埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法、装置和设备与流程

1.本技术涉及石油天然气输送技术领域，特别涉及一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法、装置和设备。


背景技术：

2.埋地管道作为石油天然气的传输载体，是地面工程的重要设施之一。直流输电线路接地极、地铁、轻轨等直流杂散电流源会向大地泄放电流，引起周围大地的电位变化，附近的埋地管道会遭受直流杂散电流干扰，导致埋地管道发生腐蚀。埋地管道在直流杂散电流作用下发生腐蚀的本质是有电流通过埋地管道上的涂层漏点流向大地而发生电化学反应，使埋地管道发生金属损失，进而导致埋地管道出现点蚀。为了避免埋地管道受直流杂散电流作用而腐蚀穿孔，需要针对埋地管道制定防护方案，进而基于防护方案对埋地管道进行防护，以控制埋地管道因直流杂散电流引起的腐蚀。
3.目前在制定埋地管道的防护方案时，采用地电位梯度来识别直流杂散电流对埋地管道的干扰，进而根据所识别出的干扰来指定埋地管道的防护方案。
4.由于不同埋地管道所处环境并不相同，导致不同埋地管道泄放电流的大小和电位偏移值也不相同，但目前制定埋地管道的防护方案的方法无法确定埋地管道泄放电流的大小和电位偏移值，即无法判断埋地管道是否存在腐蚀风险，此时所制定出的防护方案与埋地管道的腐蚀环境不符，导致埋地管道的防护欠佳或防护过量，因此所制定防护方案的合理性较差。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法、装置和设备，能够提高所确定防护方案的合理性。本技术实施例提供的技术方案如下：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法，包括：
7.确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率；
8.根据所述可接受腐蚀速率，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值；
9.根据所述直流电流密度阈值，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，所述管道电位阈值用于表征所述目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量；
10.根据所述管道电位阈值，确定所述目标埋地管道的防护方案。
11.在第一种可能的实现方式，结合上述第一方面，所述确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率，包括：
12.通过如下第一公式计算所述目标埋地管道的可接受腐蚀速率；
13.所述第一公式包括：
[0014][0015]
其中，v
corr
用于表征所述可接受腐蚀速率，n
t
用于表征所述目标埋地管道的最长内检测周期，θ用于表征所述目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚与原始壁厚的比值，t
p
用于表征所述目标埋地管道的原始壁厚。
[0016]
在第二种可能的实现方式中，结合上述第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，当所述目标埋地管道受直流接地极所产生的直流杂散电流干扰时，
[0017]
所述根据所述可接受腐蚀速率，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值，包括：
[0018]
通过如下第二公式计算所述直流电流密度阈值；
[0019]
所述第二公式包括：
[0020][0021]
其中，i
corr
用于表征所述直流电流密度阈值，v
corr
用于表征所述目标埋地管道的可接受腐蚀速率，tg用于表征所述直流接地极每年的放电时间。
[0022]
在第三种可能的实现方式中，结合上述第二种可能的实现方式，所述根据所述直流电流密度阈值，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，包括：
[0023]
根据所述直流电流密度阈值，通过如下第三公式计算所述管道电位阈值；
[0024]
所述第三公式包括：
[0025][0026]
其中，v
shift
用于表征所述管道电位阈值，ρ用于表征所述目标埋地管道附近土壤的电阻率，π用于表征圆周率，d
holiday
用于表征所述目标埋地管道上涂层漏点的等效直径。
[0027]
在第四种可能的实现方式中，结合上述第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，当所述目标埋地管道受动态直流杂散电流干扰时，
[0028]
所述根据所述直流电流密度阈值，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，包括：
[0029]
根据所述直流电流密度阈值和所述可接受腐蚀速率，确定如下第四公式；
[0030]
所述第四公式包括：
[0031][0032]
其中，v
shift(t)
表征时刻t所述目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量，v
corr
用于表征所述可接受腐蚀速率，t
λ
用于表征所述目标埋地管道相对于大地的电位发生正向偏移的时间段，ω用于表征一年时间内所述t
λ
的个数；
[0033]
根据所述第四公式，将所述目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量在所述ω
个所述t
x
内的积分之和确定为所述管道电位阈值。
[0034]
在第五种可能的实现方式中，结合上述第四种可能的实现方式，所述动态直流杂散电流包括矿山直流设备向大地泄放的电流、工厂直流设备向大地泄放的电流、直流焊机向大地泄放的电流或直流牵引系统向大地泄放的电流。
[0035]
