本發(fā)明涉及高壓直流輸電系統(tǒng)接地極附近的金屬管道防腐蝕，具體地說是一種基于外加電流陰極保護(hù)法的金屬管道雜散電流腐蝕防護(hù)方法。

背景技術(shù)：

隨著國家西電東送戰(zhàn)略實(shí)施，我國已經(jīng)建成多條高壓/特高壓直流輸電線路，在其送端和受端換流站分別設(shè)有接地極。同時(shí)，由于我國能源需求快速發(fā)展，油氣管道項(xiàng)目快速推進(jìn)，存在在同一走廊中同時(shí)有直流接地極和油氣管道等多個(gè)系統(tǒng)的問題。

當(dāng)特(高)壓直流輸電系統(tǒng)直流工作電流(如：單極大地回線方式下)或不平衡電流通過直流接地極泄入大地時(shí)，將引起附近土壤中各點(diǎn)電位變化，埋地金屬管道若處于不同電位的土壤介質(zhì)中，將在管道上形成縱向電流，影響管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并在電流離開金屬的地方發(fā)生陽極腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致金屬管道的電化學(xué)腐蝕。我國現(xiàn)有的金屬管道大部分只采用了防腐涂層而未采取陰極保護(hù)措施。由于高壓直流輸電系統(tǒng)接地極引起的雜散電流使得金屬管道受到腐蝕，容易使得管道發(fā)生腐蝕穿孔，造成泄露的事故，由此引起供氣的暫停和道路的開挖，給城市建設(shè)帶來不變。更為嚴(yán)重的是，一旦泄露極易造成燃燒和爆炸事故，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。

隨著城市的快速發(fā)展，對(duì)燃?xì)馐偷犬a(chǎn)品的供應(yīng)的安全性、可靠性要求越來越高，需要在涂覆絕緣層的基礎(chǔ)上采取更進(jìn)一步的保護(hù)措施進(jìn)行金屬管道的防腐蝕工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有金屬管道未采取陰極保護(hù)措施技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于外加電流陰極保護(hù)法的金屬管道雜散電流腐蝕防護(hù)方法，以有效的減少因?yàn)橹绷鬏旊娤到y(tǒng)接地極導(dǎo)致的雜散電流所帶來的腐蝕影響，延長金屬管道的使用壽命，增加管道運(yùn)輸?shù)陌踩耘c可靠性。

為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種金屬管道雜散電流腐蝕防護(hù)方法，其包括以下步驟：

步驟一，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)埋地金屬管道內(nèi)的雜散電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到其雜散電流的密度；

步驟二，分析雜散電流與土壤電位梯度的關(guān)系，基于感應(yīng)電場(chǎng)建立雜散電流的分布模型；

步驟三，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選擇外加電流陰極保護(hù)法的排流點(diǎn)位置，選取最佳排流位置；

步驟四，利用相關(guān)公式計(jì)算排流量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)外加電流的排流試驗(yàn)后確定排流量大?。?/p>

步驟五，在金屬管道上選取若干評(píng)價(jià)點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)排流保護(hù)效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

本發(fā)明首先通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行金屬管道雜散電流的預(yù)測(cè)計(jì)算，然后使外加直流電源、輔助陽極與被保護(hù)的金屬管道以及環(huán)境介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)完整回路。利用該回路可以向金屬管道提供陰極保護(hù)電流，再將金屬管道的電位信號(hào)反饋到監(jiān)測(cè)站或恒電位儀，就可以人工或者自動(dòng)的調(diào)整直流電源的輸出電流，使其達(dá)到規(guī)定的陰極保護(hù)電位范圍之內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述的步驟一中，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)雜散電流時(shí)，將檢驗(yàn)樣本進(jìn)行歸一化處理，使用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練函數(shù)采用Traingddm，學(xué)習(xí)函數(shù)為Learngdm，輸入層與隱層采用Tansig為傳遞函數(shù)，隱層與輸出層之間采用Logsig傳遞函數(shù)，設(shè)定學(xué)習(xí)率為Ir＝0.1，動(dòng)量參數(shù)為mc＝0.9，訓(xùn)練誤差goal＝0.0001。

