CN113495053A - 一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法和装置 - Google Patents

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CN113495053A CN202110691823.3A CN202110691823A CN113495053A CN 113495053 A CN113495053 A CN 113495053A CN 202110691823 A CN202110691823 A CN 202110691823A CN 113495053 A CN113495053 A CN 113495053A
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白锋
赵录兴
何堃
何宁辉
沙伟燕
黄流建
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Electric Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Abstract

本发明公开了一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法，包括：根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流；获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数；根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量；根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。解决现有技术不考虑直流接地极电流在邻近埋地金属管道上产生的泄漏电流分布，导致管道年腐蚀深度计算不准确的问题。

Description

一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法和装置
技术领域
本申请涉及土壤中直流接地极对埋地金属管道泄漏电流计算领域，具体涉及一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法，以及一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定装置。
背景技术
直流输电***单极大地回路运行时，会有数千安电流经大地返回，对附近的埋地金属管道可能造成腐蚀影响，如图3所示。管道年腐蚀深度是衡量管道所受外界干扰强弱程度的重要指标，在直流输电工程和埋地金属管道***投运之后，可通过在土壤中埋设试片来测量管道的年腐蚀深度；在直流输电工程或埋地金属管道***投运之前，主要通过仿真计算来评估管道的年腐蚀深度。
埋地金属管道在有电流通过金属泄漏时会出现金属电极电位偏离平衡电极电位的“电极极化”现象。高压直流接地极与埋地金属管道邻近时，这种极化效应引起的电位差在某些情况下与限值可比，这导致利用不考虑极化效应的理论模型和计算方法得到的预测结果对管道腐蚀影响评估不准确。因此，需要采用计及电极极化效应的高压直流接地极对埋地金属管道影响的理论模型和相应的计算方法，获得高压直流接地极在埋地金属管道上产生的泄漏电流分布，以对接地极电流对埋地金属管道年腐蚀影响进行恰当的评估。
直流输电工程接地极有独特的电流特性：1)电流幅值变化巨大。当直流输电***单极大地回路运行时，接地极的入地电流能达到数千安；当直流***处于双极运行时，接地极流过的不平衡电流不足额定电流的1％，且电流方向不固定；2)大电流持续时间短，小电流持续时间长。基于对周围环境影响的考虑，直流工程的运行调度也已明确规定不允许长时间的单极大地回路运行(单极故障后需在2～3小时内转为其他运行方式)，单极大地回路运行的概率和运行时间大大减少。所以，使用额定入地电流作为分析评估的计算条件，显然不符合工程实际，也不利于工程的设计和建设。为更贴合实际的评估高压直流接地极对埋地油气管道的腐蚀影响，需要提出一个兼顾高压直流接地极不同运行工况电流特性的等效电流。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法，包括：
根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流；
获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数；
根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量；
根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。
优选的，根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流，包括：
对管道进行分段，获取分段后，任意一段管道防腐层和破损处的泄漏电流；
根据所述防腐层和破损处的泄漏电流，计算管道泄漏电流。
优选的，获取接地距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数，包括：
管道与接地极中心的距离相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝axb，其中x表示管道与接地极中心的距离，a和b为拟合系数；
土壤电阻率相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+blnx，其中x表示土壤电阻率，a和b为拟合系数；
接地极电流相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+bx，其中x表示接地极电流，a和b为拟合系数；
根据管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流，分别相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式，获取管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间多元非线性拟合关系为
Figure BDA0003127081850000021
其中，J为管道破损点处最大泄漏电流密度(A/m2)，I为接地极入地电流(A)；d为管道到接地极的距离(km)；ρs为土壤电阻率参数(Ω·m)；a0～a6为待求拟合系数。