在第六种可能的实现方式中，结合上述第一方面，当所述目标埋地管道受静态直流杂散电流干扰时，
[0036]
所述根据所述直流电流密度阈值，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，包括：
[0037]
根据所述直流电流密度阈值，确定用于表征所述直流电流密度阈值与所述管道电位阈值关系的第五公式；
[0038]
所述第五公式包括：
[0039][0040]
其中，v
shift
用于表征所述管道电位阈值，ρ用于表征所述目标埋地管道附近土壤的电阻率，π用于表征圆周率，d
holiday
用于表征所述目标埋地管道上漏点的等效直径；
[0041]
根据所述第五公式确定，通过如下第六公式确定所述管道电位阈值；
[0042]
所述第六公式包括：
[0043][0044]
其中，v
corr
用于表征所述可接受腐蚀速率。
[0045]
第二方面，本技术实施例还提供了一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定装置，包括：
[0046]
腐蚀速率确定模块，用于确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率；
[0047]
电流密度确定模块，用于根据所述腐蚀速率确定模块确定出的所述可接受腐蚀速率，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值；
[0048]
电位阈值确定模块，用于根据所述电流密度确定模块确定出的所述直流电流密度阈值，确定所述目标埋地管道按照所述可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，所述管道电位阈值用于表征所述目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量；
[0049]
防护方案确定模块，用于根据所述电位阈值确定模块确定出的所述管道电位阈值，确定所述目标埋地管道的防护方案。
[0050]
第三方面，本技术实施例还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述指令、所述程序、所述代码集或所述指令集由所述处理器加载并执行以实现如上述第一方面或第一方面的任一可能的实现方式所提供的埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法。
[0051]
第四方面，本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行，以实现如上述第一方面或第一方面的任一可能的实现方式所提供的埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法。
[0052]
由上述技术方案可知，对埋地管道进行防护是为了降低埋地管道的腐蚀速率，根据埋地管道的可接受腐蚀速率，确定埋地管道按可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值，根据直流电流密度阈值，确定埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，进而根据管道电位阈值确定目标埋地管道的防护方案。由于防护方案基于管道电位阈值确定，管道电位阈值与直流电流密度阈值相关，而直流电流密度阈值与埋地管道的腐蚀环境相关，因此所确定出的防护方案与埋地管道的腐蚀环境相符，避免埋地管道防护欠佳或防护过量的情况出现，从而能够提高所确定防护方案的合理性。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1是本技术实施例提供的一种埋地管道发生腐蚀的示意图；
[0055]
图2是本技术实施例提供的一种埋地管道防护方案确定方法的流程图；
[0056]
图3是本技术实施例提供的另一种埋地管道防护方案确定方法的流程图；
[0057]
图4是本技术实施例提供的一种管/地电位分布曲线的示意图；
[0058]
图5是本技术实施例提供的另一种管/地电位分布曲线的示意图；
[0059]
图6是本技术实施例提供的又一种埋地管道防护方案确定方法的流程图；
[0060]
图7是本技术实施例提供的一种管/地电位随时间变化的示意图；
[0061]
图8是本技术实施例提供的一种管/地电位和电流密度随时间变化的示意图；
[0062]
图9是本技术实施例提供的再一种埋地管道防护方案确定方法的流程图；
[0063]
图10是本技术实施例提供的又一种管/地电位分布曲线的示意图；
[0064]
图11是本技术实施例提供的一种埋地管道防护方案确定装置的示意图。
[0065]
图中各符号表示含义如下：
[0066]
1101、腐蚀速率确定模块；1102、电流密度确定模块；1103、电位阈值确定模块；1104、防护方案确定模块。
具体实施方式
[0067]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
[0068]
为了便于理解本技术实施例，下面先结合图1简单说明本技术实施例的应用场景。图1是本技术实施例提供的埋地管道发生电化学腐蚀的示意图。参见图1，用于输送石油天然气的埋地管道11埋设在地下，埋地管道11的外壁上涂覆有防腐涂层，当防腐涂层被破坏后，会在埋地管道11上形成涂层漏点，在涂层漏点处，金属管壁与土壤12相接触。埋地管道11的电位会在外部直流杂散电流干扰作用下发生正向偏移，使得埋地管道11的电位正于附近土壤12的电位，此时电流i会从埋地管道11的涂层漏点流向土壤12，从而导致埋地管道11发生电化学腐蚀。
[0069]
埋地管道的电位在直流杂散电流的干扰作用下发生正向偏移，直流杂散电力主要
由直流输电线路接地极、直流牵引系统、带阴极保护埋地管道等造成，下面对上述各种可造成埋地管道发生电位正向偏移的因素进行简单说明。
[0070]
直流输电线路接地极在发生正极故障时，直流输电线路接地极作为阴极，从土壤收集电流，此时埋地管道的电位发生正向偏移，电流从埋地管道上的涂层漏点流向土壤，引起埋地管道金属流失，从而造成埋地管道腐蚀。
