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Vol 48 No 10 oct: 2015
Munん phials2
阴极保护数值计算中土壤电阻率的选取
龙伟,廖柯熹,查斌
(1.西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610500;2.济宁矿业集团霄云煤矿,山东济宁272213)
[摘要]为了确定土壤电阻率分布方式对储罐底板阴极保护电位分布的影响,建立了储罐底板外側阴极保护电
位分布的数学模型,利用 COMSOL软件计算在不同土电阻率分布方式下储罐底板外侧阴极保护电位的分布,研
究了不同直径储罐在土壤电阻率分别为恒定、分层均匀、连续分布3种方式下阴极保护电位分布的计算误差。结
果表明:采用土壤电阻率分层均匀分布方式下的计算误差最大为1.89%,恒定均匀分布方式下的计算误差最大为
5.82%;储罐直径越大,数值计算的误差越小;通过 COMSOL软件建立二次电流分布模型,其模拟计算结果与实际
测试结果吻合良好,可以为阴极保护数値模拟中土壤电阻率的选取提供理论依据。
[关键词]土壤电阻率;储罐底板;阴极保护;电位分布;数学模型
[中图分类号]」TC174.41[文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2015)10-0016-04
布的特点,利用 COMSOL软件中的二次电流分布模块
新建原油储罐的底板在投人使用2~3年内,0%通过 Geometry建立分析模型,设立储罐底板和深井辅
会发生腐蚀,防止储罐底板外侧腐蚀的方法主要为阴助阳极2个计算单元。模型中,土壤电阻率的空间分
极保护,通过阴极保护电位分布情况来分析和评估储布数值将参考集油站土壤电阻率的实测值。具体的士
罐底板阴极保护的效果。目前,国内外学者借用数值壤电阻率沿深度方向的数值见表1。
计算方法,如边界元法引、有限元算法34、数学模型
表1土壤深度方向的电阻率
法?、土壤电阻率不均匀法(即把土壤介质分成电阻率
h/m102030405060708090
不同的均匀3层)?等对储罐底板阴极保护电位分布
n/(Q2?m)13.4122.2227.0928.0231.0431.0628.5026.5924.15
进行研究。以上的研究均假设土壤环境介质是均匀
的,与实际土壤介质空间分布不相符,模拟结果有偏
通过对表1分析可知,土壤电阻率p随土壤深度ん
的变化呈二次函数关系。因此,采用二次函数对土壤
差。把土壤介质的电阻率假设为恒定,简化了计算过
电阻率随深度的变化进行数值拟合,拟合曲线见图1;
程,但其计算结果与真实计算结果存在一定的误差。
由此得到的两者之间的关系式为
目前,鲜见将恒定土壤电阻率简化模式的计算结果与
p=7.2026+0.8354h-0.0073h
真实土壤电阻率的计算结果进行分析的研究报道。本
工作采用 COMSOL软件计算和讨论实际阴极保护系统
中,采用恒定土壤电阻率和真实土壤电阻率之间的计
算误差,以期为将来储罐底板阴极保护模拟中土壤电
阻率的选择提供必要的理论依据。
208420864
1模型建立
102030405060708090
h/m
物理模型
图1土壤深度与土壤电阻率的拟合曲线
根据原油储罐所处位置士壤电阻率沿深度方向分
分别建立小40,50,60m的储罐,土壤电阻率分别
[收稿日期]2015-04-20
为恒定、分层均匀、连续二次函数分布的物理模型。辅
[基金项目」国家自然科学基金(51174172)资助
助阳极在储罐底板的一侧与储罐中心相距50m,且在一
通信作者」道龙伟(1988-),在读硕士研究生,主要从事水平线上,埋深为20m,尺寸为d0.125mx16.000mo
油气管道腐蚀防护与安全方面的研究,电话:1.2数学模型
18780280758,E-mail:145231130@qq.com
当原油储罐底板外侧阴极保护系统处于稳态时,
第48卷第10期2015年10月
假设士壤介质分层均匀分布,罐底板外侧的阴极保护分布方式,储罐底板阴极保护电位的分布(即阳极与罐
电位分布满足 Laplace方程?
底中心连线上的电位分布)见图3,X轴左侧为近阳极
0/E)0
侧、右侧为远阳极侧。由图3可知;土壤电阻率分层均
匀分布时的计算结果与连续二次函数分布(即真实土
式中E
罐底某一点的保护电位,V
壤电阻率分布)时的计算结果,在储罐底板中心位置相
电导率,S/m
差较小,在储罐的边缘位置相差较大。相比于土壤电
1.3阴极边界条件的室内测试
阻率在空间恒定均匀分布的计算结果,采用土壤电阻
采用 Gamry Reference3000电化学工作站对20钢率分层均匀分布的计算结果更为精确。3种土壤电阻
罐底板进行极化曲线测试:将10mmx10mmx2mm率分布方式下计算出的储罐底板阴极保护电位分布结
20钢放人聚四氣乙烯绝缘套内,钢件与铜丝导线相连,果满足如下规律:在储罐边缘位置的阴极保护电位负
棵露表面进行打磨、抛光处理,用丙和无水乙醇除油去于储罐中心位置的保护电位;阳极侧的储罐底板边缘
锈,风干后埋入腐蚀性土壤介质中。图2为集油站场储位置的保护电位负于远离阳极侧的保护电位。采用土
罐戾板材料20钢在腐蚀性土壤介质中的极化曲线。
壤电阻率为连续二次函数分布与分层均匀分布、恒定
均匀分布所计算的结果均存在一定差异,且用连续二
之
次函数分布所得的保护电位比其他两种方式得到的保
护电位在储罐底板中心位置更负。
立~
恒定分布
-0.65
ー-1.20
g[J(mA?cm2)
连续分
图220钢罐底的极化曲线
分层
层分布
20钢在土壤介质中的自腐蚀电位E=-0.50V
1525
X/m
(SCE),对阴极极化曲线进行拟合得到阴极边界条件
图3土壤电阻率分布方式对40m20钢
的数学表达式为
储罐底板外侧电位分布的影响
E=-0.716-0.101lnJ
恒定分布、分层分布所得数值结果相对于连续二
式中E一储罐底板材料的保护电位,V
次函数分布的相对误差见图4。
J一一-阴极极化电流密度,mA/cm2
采用阳极开路电位作为阳极边界与采用真实极化
5,0
曲线作为边界的计算误差小于1%8),故在计算中可以
《.0
采用恒定电位值作为阳极边界条件。在无穷远处或地
な3.0
要
恒定分布分层分布
层表面的计算采用绝缘面边界。
2结果与讨论
20-15-10-505101520
2.120钢罐底阴极保护电位数值计算的影响因素
图4恒定分布、分层分布方式时的40m储罐阴极
2.1.1土壤电阻率的分布方式
保护电位的计算误差
储罐ψ40m;罐底以下沥青砂绝缘层厚度为0.08
由图4可知:采用土壤电阻率分层均匀分布计算
m,电阻率为10009?m;砂垫层厚度为0.6m,电阻率获得的阴极保护电位的相对误差恒小于采用土壤电阻
为2000?m。取恒定分布(土壤电阻率为恒定值25.9率恒定均匀分布的相对误差,采用分层均匀分布计算
2?m,采用4极法测试所得)、分层均匀分布(0~10m的最大相对误差为1.89%,平均相对误差为0.27%,而
为13.4