长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究

0 前言

随着我国油气资源开发和输送规模的不断扩大，长输管道作为能源输送的重要载体，其运行的安全性和稳定性日益受到重视，管道在长期服役过程中，常因外部环境复杂以及保护措施不到位等原因，导致腐蚀问题频发，成为制约管道安全运行的关键因素。阴极保护技术作为当前防止埋地钢质管道腐蚀的主流手段之一，已被广泛应用于各类长输管道工程中，其中辅助牺牲阳极阴极保护系统因其结构简单和维护成本低等优势，逐渐成为重点研究和推广的方向[1]。在实际工程应用中，辅助牺牲阳极的保护效果受多种因素影响，众多因素的复杂交互作用决定了牺牲阳极系统的工作电位分布和电流输出效率，进而影响管道金属表面的电化学状态和腐蚀速率。本次研究将通过有限元数值模拟的方式，开展长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究，为长输管道防腐设计与运维奠定基础。

1 研究方案

（1）仿真方案

长输管道辅助牺牲阳极阴极保护系统的有限元数值模拟需要建立在电化学理论基础之上，通过求解拉普拉斯方程来描述土壤中的电位分布规律。仿真方案采用多物理场耦合分析方法，将电化学腐蚀过程与传质传热过程相结合，综合考虑管道几何参数和环境温度等多重影响因素。研究将采用参数化建模思路，设置不同的仿真工况来分析各影响因素的敏感性。主要研究参数包括牺牲阳极与管道的距离、阳极埋深、土壤电阻率、管道涂层缺陷面积比例以及不同的阳极材料类型。通过正交试验设计方法确定仿真矩阵，系统性地研究各因素及其交互作用对保护效果的影响规律[2]。仿真求解采用稳态分析与瞬态分析相结合的方式，稳态分析用于获得系统达到平衡状态时的电位分布和电流密度分布，瞬态分析则用于研究保护系统启动过程中的动态响应特性和长期服役过程中阳极消耗对保护效果的影响。

（2）模型建立

几何模型的建立需要准确反映实际工程中的管道布置和阳极配置情况，管道模型采用三维圆柱体结构，考虑管道的实际尺寸参数，模拟长度根据阳极保护范围确定。牺牲阳极模型根据实际产品规格建立，常用的带状阳极尺寸为长 × 宽 × 厚 ，块状阳极为长 × 宽×高 。土壤介质模型需要建立足够大的计算域以避免边界效应，土壤模型的径向范围为管道直径的 20 倍，深度范围为阳极最大埋深的 5 倍，对于复杂地质条件，需要建立分层土壤模型，不同土层具有不同的电阻率参数。材料属性的定义是模型建立的关键环节，管道材料采用碳钢的电化学参数，包括腐蚀电位和极化电阻等。

（3）网格划分

网格划分策略需要平衡计算精度与计算效率的关系，由于电化学问题中电位梯度在电极表面附近变化剧烈，因此需要采用非均匀网格划分方法[3]。在管道表面和牺牲阳极表面附近采用高密度网格，网格尺寸通常控制在 1-5mm ，以准确捕捉电位和电流密度的急剧变化。对于土壤区域，采用渐变网格策略，从电极表面向外逐渐增大网格尺寸。在距离电极表面 0.1米范围内，网格尺寸保持较小以确保过渡区域的计算精度，在距离电极较远的区域，网格尺寸可以适当放大以减少总网格数量。网格质量控制是确保仿真结果可靠性的重要环节，所有网格单元的长宽比应控制在 1:5 以内，避免出现过于扁平的单元。对于六面体网格，偏斜度应小于 0.6，正交质量

应大于 0.3。

2 辅助牺牲阳极阴极保护效果影响因素分析（1）涂层破损率对牺牲阳极阴极保护效果的影响

涂层破损率是影响牺牲阳极阴极保护效果的关键因素之一，防腐涂层作为管道的第一道防护屏障，其完整性直接决定了需要阴极保护的金属表面积。当涂层破损率较低时，暴露的金属面积有限，牺牲阳极产生的保护电流能够充分覆盖缺陷区域，使管道表面电位维持在有效保护范围内。随着涂层破损率的增加，需要保护的金属表面积呈指数级增长。研究表明，当涂层破损率从 0.1% 增加到 1% 时，所需保护电流密度增加约 10 倍。这是因为涂层缺陷处形成的微电池效应加剧，缺陷区域成为阳极区，完好涂层下的金属成为阴极区，导致局部腐蚀加速。当破损率超过 5% 时，单一牺牲阳极往往无法提供足够的保护电流，需要增加阳极数量或采用辅助的外加电流保护。

（2）土壤电阻率对牺牲阳极阴极保护效果的影响

土壤电阻率是决定阴极保护系统性能的重要环境参数，土壤电阻率直接影响保护电流的传输路径和分布特性，进而影响整个保护系统的有效性和经济性。在低电阻率土壤中，电流传输阻抗小，牺牲阳极的保护范围较大，单个阳极可以保护更长的管道段。此时阳极表面电流密度分布相对均匀，阳极利用率较高。当土壤电阻率增加到中等水平时，电流传输受到一定限制，保护范围相应缩小，此时需要适当增加阳极数量或选择电位更负的阳极材料来维持有效保护。在高电阻率土壤中，电流传输困难，牺牲阳极的保护范围显著缩小，单个阳极的保护长度可能不足 50 米。土壤电阻率的不均匀分布对保护效果影响更为复杂，当管道穿越不同电阻率的土壤层时，会在界面处产生土壤电池效应，低电阻率区域的管道成为阴极，高电阻率区域的管道成为阳极，导致高电阻率区域腐蚀加剧。

（3）并行管道对牺牲阳极阴极保护效果的影响

并行管道的存在会显著改变土壤中的电场分布，对牺牲阳极阴极保护效果产生复杂影响，当两条管道并行敷设时，它们之间会形成相互干扰的电场，影响各自的保护效果。管道间距是决定干扰程度的关键参数。当间距较小时，两条管道的电场重叠严重，保护电流会优先流向电阻较小的路径，可能导致某条管道保护过度而另一条保护不足。并行管道的电位均衡是另一个重要考虑因素，如果两条管道的涂层质量和破损程度不同，会形成管道间的电位差，导致保护电流在管道间重新分布。涂层质量较差的管道会消耗更多的保护电流，而涂层质量较好的管道可能出现保护不足，这种现象在长距离并行管道中尤为明显。

3 结论

综上所述，传统阴极保护设计多依据经验和简化假设，未能充分考虑实际环境中土壤电阻率变化等多重因素的影响，导致保护效果不均或保护盲区现象频发，通过此次研究了解牺牲阳极阴极保护的影响因素，可为优化布设方案和提升保护效率提供理论依据与数据支持。

参考文献

[1]吴海恩.长输管道阴极保护技术应用分析[J].清洗世界,2025,41(03):104-106.

[2]李宁,李妍,李洪福,等.长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析[J].西安石油大学学报(自然科学版),2023,38(05):76-84.