大地边界通过设置镜像电荷来替代。

具体地，通过在大地边界的另一侧，设置与接地极以及管道上的模拟电荷对称(沿地面向两侧镜像)的另一组模拟电荷，来表示大地边界的法向电流密度为0这一已知条件。

如图3所示，在接地极的内部设置m个模拟电荷，在管道的内部设置n个模拟电荷。各匹配点分别位于接地极或管道的外侧，且位于接地极或管道上，并不在土壤中。

不再赘述单独地列出接地极上的模拟电荷电位方程(1)和管道上的模拟电荷电位方程组(2)的步骤。

另外，管道上配置的模拟电荷满足电流连续性定理，因此整体上的净电荷为0。

将方程联立，即可求得接地极上与管道上各模拟电荷的电荷值和管道上的电位值。

应该理解为，因为接地极有直流输电***注入的电流，因此，接地极上配置的模拟电荷不满足电流连续性定理。

在确定管道邻近区域的虚拟边界时，在埋地管道的邻近区域选择封闭的虚拟边界，该虚拟边界内的实体区域将作为后续有限元分析的目标区域。这个目标区域完全包括有埋地金属管道，且不包括接地极。

应该理解为，该虚拟边界内的实体区域包括土壤区域和管道区域。而管道内的空气区域则不属于该目标区域。

根据第一步中获取的接地极上与管道上的模拟电荷分布，求解方程，可以得到该虚拟边界上的电位分布。

应该理解为，可以根据后续有限元分析的需要，将虚拟边界离散为任一规模的分析点数量，并利用方程求取该虚拟边界上的电位分布。

应该理解为，该虚拟边界上的电位分布分别来自接地极上与管道上的模拟电荷的作用。

需要说明的是，以上均不考虑局部防护层为破损状态这一条件。在以下的步骤中，则引入局部防护层为破损状态这一条件。也即，以下内容中的“埋地金属管道”中，至少在一个局部区域，其防护层为破损状态。

需要说明的是，埋地管道中，与破损的防护层对应的金属表面区域与土壤直接接触；在该金属表面区域出现的电化学极化过程，使得管道上防护层破损的区域与土壤区域的交界面条件与管道上其他防护层完好的区域与土壤区域的交界面条件并不相同。

具体地，针对任一土壤环境与其直接接触的埋地管道的金属层之间的电化学极化过程，可以通过实验室试验或工程现场试验，确定如图5所示的金属区域与土壤区域之间界面上的极化电位-电流密度的极化曲线

应该理解为，电流密度J是矢量，其方向为边界的法向方向。

待进行有限元分析的土壤区域，具有内外两个边界，外侧边界是第二步中确定的虚拟边界；内侧边界与管道邻近，包括防护层完好的管道外壁部分、防护层破损且土壤与金属表面直接接触的部分。

待进行有限元分析的金属导体区域，具有内外两个边界，内侧边界是与空气相邻的内壁外侧；外侧边界与土壤邻近，包括防护层完好的管道外壁部分、防护层破损且与土壤直接接触的管道外壁的金属表面部分。

如图4所示，在破损的防护层对应的金属表面区域和土壤区域之间通过非线性的极化边界进行联系。应该理解为，图4中为了强化说明该非线性边界，以全部的金属管道的防护层均破损为例进行了示意。

根据电流连续性定理，分别建立土壤区域与金属区域的有限元模型，以求解各点处的电位和电流密度。

该土壤区域为恒定电流场，其电流密度的散度为零。该土壤区域的电流场中，划出的虚拟边界Γ_D为第一类边界条件，有

其中，f_D(x,y,z)为该虚拟边界上各点的电位值，如第二步中得到的虚拟边界上的电位分布

该金属导体区域为恒定电流场，其电流密度的散度为零。

该金属导体区域的电流场中，导体内部、以及防护层完好的边界Γ_in处满足第二类边界条件，即

其中，这里的n表示边界的法向分量；在导体内部、以及防护层完好的边界Γ_in处，在其法向分量方向上，电位的变化量为零。

3)破损的防护层对应的金属表面Γ_M属于非线性边界，满足非线性边界条件，即

其中，这里的n表示边界的法向分量；

为非线性边界上的泄露电流密度；

σ为土壤电导率。

在有限元计算中，根据确定的模拟电荷分布确定该非线性边界上的泄露电流密度，并作为该非线性边界的初始电流密度。

根据以上确定的初始电流密度，通过以下迭代确定局部破损的管道上的极化电位：

步骤1)：根据土壤区域的有限元模型计算非线性边界在土壤侧的电位分布，

具体地，从虚拟边界上的电位，确定该非线性边界在土壤侧的电位分布；

步骤2)根据初始电流密度，根据试验确定的极化曲线，通过查表、内拟合、外拟合等方法，确定与上述初始电流密度对应的极化电位(也即，非线性边界在土壤侧与管道侧的电位差)；

