[发明专利]一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明是一种阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法，涉及金属材料的一般防蚀和管道系统技术领域。

背景技术

阴极保护是埋地金属管道的重要防护措施之一，在防腐层失效或破损的条件下，为管道提供保护，可分为强制电流法和牺牲阳极法两种形式。在实际的埋地金属管道阴极保护实践中，往往采用强制电流法为主，牺牲阳极法为辅。

简单的说，强制电流阴极保护基本构成有三部分，分别是直流电源、阳极地床、被保护埋地金属管道，如图1所示。对应的电路连接如下：从直流电源正极引出导线，焊接到阳极地床上；从直流电源负极引出导线，连焊接到被保护金属管道上。如此以来，电流从直流电源的正极流出，经由导线、埋地阳极地床散流入大地，在金属管道防腐层漏点流入管道，汇流于管道上的负极电缆，回到电源负极，构成完整闭合回路。上述过程中，在防腐层漏点处，由于阴极保护电流的作用，造成管道电位会负方向偏移，当偏移到一定量时，管体腐蚀速率就可以降低可以忽略的程度，实现了阴极保护。

阴极保护阳极地床主要有浅埋式、深井式和柔性阳极三种形式，但是对长输埋地管道阴极保护来说，浅埋式阳极地床使用最为广泛。浅埋式阳极地床的设计好坏对强制电流阴极保护系统的长期、平稳、低功耗运行有重要意义。浅埋式阳极地床的设计主要考虑两点：(1)尽量低的接地电阻，(2)可以满足长期消耗合理的阳极数量。尽量低的接地电阻可以减小整个回路等效电阻，在工作电流一定的情况下，实现低功耗运行。虽然国标(GB/T 21448-2008：埋地钢制管道阴极保护技术规范)已经不对地床接地电阻进行硬性规定，但是，大多数业主还是希望能将接地电阻控制到2欧姆以下。考虑到阳极地床可能将连续工作二三十年，甚至更长，所以必要有足够的阳极数量。

目前，浅埋式阳极地床设计方案单一：不管单支阳极水平式铺设还是立式铺设，阳极在地床中均沿一条直线排列。以一个包含15支阳极，单支长1.5米，每支间距5米的阳极地床为例，对应的地床长度约为100米。这种设计方案对位于地广人稀地区地床设计具有良好适用性。但是在人口稠密地区，土地资源紧缺，征地难度大，采用更紧凑、多样化的地床设计方案逐渐成为一种趋势。

目前使用的浅埋式阳极接地电阻估算方法可以分为三步，分别为：(1)根据单支阳极的埋设方式(水平式或立式)，利用理论公式估算出单支阳极在特定土壤电阻率条件下对应的接地电阻R，具体公式参见GB/T 21448-2008附录A；(2)根据地床中埋设阳极的支数n(通常为10-15支)和支与支间距L，人工查表得出多支阳极之间干扰系数F，(3)估算整个地床接地电阻R_n：R_n＝(R/n)×F。

目前使用的这种浅埋式阳极接地电阻估算方法虽然使用方便，但是，适用范围却非常窄，具体说，仅仅适用于所有阳极沿直线排列这一种情况，难于适应多样化的地床设计新需求。这就需要一种更加普适、简单易行的计算浅埋式阳极地床接地电阻新方法。

发明内容

本发明目的是发明一种基于有限元离散算法、具有适用范围广、简单易行、准确度高的阴极保护浅埋式阳极地床接地电阻数值模拟方法。

本数值模拟方法通过以下步骤实现对浅埋式阳极接地电阻的求解，具体步骤如下：

第一步，地床初步设计

按照浅埋式阳极地床设计寿命和阳极年消耗率，估算出地床中需要使用的阳极支数和每支阳极的规格；

第二步，实地参数测量

对阳极地床位置实地勘察，测量阳极地床区域的土壤电阻率平均值；如果想得到更精确的接地电阻，可以测量当地土壤电阻率随深度变化情况：

ρ＝ρ(h)；

第三步，定出若干个初步地床设计方案

可以根据地床实际许可规模，设计最有可能的几个地床方案；如单组阳极设计方案、两组并排设计方案、还可以在每组中适当增减阳极数目；

第四步，针对每个初步设计方案，建立对应的三维几何模型

所建立的三维几何模型由两部分组成，分别为土壤部分和阳极地床部分。在远离阳极地床的地方，因阳极地床其产生的地电场会可近似为半空间球面场，所以，将土壤部分建成一个半球体；为了尽量减小边界效应影响，球体半径要大于10倍阳极地床总长度。