优选的，根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量，包括：
设接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度为Jp-N；
接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度为Jp-0，根据法拉第电解定律计算出破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量为，
Figure BDA0003127081850000031
m为管道金属在破损点腐蚀的质量(g)；M为被腐蚀金属的摩尔质量(g/mol)；n为金属在发生腐蚀后化合价的变化量(无量纲)；F为法拉第电解常数(F＝96484.56C/mol)；Q为总的泄漏电流电量(C)；sd为破损点面积(m2)；t0为直流接地极寿命期内双极对称运行总的持续时间，t1为直流接地极建设初期单极大地回路运行持续时间；t2为直流接地极寿命期内单极强迫停运和计划停运的持续时间；t0、t1、t2单位为年；T0为一年对应的秒数即(T0＝3.1536×107)。
优选的，根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度，包括：
根据管道破损点处的总腐蚀量，求出管道的年腐蚀深度，公式为，
Figure BDA0003127081850000032
m为管道金属在破损点腐蚀的质量(g)；ρmetal为金属的密度(g/m3)；sd为破损点面积(m2)；T为寿命期总年数。
本申请同时提供一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定装置，包括：
泄漏电流获取模块，用于根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流；
拟合系数获取模块，用于获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数；
总的腐蚀量获取模块，用于根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量；
年腐蚀深度获取模块，用于根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。
优选的，泄漏电流获取模块，包括：
泄漏电流获取子模块，用于对管道进行分段，获取分段后，任意一段管道防腐层和破损处的泄漏电流；
泄漏电流计算子模块，用于根据所述防腐层和破损处的泄漏电流，计算管道泄漏电流。
优选的，拟合系数获取模块，包括：
第一拟合***确定子单元，管道与接地极中心的距离相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝axb，其中x表示管道与接地极中心的距离，a和b为拟合系数；
第二拟合***确定子单元，土壤电阻率相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+blnx，其中x表示土壤电阻率，a和b为拟合系数；
第三拟合***确定子单元，接地极电流相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+bx，其中x表示接地极电流，a和b为拟合系数；
待求拟合系数确定子单元，根据管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流，分别相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式，获取管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间多元非线性拟合关系为
Figure BDA0003127081850000041
其中，J为管道破损点处最大泄漏电流密度(A/m2)，I为接地极入地电流(A)；d为管道到接地极的距离(km)；ρs为土壤电阻率参数(Ω·m)；a0～a6为待求拟合系数。
本申请提供的一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法和装置，用于解决现有技术不考虑直流接地极电流在邻近埋地金属管道上产生的泄漏电流分布，导致管道年腐蚀深度计算不准确的问题。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法的流程示意图；
图2是本申请实施例涉及的管道的金属与土壤之间的电路模型图；
图3是本申请实施例涉及的接地极电流对管道腐蚀影响示意图；
图4是本申请实施例提供的一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
图1为申请实施例提供的一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法的流程示意图，下面结合图1对本申请实施例提供的方法进行详细说明。
步骤S101，根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流。
首先，对管道进行分段，获取分段后，任意一段管道防腐层和破损处的泄漏电流；然后根据所述防腐层和破损处的泄漏电流，计算管道泄漏电流。
工程中已有比较成熟的不考虑极化效应(也不考虑管道破损)的管道泄漏电流密度计算方法，管道在运输、焊接和敷设等过程中，涂层不可避免会出现各种损伤成为涂层缺陷。将管道分段后，对于一小段有破损的管道，认为管道的破损点均匀分布在分段后的管道上，那么这段管道的金属与土壤之间的电路模型如图2所示。
图2中，r1为分段后管道未破损处的防腐层电阻，I1为从防腐层流出/流入的电流；r2为分段后管道破损处的极化电阻，v为破损处的等效电压源，极化电阻和等效电压源都可从极化曲线上求出，I2为从破损处流出/流入的电流；I为该分段后管道流出/流入的总电流。这样就可以得到有破损管道的等效对地电阻和对地电压源，结合管道上其他防护措施的电路模型，即可获得每段管道上的总泄漏电流，进而求出管道防腐层和破损处的泄漏电流，再根据极化曲线进行迭代直至收敛。
步骤S102，获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数。
直流接地极入地电流在埋地金属管道破损点处产生的泄漏电流密度不仅与接地极电流大小有关，还与土壤电阻率、接近距离、管道防腐层类型以及破损点金属表面的极化特性相关。因此，管道破损点泄漏电流密度应是一个既包含接地极电流也包含其他影响参数的多元函数，且考虑到金属表面的非线性极化特性，该多元函数也是非线性的。