[0071]
直流牵引系统由牵引变电所直流电源供电，通过接触网向列车输电，并通过钢轨作为回路，返回牵引变电所。由于钢轨与土壤绝缘不良，电流可通过钢轨泄漏到土壤中，进而对邻近的埋地管道产生直流杂散电流干扰，使电流从埋地管道上的涂层漏点流向土壤，造成埋地管道发生腐蚀。
[0072]
带阴极保护的埋地管道、不带阴极保护的埋地管道和阴极保护系统的阳极地床等，会向土壤中泄放电流，对邻近的埋地管道产生直流杂散电流干扰，使埋地管道的电位发生正向偏移，进而电流从埋地管道上的涂层漏点流向土壤，引起埋地管道金属流失，从而造成埋地管道腐蚀。
[0073]
图2是本技术实施例提供的一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法的流程图，参见图2，该方法包括如下步骤：
[0074]
201、确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率。
[0075]
根据埋地管道的原始壁厚、可接受最小剩余壁厚和管道内检测最长周期等参数确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率，目标埋地管道按照该可接受腐蚀速率发生腐蚀时，目标埋地管道在设计寿命内不会由于腐蚀而发生泄露或爆炸。
[0076]
除了上述根据可接受最小剩余壁厚，确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率外，还可以根据管道腐蚀控制的相关标准，来确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率。比如，《control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems》nace sp0169规定，外腐蚀有效控制的通用基准是将腐蚀速率降低到0.025mm/yr或更小，《petroleum,petrochemical and natural gas industries-cathodic protection of pipeline systems-part 1:on-land pipelines》(iso 15589-1)规定，对于碳钢和铸铁，腐蚀速率小于0.01mm/yr，《cathodic protection of metals part 1:pipes and cables》(as 2832.1)规定：当使用电阻探针时，当电阻探针一年的腐蚀速率不超过0.005mm时，是保护埋地铁金属结构的标准，《general principles of cathodic protection of buried or immersed metallic structures》(en12954)规定：对于碳钢、低合金钢和铸铁，腐蚀速率不超过0.01mm/yr。
[0077]
202、根据可接受腐蚀速率，确定目标埋地管道按照该可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值。
[0078]
埋地管道发生腐蚀时，电流从埋地管道的涂层漏点流向土壤，即电荷从管道金属表面向土壤发生迁移，从而引起金属损失。电荷的迁移表现为埋地管道相对于周围土壤的电位，即埋地管道与大地之间的电位差发生正向偏移，此时相对于远方大地，埋地管道的电位大于周围土壤电位，而埋地管道相对于大地的电位正向偏移，与从涂层漏点处流向土壤的电流的直流电流密度有关，因此埋地管道的腐蚀速率与上述直流电流密度相关。
[0079]
根据可接受腐蚀速率，确定相对应的直流电流密度阈值，进而根据该直流电流密度阈值确定管道电位阈值，使得目标埋地管道的电位小于该管道电位阈值时，目标埋地管
道的腐蚀速率小于或等于可接受腐蚀速率。
[0080]
203、根据直流电流密度阈值，确定目标埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，管道电位阈值用于表征目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量。
[0081]
在确定出直流电流密度阈值后，根据电流密度与埋地管道对地电位之间的关系，确定目标埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值。由于从目标管道流向土壤的电流难以测量，而管道对地电位易于测量，因此在确定出管道电位阈值后，通过控制目标埋地管道的对地电位，使目标埋地管道的对地电位小于或等于管道电位阈值，便可以减小或消除从埋地管道的涂层漏点流向土壤的电流，进而达到抑制目标埋地管道腐蚀的目的。
[0082]
204、根据管道电位阈值，确定目标埋地管道的防护方案。
[0083]
在确定出目标埋地管道的管道电位阈值后，确定对于目标埋地管道的防护方案，按照所确定出的防护方案对目标埋地管道进行防护时，使目标埋地管道的对地电位小于或等于管道电位阈值，此时目标埋地管道的腐蚀速率小于或等于可接受腐蚀速率。
[0084]
对于目标埋地管道的防护方案，包括将锌带与目标埋地管道相连接，使得锌带成为阳极而目标埋地管道成为阴极，实现对目标埋地管道进行阴极保护。当然，目标埋地管道的防护方案还包括其他形式，只需保证实施防护方案后，目标埋地管道的对地电位小于或等于管道电位阈值即可，对此本技术实施例不进行限定。
[0085]
本技术实施例提供的方案，对埋地管道进行防护是为了降低埋地管道的腐蚀速率，根据埋地管道的可接受腐蚀速率，确定埋地管道按可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值，根据直流电流密度阈值，确定埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，进而根据管道电位阈值确定目标埋地管道的防护方案。由于防护方案基于管道电位阈值确定，管道电位阈值与直流电流密度阈值相关，而直流电流密度阈值与埋地管道的腐蚀环境相关，因此所确定出的防护方案与埋地管道的腐蚀环境相符，避免埋地管道防护欠佳或防护过量的情况出现，从而能够提高所确定防护方案的合理性。