進(jìn)一步地，所述的步驟一中，將直流輸電系統(tǒng)的接地極埋地深度h1、接地極電流I、直流輸電電壓U、金屬管道埋地深度h2、管線涂層破損率θ和管道與接地極水平凈距離D，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，輸出值為埋地金屬管道內(nèi)雜散電流量。

進(jìn)一步地，所述的步驟二中，利用金屬管線模擬金屬管道，使用四參比電極測(cè)量法測(cè)量平行于和垂直于金屬管線的表層土壤電位梯度。

更進(jìn)一步地，所述的步驟二中，假設(shè)在穩(wěn)定狀態(tài)下，金屬管線的材料和粗細(xì)均勻，則通電導(dǎo)體在距離其垂直距離為D的p點(diǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)為：

x＝dctg(π-θ)＝-dctgθ (3)

式(3)微分有：

dq＝λdx (5)

其中，q為通電導(dǎo)體表面電流元的電荷量，r為p點(diǎn)到電流元的直線距離，x為p點(diǎn)到電流元的水平距離，E為感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度，ε為土壤介電常數(shù)，λ為通電導(dǎo)體表面線電荷平均密度，θ為r與x的水平夾角，D為P點(diǎn)到通電導(dǎo)體的垂直距離；

根據(jù)高斯定理和靜電場(chǎng)公式，有：

上式中，

E：感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度；

E_x+：表面正電荷產(chǎn)生的x方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；

E_y+：表面正電荷產(chǎn)生的y方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；

ε：土壤介電常數(shù)；

λ：通電導(dǎo)體表面線電荷平均密度；

I：導(dǎo)體內(nèi)穩(wěn)恒電流；

R′：導(dǎo)體電阻；

α：P點(diǎn)到導(dǎo)體表面正電荷邊界的x方向夾角；

β：P點(diǎn)到表面正負(fù)電荷交界處的x方向夾角；

γ：P點(diǎn)到導(dǎo)體表面負(fù)電荷邊界的x方向夾角；

通電導(dǎo)體表面正電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)，為：

式中，λ₊：通電導(dǎo)體表面正線電荷平均密度；

E_x+：表面正電荷產(chǎn)生的x方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；

E_y+：表面正電荷產(chǎn)生的y方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；

同理可得：

式中：λ_-：通電導(dǎo)體表面負(fù)線電荷平均密度；

E_x-：表面負(fù)電荷產(chǎn)生的x方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；

E_y-：表面負(fù)電荷產(chǎn)生的y方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；

將上式合并，可得：

由高斯定理可知通電導(dǎo)體的徑向電場(chǎng)強(qiáng)度為：

則有：

式中，E_rx：通電導(dǎo)體的徑向電場(chǎng)強(qiáng)度；

V：導(dǎo)體電勢(shì)差；

I：導(dǎo)體內(nèi)穩(wěn)恒電流；

L：導(dǎo)體長度

將式(13)帶入式(11)、(12)，可得：

由此得到雜散電流分布方程，建立雜散電流的分布模型。

進(jìn)一步地，所述的步驟三中，根據(jù)以下原則選取金屬管道上的排流點(diǎn)：

1)管地電位為正，且接地極—管電位差最大的點(diǎn)；

2)管地電位為正，且持續(xù)時(shí)間較長的點(diǎn)；

3)金屬管道與接地極最近的點(diǎn)；

4)便于安裝維修排流設(shè)備的位置。

進(jìn)一步地，所述的步驟四中，使用以下公式計(jì)算排流量：

式中，I：排流電流量，A；V：未排流時(shí)的接地極—金屬管道電壓，V；R₁：排流線電阻，Ω；R₂：排流器內(nèi)阻，Ω；R₃：金屬管道接地電阻，Ω；r₃：金屬管道的縱向電阻，Ω；ω₃：金屬管道防腐層泄露電阻，Ω；R₄：接地極接地電阻，Ω；r₄：接地極縱向電阻，Ω；ω₄：接地極泄露電阻，Ω。