将上述极化电位与土壤侧的电位分布相加，可以确定非线性边界在管道侧(也即金属侧)的电位分布；

步骤3)将非线性边界在管道侧(也即金属侧)的电位分布为初值，根据金属导体区域的有限元模型，确定该非线性边界在管道侧的过程电流密度；

步骤4)判断本轮确定的过程电流密度与上一轮循环中确定的过程电流密度的差值的绝对值是否满足预先设定的迭代误差？

如果满足，则根据试验确定的极化曲线，确定与本轮确定的中间电流密度对应的极化电位为该非线性界面上的极化电位，也即局部破损区域的直流干扰；

若不满足，则取本轮确定的过程电流密度与上一轮循环中确定的过程电流密度得平均值作为更新后的初始电流密度，并重复步骤2)—步骤4)。

以上步骤中，通过对非线性边界的电流密度持续进行修正，提高了非线性边界的电流密度的准确度，进而保证了求解得到的该非线性界面上的极化电位的准确度。

如图2所示，本发明的埋地金属管道遭受直流干扰的计算方法包括：

a、模拟电荷分布计算

在不考虑极化过程的条件下，通过静电比拟方法将接地极对埋地管道的干扰从电流场问题转化为静电场问题，具体模拟电荷配置如图3所示。

在接地极，模拟电荷设置在接地极内部及管道内部，保证计算场域内部不存在模拟电荷；结合接地极表面的电位条件以及管道上的电荷守恒条件列写模拟电荷电位方程组，最终得到接地极以及管道的模拟电荷分布；结合模拟电荷分布可求解虚拟边界的电位分布以及破损的防护层处的金属区域的初始泄露电流密度分布。

具体地，模拟电荷配置中，如图3所示，接地极的模拟电荷置于接地极的内部，优选地，设置在导杆的中心轴线上；接地极上的匹配点位于接地极的外侧圆周上。

具体地，模拟电荷配置中，如图3所示，管道的模拟电荷置于管道内部，优选地，设置在管道中心轴线上；管道上的匹配点位于管道导体的外侧圆周上。

应该理解为，接地极与管道在空间垂直，且空间上相隔一定距离。

导杆的横截面为圆形，导杆的中心轴线是一个封闭的圆形；管道中心线是指管道内半径构成的圆柱体的中心轴线，是一条直线。

管道通常为薄壁件，模拟电荷设置在管道壁的中心轴线上，导致基本不能进行静电场的计算；而管道内部场域为无关场域，因此，管道的模拟电荷可设置在管道中心轴线上。

b、管道邻近区域虚拟边界确定

将距离埋地管道的中心轴线5m处的圆柱面设置为虚拟边界，以保证该边界可以完全包含金属管道。

c、有限区域内非线性边界的处理

在防护层局部破损的区域，有限元区域可以分为土壤区域与金属区域，两区域之间通过非线性边界(也即极化边界)进行联系。具体的边界配置图如图5所示。

对土壤区域与金属区域分别列写有限元方程组，即

有限元计算时，土壤区域的计算结果作为金属区域的计算条件；反过来，金属区域的计算结果作为土壤区域的计算条件。

d、初值确定以及迭代求解

根据模拟电荷分布，计算得到的破损处的管道上的电流密度初值。

通过土壤区域的有限元方程组求解非线性边界的电位分布；接着通过极化曲线获得管道金属区域的电位边界条件；之后进行金属区域的有限元计算，得到金属区域的电流密度。

通过多次迭代对金属区域的电流密度进行修正，直至某轮迭代后，本轮迭代的电流密度的结果与上一轮迭代的电流密度结果的差值小于某个小量，则迭代收敛，并终止迭代。

应用以上方法对图6所示的与直流接地极100邻近的长输埋地金属管道200进行直流干扰计算。接地极电位为600V，材料为φ70圆钢；接地极的导杆的截面直径为d_e＝10cm；接地极的极环外径D_e＝200m，接地极的埋深h_e＝1.5m；管道内径0.59m，外径0.61m，壁厚2cm；管道全长200km，管道埋深h_p＝1m；接地极距管道的距离为D＝10km，土壤电导率取100Ω·m；管道防腐层破损在管道沿线上为均匀分布，破损率为1％(以面积计)，单个破损点面积为4cm²。

最终迭代收敛且赋值后的管道沿线的极化电位计算结果如图7所示，图6中极化电位均指出现破损区域的极化电位。

需要说明的是，图6中，直流接地极位于长输埋地金属管道的中部。

应该理解为，非破损区域不存在极化电位；只存在远地电位。该远地电位在整个管道上的差别是很小的，其数值可以取模拟电荷法中计算得到的管道电位。

以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (9)

1.一种防护层破损的埋地金属管道直流干扰确定方法，其特征在于，包括：

步骤S100：根据获取的接地极与待分析的埋地金属管道的特征参数，确定虚拟边界，所述虚拟边界内包括所述埋地金属管道占据的金属区域和位于所述虚拟边界与所述金属区域之间的土壤区域；并