[0086]
埋地管道在直流杂散电流的干扰作用下发生电化学腐蚀，直流杂散电流主要包括直流接地极所产生的直流杂散电流、直流牵引系统所产生的动态直流杂散电流和其他埋地管道所产生的静态直流杂散电流，下面针对上述三种不同来源的直流杂散电流，对本技术实施例提供的埋地管道防护方案确定方法进行分别说明。
[0087]
图3是本技术实施例提供的一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法的流程图，适用于直流输电系统的直流接地极产生直流杂散电流，埋地管道在该直流杂散电流的干扰作用下发生腐蚀的场景，参见图3，该方法包括：
[0088]
301、确定目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚。
[0089]
由于埋地管道的外壁上涂覆有防护涂层，并且会实施阴极保护，因此埋地管道通常情况下不会发生大面积的整体腐蚀，而在直流杂散电流的干扰作用下，埋地管道所发生的腐蚀通常为点蚀，并且点蚀出现在涂层漏点处。对于存在腐蚀缺陷的埋地管道，通常根据腐蚀的深度，来确定埋地管道是否可维持原内压力继续使用、维修、换管和降压运行，因此，可接受最小剩余壁厚是埋地管道可维持原内压力继续使用、维修、换管和降压运行的最小剩余壁厚。
[0090]
在一种可能的实现方式中，目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚通过如下公式
(1)进行计算。
[0091]
t
min
＝θ
·
t
p
ꢀꢀꢀ
(1)
[0092]
其中，t
min
用于表征目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚，t
p
用于表征目标埋地管道的原始壁厚，θ用于表征目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚与原始壁厚的比值。
[0093]
302、确定目标埋地管道的内检测最长周期。
[0094]
根据现行国家标准《钢质管道内检测技术规范》(gb/t27699-2011)的规定，管道内检测周期应不超过8年。在埋地管道实际运行期间，管道运营单位会根据实际情况确定管道内检测周期，如3年、5年等。
[0095]
在一种可能的实现方式中，目标埋地管道的内检测最长周期，根据管道运营单位的具体内检测周期确定，比如确定目标埋地管道的内检测最长周期为8年。
[0096]
303、根据目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚和内检测最长周期，计算目标埋地管道的可接受腐蚀速率。
[0097]
基于目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚和内检测最长周期，计算目标埋地管道的可接受腐蚀速率，使得目标埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时，在内检测最长周期内，目标埋地管道上腐蚀位置的剩余厚度大于或等于可接受最小剩余壁厚。
[0098]
在一种可能的实现方式中，目标埋地管道的可接受腐蚀速率通过如下公式(2)进行计算。
[0099][0100]
其中，v
corr
用于表征目标埋地管道的可接受腐蚀速率，n
t
用于表征目标埋地管道的最长内检周期。
[0101]
304、根据可接受腐蚀速率，计算引起目标埋地管道发生腐蚀的直流电流密度阈值。
[0102]
基于目标埋地管道的可接受腐蚀速率，计算目标埋地管道的直流电流密度阈值，其中，当目标埋地管道向土壤泄漏电流的直流电流密度，等于直流电流密度阈值时，目标埋地管道的腐蚀速率等于可接受腐蚀速率。
[0103]
根据法拉第定律，通过如下公式(3)计算电流密度为1a/m2的电流使钢铁产生的腐蚀速率。
[0104][0105]
其中，v
1a,fe
用于表征电流密度为1a/m2的电流使钢铁产生的腐蚀速率；m用于表征钢铁的原子量，取值为55.85；n用于表征钢铁发生腐蚀时的电子转移数量，取值为2；f用于表征法拉第常数，取值为96500；d
fe
用于表征钢铁的密度，取值为7.87g/cm3；i
corr
用于表征直流电流密度，取值为1。
[0106]
根据上述公式(3)，通过如下公式(4)将腐蚀速率转换成年腐蚀速率。
[0107]v1a,fe
＝3.68
×
10-9
×
365
×
24
×
60
×
60
×
10＝1.16mm/year
ꢀꢀꢀ
(4)
[0108]
在通过上述公式(4)计算出钢铁的年腐蚀速率后，结合目标埋地管道的可接受腐蚀速率，通过如下公式(5)计算目标埋地管道的直流电流密度阈值。
[0109][0110]
其中，i
corr
用于表征目标埋地管道的直流电流密度阈值，tg用于表征直流输电系统的直流接地极每年的放电时间。
[0111]
305、根据直流电流密度阈值，计算目标埋地管道的管道电位阈值。
[0112]
由于电流、电流密度和埋地管道的对地电位之间存在内在关系，因此，在确定出目标埋地管道的直流电流密度阈值后，可基于直流电流密度阈值计算目标埋地管道的管道电位阈值，其中，管道电位阈值为目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量。
[0113]
在一种可能的实现方式中，基于目标埋地管道的直流电流密度阈值，通过如下公式(6)计算目标埋地管道的管道电位阈值。
[0114][0115]
其中，v
shift
用于表征目标埋地管道的管道电位阈值，ρ用于表征目标埋地管道附近土壤的电阻率，π用于表征圆周率，d
holiday
用于表征目标埋地管道上涂层漏点的等效直径。
[0116]
306、根据目标埋地管道的管道电位阈值，确定目标埋地管道的防护方案。
[0117]
下面结合具体实例，对本技术实施例确定管道电位阈值的过程进行进一步说明。
[0118]