管道与接地极中心的距离相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝axb，其中x表示管道与接地极中心的距离，a和b为拟合系数；
土壤电阻率相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+blnx，其中x表示土壤电阻率，a和b为拟合系数；
接地极电流相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+bx，其中x表示接地极电流，a和b为拟合系数；
根据管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流，分别相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式，获取管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间多元非线性拟合关系为
Figure BDA0003127081850000061
其中，J为管道破损点处最大泄漏电流密度(A/m2)，I为接地极入地电流(A)；d为管道到接地极的距离(km)；ρs为土壤电阻率参数(Ω·m)；a0～a6为待求拟合系数。
对于3PE防腐层(电阻率105Ω·m2)管道，最终拟合系数如下：
Figure BDA0003127081850000062
对于FBE防腐层(电阻率3×104Ω·m2)管道，最终拟合系数如下：
Figure BDA0003127081850000063
步骤S13，根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量。
设接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度为Jp-N；
接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度为Jp-0，根据法拉第电解定律计算出破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量为，
Figure BDA0003127081850000071
m为管道金属在破损点腐蚀的质量(g)；M为被腐蚀金属的摩尔质量(g/mol)；n为金属在发生腐蚀后化合价的变化量(无量纲)；F为法拉第电解常数(F＝96484.56C/mol)；Q为总的泄漏电流电量(C)；sd为破损点面积(m2)；t0为直流接地极寿命期内双极对称运行总的持续时间，t1为直流接地极建设初期单极大地回路运行持续时间；t2为直流接地极寿命期内单极强迫停运和计划停运的持续时间；t0、t1、t2单位为年；T0为一年对应的秒数即(T0＝3.1536×107)。
步骤S104，根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。
对于一组确定的工程参数(包括接地极距管道距离、土壤电阻率、管道防腐层类型)，通过步骤S102可以获得接地极电流作用下管道的泄漏电流密度，结合直流接地极不同运行工况运行时间及对应电流，通过步骤S103可以获得管道破损点处的总腐蚀量(60年寿命期内)，进而求出管道的年腐蚀深度，公式为：
Figure BDA0003127081850000072
m为管道金属在破损点腐蚀的质量(g)；ρmetal为金属的密度(g/m3)；sd为破损点面积(m2)；T为寿命期总年数。
具体应用实施例如下：
第一步，根据发明内容步骤S102，得到管道上的最大泄漏电流密度。本实施例中工程参数如下：直流接地极额定入地电流5000A(双极不平衡运行时接地极入地电流为额定电流的1％，为50A)，土壤电阻率100Ω·m、接地极中心距离管道10km，管道防腐层类型为3层PE防腐层。根据直流接地极电流与管道泄漏电流密度之间的经验公式，对于3PE防腐层类型的管道，接地极与管道的最近距离不超过10km的情况，适用于公式，
Figure BDA0003127081850000081
接地极电流为5000A时，管道最大泄漏电流密度为5.8292A/m2，接地极电流为50A时，管道最大泄漏电流密度为0.0366A/m2。
第二步，根据发明内容步骤S103，得到管道破损点处的总腐蚀量(60年寿命期内)。本实施例中，管道破损点面积sd为1*10-4m2；直流接地极寿命期内双极对称运行总的持续时间t0为29.55年，直流接地极建设初期单极大地回路运行持续时间t1为0.0034年；直流接地极寿命期内单极强迫停运和计划停运的持续时间t2为0.45年，带入步骤S103公式中可得管道破损点处的总腐蚀量为3.4086g。
m＝9151.8[Jp-0t0+Jp-N(t1+t2)]sd
第三步，根据发明内容步骤4，求出管道的年腐蚀深度。本实施例中，管道金属的密度ρmetal取7.86×106g/m3，带入下面公式可得管道的年腐蚀深度为0.0723mm/a。
Figure BDA0003127081850000082
至此，通过采用本方法快速准确得出了直流接地极电流影响下管道的年腐蚀深度。
基于同一发明构思，本申请同时提供一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定装置400，如图4所示，包括：
泄漏电流获取模块410，用于根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流；
拟合系数获取模块420，用于获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数；
总的腐蚀量获取模块430，用于根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量；
年腐蚀深度获取模块440，用于根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。
通过本申请提供的一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法和装置，其有益效果包括：(1)建立考虑极化效应的直流接地极对埋地金属管道影响的计算方法，使得管道泄漏电流密度计算结果更加准确；(2)通过拟合形成的接地极电流与管道泄漏电流之间的经验公式，简单易用，大大提高了计算效率；(3)直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度计算方法，可以准确、快速、高效地评估直流接地极对管道的腐蚀影响。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法，其特征在于，包括：
