Page 40 - 无损检测2023年第五期
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包黄莉, 等:

   管道杂散电流干扰及防腐层破损分析

   漏到土壤中, 该部分不能按预设回路流回电流源的                           为半径0.2m 、 长150m 的圆柱体, 管道绝缘层为厚


   电流称为杂散电流         [ 3 ] 。地铁杂散电流对埋地管道的              3mm 的空心圆柱。

   危害极大, 有资料显示, 北京地铁运营数年后, 其隧
   道内的水管遭到严重腐蚀。调查研究后发现, 腐蚀
   原因为存在杂散电流          [ 4 ] 。上海地铁二号线运行区段
   的埋地管道同样受杂散电流干扰, 发生数次腐蚀泄
   漏事故, 造成极大损失         [ 5 ] 。美国、 英国等国家也遭受
   到地铁杂散电流的困扰           [ 6-9 ] 。
       国内外学者对杂散电流进行了大量研究工作。                                  图1 管道、 走行轨和土壤几何简化模型
   蔡智超等    [ 10 ] 建立地铁运行状态下的杂散电流动态                        为了更真实地模拟杂散电流分布, 通过实地调
   分布模型, 分析了车辆在牵引、 制动等条件下, 钢轨                        查和研究, 对管道、 走行轨、 走行轨绝缘层、 管道绝缘
   对地电位和杂散电流的动态分布规律。 ZABOLI                          层、 土壤等参数进行定义, 其中管道绝缘层电阻率根
   等 [ 11 ] 通过 MATLAB / SIMULINK 和有限元仿真,             据标准 GB / T19285-2014 《 埋地钢质管道腐蚀防


   比较了不同土壤模型下的杂散电流分布和杂散电流                            护工程检验》定义为2×10 Ω · m 。模型材料参数


                                                                             6
   采集点的效率。朱峰等           [ 12 ] 讨论了不同过渡电阻及            如表1所示。
   区间过渡电阻不均匀对杂散电流和走行轨电位的影                                          表1  模型材料参数

   响。曹方圆等       [ 13 ] 建立管道防腐和保护措施的接地
                                                        材料          电阻率 /( Ω · m )       介电常数
   极入地电流的电路模型, 初步分析不同管道保护措                              管道            2.8×10 -6           2×10 6
   施对管地电位的影响。董亮等               [ 14 ] 分析了地铁杂散           走行轨            1×10 -6            1×10 6
   电流对埋地管道阴极保护水平及牺牲阳极输出的影                            走行轨绝缘层             1000               10
                                                      管道绝缘层            2×10 6              1
   响规律, 并提出相应的排流保护方法。娄志标等                     [ 15 ]    土壤               50                15
   分析了走行轨绝缘电阻破损情况下, 机车行驶一个
   周期内的管道动态杂散电流分布, 探讨了不同绝缘                                考虑到杂散电流的实际回流情况以及模型简
   接头安装位置、 不同牺牲阳极安装位置等条件下, 杂                         化, 将地铁和变电所分别设置在走行轨左右端面。
                                                     在土壤模型的6个表面施加-0.55V 电压约束, 模

   散电流对管道的干扰程度。

       管道受干扰的主要判别依据是管地电位, 其能                         拟土壤自然电位; 走行轨左右两端设置 10 V 和

   够反映出管道受干扰和腐蚀的特性                  [ 16-17 ] 。利用有   -10V 电压, 模拟地铁供应电流的实际回流。为了
   限元分析方法, 通过改变地铁与变电所间距、 埋地管                         对有限元仿真进行准确计算, 有限元网格选择为自
                                                     由四面体单元, 由于管道较长, 且绝缘层厚度较小,
   道与走行轨间距、 土壤电阻率大小、 牵引电压大小、

   管道防腐层破损点位置以及破损面积等参数, 模拟                           为避免低质量单元, 定义最小单元长度为1.5mm ,
   特定环境下埋地管道杂散电流的变化情况, 通过防                           网格划分模型如图2所示。
   腐层破损时的管地电位分布来确定破损点的位置,
   为管道防腐层破损点定位提供技术参考。

  1 模型建立和参数设定


     应用 COMSOLMulti p h y sics多物理场仿真软
   件, 建立管道、 走行轨和土壤几何简化模型( 见图
   1 )。考虑到实际埋地管道的长度较长, 土壤环境较                                    图2 管道有限元网格划分模型
   复杂, 故 将 模 型 简 化。 设 定 走 行 轨 是 半 径 为

   0.15m , 长为100m 的圆柱体, 走行轨绝缘层厚度                     2 仿真结果分析


                                                       通过对模型参数的设定, 可以模拟出地铁杂散电
   为3mm 。土壤模型为150m×150m×20m ( 长×
   宽×高) 的长方体, 管道与走行轨位于土壤内, 且走                        流分布情况。地铁杂散电流分布模型如图3所示, 其

   行轨平行放置于管道正上方, 其间距为 5m 。管道                         中箭头表示电流流动方向, 可见, 地铁供应电流通过
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          2023年 第45卷 第5期
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