步骤301的实现：根据现行的行业标准《钢质管道管体腐蚀损伤评价方法》(sy/t6151-2009)，腐蚀坑深度小于管道壁厚的10％，即θ为0.9时，认为管道腐蚀不严重，管道可维持原内压继续运行。
[0119]
当目标埋地管道的原始壁厚为14.6mm时，根据上述公式(1)计算目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚为t
min
＝θ
·
t
p
＝0.9
×
14.6＝13.14mm。
[0120]
步骤302的实现：根据现行国家标准《钢质管道内检测技术规范》(gb/t27699-2011)的规定，管道的内检测周期应不超过8年，由于的实际取值可以根据管道运营单位的具体内检测周期选取，由于无法获得管道运营单位内检测周期的数据，因此将目标埋地管道的内检测最长周期确定为年。由于内检测最长周期越大，则后续计算的可接受腐蚀速率越小，管道越安全，因此将内检测最长周期确定为8年是最保守的。
[0121]
步骤303的实现：根据上述公式(2)计算目标埋地管道的可接受腐蚀速率，计算结果如下：
[0122][0123]
步骤304的实现：首先确定直流输电系统的直流接地极在一年中的放电时间，直流接地极的放电时间为2小时/次，每月放电2次，全年共放电24次，则1年共放电48小时，相当于直流接地极在1年中的总放电时间为tg＝48/(365
×
24)＝0.0055年。根据上述公式(5)计算目标埋地管道的直流电流密度阈值，结算结果如下：
[0124][0125]
步骤305的实现：目标埋地管道附近土壤的电阻率为100ω
·
m，防腐涂层漏点的面
积为1cm2，则涂层漏点直径为0.0113mm。根据上述公式(6)计算目标埋地管道的管道电流阈值，计算结果如下：
[0126][0127]
图4为目标埋地管道采取防护措施前，直流输电系统的直流接地极作为负极从土壤吸收电流时，沿目标埋地管道轴向的管/地电位分布曲线，参见图4，a点和b点之间目标埋地管道的管/地电位超过管道电位阈值12.54v。需要说明的是，在本技术实施例中及后续各实施例中，管/地电位是指埋地管道对地的电位。
[0128]
图5为目标埋地管道采取防护措施后，直流输电系统的直流接地极作为负极从土壤吸收电流时，沿目标埋地管道轴向的管/地电位分布曲线，参见图5，经防护措施的缓解后，目标埋地管道所有点的管/地电位均小于管道电位的阈值12.54v，达到了对目标埋地管道进行防护的效果。
[0129]
需要说明的是，管道电位阈值越小，则所确定防护方案的缓解措施工程量越大，也带来后期维护、管理的难度，因此，最有效的方法应是减小直流接地极的年放电时间，即降低直流输电系统的故障率，直流接地极的年放电时间越小，则管道电位阈值越大，管道侧缓解措施工程量会越小，后期维护、管理的难度越小。
[0130]
还需要说明的是，本技术实施例提供的埋地管道防护方案确定方法，适用于直流输电系统接地极已建且管道新建的情况、直流输电系统接地极新建且管道已建的情况、直流输电系统接地极新建且管道新建的情况以及直流输电系统接地极已建且管道已建的情况，因此具有较强的适用性。
[0131]
图6是本技术实施例提供的另一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法的流程图，适用于直流牵引系统产生直流杂散电流对埋地管道进行干扰的场景，由于列车在钢轨上行驶，在起、停、加速、减速、匀速等运行状态切换时，钢轨上的牵引电流会发生变化，因此表现为直流杂散电流对埋地管道的干扰随时间动态变化，参见图6，该方法包括：
[0132]
601、确定埋地管道单位时间腐蚀深度与埋地管道对地电位正向偏移之间的关系。
[0133]
埋地管道发生腐蚀时，电流从埋地管道上的涂层漏点处流向周围土壤，即电荷从管道金属表面向土壤迁移，引起金属损失，电荷的迁移导致埋地管道对地电位正向偏移，而埋地管道对地电位正向偏移，与从埋地管道上涂层漏点处流向周围土壤的电流的电流密度相关，因此可以确定电荷迁移与电流、电流密度及埋地管道对地电位正向偏移的关系。
[0134]
通常以年腐蚀速率作为评价管道腐蚀程度的指标，因此首先计算单位时间(1s)腐蚀深度，再计算在一年内埋地管道对地电位正向偏移引起的腐蚀深度，即可计算出一年内直流牵引系统引起埋地管道对地电位正向偏移所积累的腐蚀深度，即可确定年腐蚀速率。
[0135]
根据法拉第电流定律，通过如下公式(7)计算埋地管道每秒钟的腐蚀深度。
[0136][0137]
其中，r
corr
用于表征埋地管道每秒钟的腐蚀深度；m用于表征钢铁的原子量，取值为55.85；n用于表征钢铁发生腐蚀时的电子转移数量，取值为2；f用于表征法拉第常数，取值为96500；a用于表征埋地管道上涂层漏点的表面积；d
fe
用于表征钢铁的密度，取值为
7.87g/cm3；t用于表征埋地管道对地电位发生正向偏移的时间，即电流从埋地管道流向土壤的时长；q用于表征埋地管道对地电位正向偏移时从埋地管道流向土壤的电荷量。
[0138]
进一步地，电流密度与电荷迁移量存在如下公式(8)所示的关系。
[0139][0140]
其中，i
corr
用于表征t时间段内从埋地管道流向土壤的电流的电流密度。
[0141]
更进一步地，电流密度和埋地管道对地电位正向偏移量存在如下公式(9)所示的关系。
[0142][0143]
其中，v
shift
用于表征埋地管道对地电位的正向偏移量，ρ用于表征埋地管道附近土壤的电阻率，π用于表征圆周率，d
holiday
用于表征埋地管道上涂层漏点的等效直径。
[0144]
通过对上述公式(7)-(9)进行整理，得到埋地管道每秒钟腐蚀深度与埋地管道对地电位正向偏移量之间的关系，如下公式(10)所示。
[0145][0146]
上述公式(10)的微分形式为
[0147]
602、确定埋地管道在动态杂散电流干扰作用下的腐蚀速率。
[0148]
假设某一时间段0～t
λ
，埋地管道对地电位发生正向偏移，则对上述公式(10)的微分形式进行积分，可通过如下公式(11)计算时间段0～t
λ
内埋地管道的腐蚀深度。
[0149][0150]
进一步地，对一年时间内所有埋地管道对地电位发生正向偏移引起的管道腐蚀深度进行求和，可以得到一年时间内直流牵引系统引起埋地管道腐蚀的年腐蚀速率。假定一年时间内时间段0～t