确定非线性边界，所述非线性边界在靠近金属区域的一侧为金属侧，在靠近土壤区域的一侧为土壤侧；

步骤S200：不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述虚拟边界的电位分布和所述非线性边界的简化电流分布；

步骤S300：以所述虚拟边界的电位分布为初值，在土壤区域计算所述非线性边界上土壤侧的电位分布；

步骤S400：根据预先确定的极化曲线和所述非线性边界的简化电流分布，确定所述非线性边界上的简化极化电位；

步骤S500：根据所述简化极化电位和所述土壤侧的电位分布，确定所述非线性边界上金属侧的电位分布；

步骤S600：以所述非线性边界上金属侧的电位分布为初值，在金属区域，计算所述非线性边界上的过程电流分布；

步骤S700：在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值不大于预先设定的收敛阈值时，

根据预先确定的极化曲线和所述过程电流分布，确定所述非线性边界上的目标极化电位，所述目标极化电位即所述防护层破损的埋地金属管道的直流干扰；

步骤S800：在所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值大于预先设定的收敛阈值时，

按照预先设定的修正规则，更新所述简化电流分布，并

重复步骤S400至S700。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤S200中，不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述虚拟边界的电位分布，包括：

在所述接地极上设置m个模拟电荷，模拟电荷值分别记为Q_i，其中，1≤i≤m；对应地，在接地极的外侧有m个匹配点；

在所述埋地金属管道上设置n个模拟电荷，其模拟电荷值记为Q_j，1≤j≤n；对应地，在管道的外侧有n个匹配点；

结合下式：

求解以下方程，确定接地极上和埋地金属管道上设置的模拟电荷的电荷分布Q₀和Q₁；

其中，Q₀为设置在接地极上的模拟电荷的电荷值的列向量；

Q₁为设置在埋地金属管道上的模拟电荷的电荷值的列向量；

为设置在接地极上的模拟电荷的电位值的列向量，任一元素的值为

为设置在埋地金属管道上的模拟电荷的电位值的列向量，任一元素值为

[P_st]为电位系数矩阵，P_st为该矩阵中第s行第t列的元素，由下式确定：

其中，

分别为第s个模拟电荷与第t个匹配点的位矢，1≤s≤(m+n)，1≤t≤(m+n)；

ε为介电常数；

将所述虚拟边界离散为y个分析点，求解以下方程，确定所述虚拟边界上的电位分布

其中，Q为设置在接地极上与管道上的模拟电荷的电荷值组成的列向量；

[P_ab]为虚拟边界的电位系数矩阵，P_ab为该矩阵中第a行第b列的元素，由下式给出：

其中，

分别表示第a个模拟电荷与第b个分析点的位矢，1≤a≤(m+n)，1≤b≤y。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S200中，不考虑防护层破损的金属区域的极化过程，基于模拟电荷法确定所述非线性边界的简化电流分布包括：

将所述非线性边界离散为k个分析点，根据下式确定所述非线性边界的简化电流分布：

其中，σ为土壤电导率；

为电场系数矩阵，F_gh为该矩阵中第g行第h列的元素，由下式确定：

其中，

分别为第g个模拟电荷与第h个分析点的位矢，1≤g≤(m+n)，1≤h≤k；

Q为设置在接地极上与管道上的模拟电荷的电荷值组成的列向量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S300，包括：

以所述虚拟边界的电位分布为初值，在土壤区域采用有限元法计算所述非线性边界上土壤侧的电位分布：

所述土壤区域Ω_D的电流场的电位满足下式：

所述虚拟边界的电位分布为所述土壤区域的电流场中的第一类边界条件：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S600，包括：

以所述非线性边界上金属侧的电位分布为初值，在金属区域，以有限元法计算所述非线性边界上的过程电流分布：

金属导体区域Ω_pipe的电流场的电位满足拉普拉斯方程，即：

所述导体内部、以及防护层完好的边界在所述金属导体区域的电流场中满足第二类边界条件：

在所述非线性边界，满足以下边界条件：

其中，

为所述非线性边界上的电流分布。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述接地极与待分析的埋地金属管道的特征参数包括：

接地极的结构参数和位置参数、管道的结构参数和位置参数、多处破损的防护层的尺寸和位置参数。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述接地极上的模拟电荷设置在接地极的导杆的轴线上，相应的匹配点位于接地极的导杆的外圆周上，相邻的两个模拟电荷之间的距离大于模拟电荷到对应的匹配点之间的距离；

管道上的模拟电荷设置在管道内、沿管道长度延伸的中心轴线上，相应的匹配点位于管道的外圆周上，相邻的两个模拟电荷之间的距离大于模拟电荷到对应的匹配点之间的距离。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤S700中，所述过程电流分布和所述简化电流分布之间的差值为均方差，所述预先设定的收敛阈值为1e-5。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤S100中，确定虚拟边界为以所述埋地金属管道的中心轴线为中心轴线，半径为5m、长度与所述埋地金属管道的长度相同的圆柱面。

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