進(jìn)一步地，所述的步驟五中，直流外加電流陰極保護(hù)法的雜散電流保護(hù)效果按下式進(jìn)行評(píng)定：

式中，η：正電位平均值比，％；V：排流前正電位平均值，V；V′：排流后正電位平均值，V；排流前測(cè)得的正電位總和，V；排流后測(cè)得的正電位總和，V；t：某一測(cè)試時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間，h。

本發(fā)明具有的有益效果：本發(fā)明可以有效的減少因?yàn)橹绷鬏旊娤到y(tǒng)接地極導(dǎo)致的雜散電流所帶來的腐蝕影響，延長了金屬管道的使用壽命，增加了管道運(yùn)輸?shù)陌踩耘c可靠性。

附圖說明

圖1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流程圖；

圖2為四參比電極測(cè)量示意圖；

圖3為本發(fā)明雜散電流的分布曲線；

圖4為雜散電流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

一種基于外加電流陰極保護(hù)法的雜散電流腐蝕防護(hù)方法，其具體過程如下：

步驟一，參見圖1，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)金屬管道的雜散電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到其雜散電流的密度。將檢驗(yàn)樣本進(jìn)行歸一化處理，使用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練函數(shù)采用Traingddm，學(xué)習(xí)函數(shù)為Learngdm，輸入層與隱層采用Tansig為傳遞函數(shù)，隱層與輸出層之間采用Logsig傳遞函數(shù)，學(xué)習(xí)率為Ir＝0.1，動(dòng)量參數(shù)為mc＝0.9，訓(xùn)練誤差goal＝0.0001。輸入相關(guān)接地極與金屬管道的參數(shù)數(shù)據(jù)，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，得到埋地金屬管道內(nèi)的雜散電流量大小。

步驟二，參見圖2，使用四參比電極測(cè)量發(fā)測(cè)量平行于和垂直于金屬管線的表層土壤電位梯度。分析雜散電流與土壤電位梯度的關(guān)系，基于感應(yīng)電場(chǎng)建立雜散電流的分布模型。在穩(wěn)定狀態(tài)下，通電導(dǎo)體在距離其垂直距離為d的p點(diǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)為：

其中E：感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度；

ε：土壤介電常數(shù)；

λ：通電導(dǎo)體表面線電荷平均密度；

根據(jù)高斯定理和靜電場(chǎng)公式，有：

由此可以得到雜散電流分布方程，可以建立雜散電流的分布模型。

雜散電流的分布曲線見圖3。

步驟三，參見圖4，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，選擇外加電流陰極保護(hù)法的排流點(diǎn)位置。在現(xiàn)場(chǎng)選取最佳排流位置時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷，使用以下原則作為選取金屬管道上排流點(diǎn)的判斷依據(jù)：

1)管地電位為正，且接地極—管電位差最大的點(diǎn)；

2)管地電位為正，且持續(xù)時(shí)間較長的點(diǎn)；

3)金屬管道與接地極最近的點(diǎn)；

4)便于安裝維修排流設(shè)備的位置。

步驟五，根據(jù)以下公式，在金屬管道上選取若干評(píng)價(jià)點(diǎn)，對(duì)排流保護(hù)效果根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

式中η：正電位平均值比，％；

V：排流前正電位平均值，V；

V′：排流后正電位平均值，V；

排流前測(cè)得的正電位總和，V；

排流后測(cè)得的正電位總和，V；

t：某一測(cè)試時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間，h。

以上僅就本發(fā)明的最佳實(shí)施例作了說明，但不能理解為是對(duì)權(quán)利要求的限制。本發(fā)明不僅限于以上實(shí)施例，凡在本發(fā)明獨(dú)立權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)所作的各種變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。