λ
的个数为ω，则可以通过如下公式(12)计算一年时间内直流牵引系统引起埋地管道腐蚀的年腐蚀速率。
[0151][0152]
其中，v
yr
用于表征埋地管道在直流牵引系统所产生动态杂散电流作用下发生腐蚀的年腐蚀速率；dt用于表征时间段0～t
λ
内，从埋地管道流向土壤的电流的电流密度；v
shift(t)
用于表征t时刻埋地管道对地电位的正向偏移。
[0153]
上述公式(12)的物理意义是，埋地管道在直流牵引系统所产生动态杂散电流作用下发生腐蚀的年腐蚀速率，为一年时间内，埋地管道对地电位正向偏移量对所有埋地管道对地电位发生正向偏移的时间段的积分之和。
[0154]
603、确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率。
[0155]
根据所选管道腐蚀控制的相关标准，确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率。
[0156]
不同的管道腐蚀控制标准，对于管道腐蚀速率控制要求是不同，具体为：
[0157]
《control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems》nace sp0169规定，外腐蚀有效控制的通用基准是将腐蚀速率降低到0.025mm/yr或更小；
[0158]
《petroleum,petrochemical and natural gas industries-cathodic protection of pipeline systems-part 1:on-land pipelines》(iso 15589-1)规定，对于碳钢和铸铁，腐蚀速率小于0.01mm/yr；
[0159]
《cathodic protection of metals part 1:pipes and cables》(as 2832.1)规定：当使用电阻探针时，当电阻探针一年的腐蚀速率不超过0.005mm时，是保护埋地铁金属结构的标准；
[0160]
《general principles of cathodic protection of buried or immersed metallic structures》(en 12954)规定：准则通常是基于金属在腐蚀性电解质(土壤或水)中的保护电位。金属保护电位e
p
相当于一个阈值，在这个阈值下，金属的腐蚀速率被降低到一个实际应用中可以接受的低的水平。因此，阴极保护标准准则为：对于碳钢、低合金钢和铸铁，与e
p
相对应的腐蚀速率被认为是0.01mm/yr。
[0161]
604、确定目标埋地管道的管道电位阈值。
[0162]
目标埋地管道在直流牵引系统所产生直流杂散电流作用下发生腐蚀的年腐蚀速率，应小于可接受腐蚀速率，此时认为直流牵引系统所产生的干扰可以接受或对目标埋地管道的防护措施达到效果。此时，目标埋地管道的管道电位阈值与可接受腐蚀速率满足如下公式(13)所示的不等式。
[0163][0164]
其中，v
corr
用于表征目标埋地管道的可接受腐蚀速率。
[0165]
605、根据目标埋地管道的管道电位阈值，确定目标埋地管道的防护方案。
[0166]
下面结合具体实例，对本技术实施例确定管道电位阈值的过程进行进一步说明。
[0167]
图7为本技术实施例提供的埋地管道受直流牵引系统干扰，引起埋地管道上某一点的管/地电位随时间变化的示意图。参见图7，a时间段和c时间段为白天，直流牵引系统处于运行状态，埋地管道上某一点的管/地电位随时间的变化情况，b时间段为晚上，直流牵引系统停止运行。在直流牵引系统停止运行的b时间段，埋地管道上某一点的管/地电位基本趋于稳定，即为埋地管道受正常阴极保护、无杂散电流干扰时的管/地电位数值。a时间段和c时间段，埋地管道受直流牵引系统干扰，埋地管道上某一点的管/地电位随着列车运行和时间变化，相对于正常的阴极保护、无杂散电流干扰时的管/地电位数值，发生明显的正向偏移和负向偏移。管/地电位发生正向偏移期间，电流从埋地管道上涂层漏点处流向周围土壤，埋地管道发生腐蚀，管/地电位发生负向偏移期间，电流从埋地管道周围土壤流向埋地管道上的涂层漏点，管道不发生腐蚀。由此可见，在一天的时间内，不是所有时间管/地电位均表现为正向偏移。
[0168]
图8是本技术实施例提供的在某时间段时，埋地管道受直流牵引系统干扰，引起埋地管道上某点的管/地电位正向偏移和电流密度随时间变化的示意图。图8仅示出一年中某一天某一时间段的埋地管道的管/地电位正向偏移情况，由于埋地管道受直流牵引系统干扰电位波动，管/地电位发生正向偏移和负向偏移的波动频率很大，此处仅给出一小段时间内管/地电位发生正向偏移的情况，以此为例说明管/地电位发生正向偏移的计算方法，其他时间段管/地电位正向偏移的计算可以采用相同的方法进行。
[0169]
需要说明的是，根据阴极保护准则，消除土壤ir降(由于电流和土壤电阻所引起的偏差)的前提下，埋地管道对地电位达到-0.85v
cse
或更负，代表相对于cse的电位，其中cse为饱和cu/cuso4参比电极，因此管/地电位正向偏移指的是埋地管道对地电位与-0.85v
cse
的差值。
[0170]
参见图8，管/地电位正向偏移的时间段为0～50s，土壤电阻率为50ω
·
m，则根据上述公式(11)可计算0～50s时间段内埋地管道的腐蚀深度为：
[0171][0172]
按照《petroleum,petrochemical and natural gas industries-cathodic protection of pipeline systems-part 1:on-land pipelines》(iso 15589-1)，取可接受腐蚀速率为0.01mm/yr，如果按照上述公式(12)计算出年腐蚀速率大于0.01mm/yr，则需要对干扰段的埋地管道采取缓解措施，直至按照上述公式(12)计算出的年腐蚀速率小于0.01mm/yr。
[0173]
另外，还可以按照前述实施例中步骤301-303的方法来确定可接受腐蚀速率。