根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流；
获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数；
根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量；
根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流，包括：
对管道进行分段，获取分段后，任意一段管道防腐层和破损处的泄漏电流；
根据所述防腐层和破损处的泄漏电流，计算管道泄漏电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取接地距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数，包括：
管道与接地极中心的距离相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝axb，其中x表示管道与接地极中心的距离，a和b为拟合系数；
土壤电阻率相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+blnx，其中x表示土壤电阻率，a和b为拟合系数；
接地极电流相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+bx，其中x表示接地极电流，a和b为拟合系数；
根据管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流，分别相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式，获取管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间多元非线性拟合关系为
Figure FDA0003127081840000011
其中，J为管道破损点处最大泄漏电流密度(A/m2)，I为接地极入地电流(A)；d为管道到接地极的距离(km)；ρs为土壤电阻率参数(Ω·m)；a0～a6为待求拟合系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量，包括：
设接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度为Jp-N；
接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度为Jp-0，根据法拉第电解定律计算出破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量为，
Figure FDA0003127081840000021
m为管道金属在破损点腐蚀的质量(g)；M为被腐蚀金属的摩尔质量(g/mol)；n为金属在发生腐蚀后化合价的变化量(无量纲)；F为法拉第电解常数(F＝96484.56C/mol)；Q为总的泄漏电流电量(C)；sd为破损点面积(m2)；t0为直流接地极寿命期内双极对称运行总的持续时间，t1为直流接地极建设初期单极大地回路运行持续时间；t2为直流接地极寿命期内单极强迫停运和计划停运的持续时间；t0、t1、t2单位为年；T0为一年对应的秒数即(T0＝3.1536×107)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度，包括：
根据管道破损点处的总腐蚀量，求出管道的年腐蚀深度，公式为，
Figure FDA0003127081840000022
m为管道金属在破损点腐蚀的质量(g)；ρmetal为金属的密度(g/m3)；sd为破损点面积(m2)；T为寿命期总年数。
6.一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定装置，其特征在于，包括：
泄漏电流获取模块，用于根据涉及管道极化效应的接地极电流，获取管道泄漏电流；
拟合系数获取模块，用于获取接地极电流、土壤电阻率、接近距离与管道泄漏电流密度之间的多元非线性拟合系数；
总的腐蚀量获取模块，用于根据接地极流过额定电流下，管道上产生的最大泄漏电流密度，以及接地极在双极运行工况下，不平衡电流在管道上产生的最大泄漏电流密度，获取破损点在接地极运行寿命周期中总的腐蚀量；
年腐蚀深度获取模块，用于根据所述总的腐蚀量，获取直流接地极电流影响下的管道年腐蚀深度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，泄漏电流获取模块，包括：
泄漏电流获取子模块，用于对管道进行分段，获取分段后，任意一段管道防腐层和破损处的泄漏电流；
泄漏电流计算子模块，用于根据所述防腐层和破损处的泄漏电流，计算管道泄漏电流。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，拟合系数获取模块，包括：
第一拟合***确定子单元，管道与接地极中心的距离相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝axb，其中x表示管道与接地极中心的距离，a和b为拟合系数；
第二拟合***确定子单元，土壤电阻率相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+blnx，其中x表示土壤电阻率，a和b为拟合系数；
第三拟合***确定子单元，接地极电流相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式为f＝a+bx，其中x表示接地极电流，a和b为拟合系数；
待求拟合系数确定子单元，根据管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流，分别相对于管道泄漏电流密度的拟合函数形式，获取管道与接地极中心的距离、土壤电阻率、接地极电流与管道泄漏电流密度之间多元非线性拟合关系为
Figure FDA0003127081840000031
其中，J为管道破损点处最大泄漏电流密度(A/m2)，I为接地极入地电流(A)；d为管道到接地极的距离(km)；ρs为土壤电阻率参数(Ω·m)；a0～a6为待求拟合系数。
CN202110691823.3A 2021-06-22 2021-06-22 一种涉及极化效应的管道年腐蚀深度确定方法和装置 Pending CN113495053A (zh)

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