[0174]
在一种可能的实现方式中，可采用试片法、探头法等阴极保护领域常用的检测管道对地电位的方法，结合阴极保护检测设备，如杂散电流检测仪、scm等记录直流牵引系统对埋地管道动态杂散电流干扰的管/地电位数据，检测的周期至少24小时，经数据处理后，得到与图7和图8的类似图形，之后再按照上述公式(13)计算埋地管道的年腐蚀速率。
[0175]
需要说明的是，本技术实施例提供的埋地管道防护方案确定方法，适用于直流牵引系统已建且埋地管道新建的情况、直流牵引系统新建且埋地管道已建的情况、直流牵引系统新建且埋地管道新建的情况和直流牵引系统已建且埋地管道已建的情况，因此具有较强的适用性。
[0176]
还需要说明的是，本技术实施例提供的埋地管道防护方案确定方法，还适用于矿山直流设备向大地泄放的电流、工厂直流设备向大地泄放的电流、直流焊机向大地泄放的电流等，对埋地管道产生动态直流杂散电流干扰的情况。但是，上述干扰源相对于直流牵引系统对埋地管道的干扰来说，一般不具有周期性，为此需要掌握干扰源在一年时间内总运行时间，另外还需要向干扰源运营单位调研，确定设备运行周期、电流量等参数，并对管道干扰情况进行连续测试，掌握干扰的周期、频率和持续时间，之后再按照本技术实施例所提供的方法来确定管道电位阈值，进而根据管道电位阈值确定防护方案。
[0177]
图9是本技术实施例提供的又一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法的流程图，适用于静态杂散电流对埋地管道产生干扰，造成埋地管道发生腐蚀的场景。由于静态杂散电流对埋地管道造成干扰时，干扰源的输出电流通常不会随时间发生较大变化，因此
可认为杂散电流是静态的，干扰源一般来自于外部管道(带阴极保护或不带阴极保护)、外部阴极保护系统的阳极地床等。参见图9，该方法包括：
[0178]
901、计算埋地管道单位时间腐蚀深度与埋地管道对地电位正向偏移之间的关系。
[0179]
需要说明的是，计算埋地管道单位时间腐蚀深度与埋地管道对地电位正向偏移之间关系，参见前述实施例中步骤601，获得如上述公式(10)所示的埋地管道每秒钟腐蚀深度与埋地管道对地电位正向偏移量之间的关系。
[0180]
902、计算埋地管道在静态杂散电流干扰作用下的腐蚀速率。
[0181]
基于上述公式(10)，通过如下公式(14)，计算一年时间内埋地管道对地电位正向偏移引起埋地管道发生腐蚀的腐蚀深度，即年腐蚀速率v
yr
。
[0182][0183]
903、确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率。
[0184]
需要说明的是，确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率，参见前述实施例中步骤603。
[0185]
904、确定目标埋地管道的管道电位阈值。
[0186]
静态杂散电流引起埋地管道发生腐蚀的年腐蚀速率v
yr
，应小于可接受腐蚀速率v
corr
，基于此确定目标埋地管道的管道电位阈值。
[0187]
905、根据目标埋地管道的管道电位阈值，确定目标埋地管道的防护方案。
[0188]
下面结合具体实例，对本技术实施例确定管道电位阈值的过程进行进一步说明。
[0189]
图10是本技术实施例提供的某段埋地管道受静态杂散电流干扰，沿埋地管道轴向各位置的管/地电位正向偏移示意图，参见图10，共有35个测量点，其中第2～33个测量点的管/地电位发生正向偏移。由于第7个测量点的管/地电位正向偏移量最大，因此选取第7个测量点的管/地电位正向偏移量进行计算，第7个测量点的管/地电位正向偏移量为0.321v。土壤电阻率为50ω
·
m，则根据上述公式(14)计算第7个测量点在0.321v正向偏移作用下的年腐蚀速率为：
[0190][0191]
按照《petroleum,petrochemical and natural gas industries-cathodic protection of pipeline systems-part 1:on-land pipelines》(iso 15589-1)，取可接受腐蚀速率为0.01mm/yr，则第7个测量点的管/地电位正向偏移引起的年腐蚀速率0.0334mm/ys大于可接受腐蚀速率0.001mm/ys，需要对埋地管道采取缓解措施。
[0192]
在可接受腐蚀速率为0.001mm/ys，土壤电阻率为50ω
·
m时，根据公式(14)计算管道电位阈值，要求则则
[0193]
即，在可接受腐蚀速率为0.001mm/ys，土壤电阻率为50ω
·
m时，管/地电位正向偏移阈值为0.096v，即管/地电位在不正于-0.754v时，才能满足可接受腐蚀速率0.001mm/ys的要求。
[0194]
需要说明的是，可采用试片法、探头法等阴极保护领域常用的检测管/地电位的方法，检测静态杂散电流干扰的埋地管道对地电位数据得到图10的类似图形，每个测试点至少检测3组数据，取3组数据的平均值，再按照公式(14)计算埋地管道的年腐蚀速率。
[0195]
还需要说明的是，本技术实施例提供的埋地管道防护方案确定方法，适用于干扰源管道已建且被干扰管道新建的情况、干扰源管道新建且被干扰管道已建的情况、干扰源管道新建且被干扰管道新建的情况和干扰源管道已建且被干扰管道已建的情况，因此具有较强的适用性。
[0196]
图11是本技术实施例提供的一种埋地管道直流杂散电流防护方案确定装置的示意图，该装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为终端的全部或一部分，参见图11，该装置包括：
[0197]
腐蚀速率确定模块1101，用于确定目标埋地管道的可接受腐蚀速率；
[0198]
电流密度确定模块1102，用于根据腐蚀速率确定模块1101确定出的可接受腐蚀速率，确定目标埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时的直流电流密度阈值；
[0199]
电位阈值确定模块1103，用于根据电流密度确定模块1102确定出的直流电流密度阈值，确定目标埋地管道按照可接受腐蚀速率发生腐蚀时的管道电位阈值，管道电位阈值用于表征目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量；
[0200]
防护方案确定模块1104，用于根据电位阈值确定模块1103确定出的管道电位阈值，确定目标埋地管道的防护方案。
[0201]
在一种可能的实现方式中，腐蚀速率确定模块1101用于通过如下第一公式计算目标埋地管道的可接受腐蚀速率；
[0202]
第一公式包括：
[0203][0204]
其中，v
corr
用于表征可接受腐蚀速率，n
t
用于表征目标埋地管道的最长内检测周期，θ用于表征目标埋地管道的可接受最小剩余壁厚与原始壁厚的比值，t
p
用于表征目标埋地管道的原始壁厚。
[0205]
在一种可能的实现方式中，目标埋地管道受直流接地极所产生的直流杂散电流干扰时，电流密度确定模块1102用于通过如下第二公式计算直流电流密度阈值；
[0206]
第二公式包括：
[0207][0208]
其中，i
corr
用于表征直流电流密度阈值，v
corr
用于表征目标埋地管道的可接受腐蚀速率，tg用于表征直流接地极每年的放电时间。
[0209]
在一种可能的实现方式中，电位阈值确定模块1103用于根据直流电流密度阈值，通过如下第三公式计算管道电位阈值；
[0210]
第三公式包括：
[0211]
[0212]
其中，v
shift
用于表征管道电位阈值，ρ用于表征目标埋地管道附近土壤的电阻率，π用于表征圆周率，d
holiday
用于表征目标埋地管道上涂层漏点的等效直径。
[0213]
在一种可能的实现方式中，当所述目标埋地管道受动态直流杂散电流干扰时，
[0214]
电位阈值确定模块1103，用于根据直流电流密度阈值和可接受腐蚀速率，确定如下第四公式；
[0215]
第四公式包括：
[0216][0217]
其中，v
shift(t)
表征时刻t目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量，v
corr
用于表征可接受腐蚀速率，t
λ
用于表征目标埋地管道相对于大地的电位发生正向偏移的时间段，ω用于表征一年时间内t
λ
的个数；
[0218]
电位阈值确定模块1103，还用于根据第四公式，将目标埋地管道相对于大地的电位正向偏移量在ω个t
x
内的积分之和确定为管道电位阈值。
[0219]
在一种可能的实现方式中，动态直流杂散电流包括矿山直流设备向大地泄放的电流、工厂直流设备向大地泄放的电流、直流焊机向大地泄放的电流或直流牵引系统向大地泄放的电流。
[0220]
在一种可能的实现方式中，当目标埋地管道受静态直流杂散电流干扰时，
[0221]
电位阈值确定模块1103，用于根据直流电流密度阈值，确定用于表征直流电流密度阈值与管道电位阈值关系的第五公式；
[0222]
第五公式包括：
[0223][0224]
其中，v
shift
用于表征管道电位阈值，ρ用于表征目标埋地管道附近土壤的电阻率，π用于表征圆周率，d
holiday
用于表征目标埋地管道上漏点的等效直径；
[0225]
电位阈值确定模块1103，还用于根据第五公式确定，通过如下第六公式确定管道电位阈值；
[0226]
第六公式包括：
[0227][0228]
其中，v
corr
用于表征可接受腐蚀速率。
[0229]
可以理解的是，本技术实施例示意的结构并不构成埋地管道直流杂散电流防护方案确定装置的具体限定。在本技术的另一些实施例中，埋地管道直流杂散电流防护方案确定装置可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。
[0230]
本技术实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器和存储器，存储器中有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述指令、所述程序、所述代码集或所述指令集由所述处理器加载并执行以实现如上述各方法实施例所提供的埋地管道直
流杂散电流防护方案确定方法。
[0231]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，该至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述各方法实施例所提供的埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法。
[0232]
本技术实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取计算机指令，处理器执行计算机指令，使得计算机设备执行如上述各方法实施例所提供的埋地管道直流杂散电流防护方案确定方法。
[0233]
需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。上述各实施例中描述的系统结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些模块可能由同一物理实体实现，或者，有些模块可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
[0234]
以上各实施例中，硬件模块可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件模块可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器，fpga或asic)来完成相应操作。硬件模块还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。
[0235]
上文通过附图和优选实施例对本技术进行了详细展示和说明，然而本技术不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本技术更多的实施例，这些实施例也在本技术的保护范围之内。