接地材料对阴保影响.docx

站场接地系统优化措施研究
——接地系统与区域阴保相互影响规律研究进展报告

北京科技大学
2013年11月

目 录
1站场接地系统优化措施研究背景与意义 1
1.1立项意义 1
1.2接地系统对阴极保护系统影响国内外研究现状 2
1.3阴极保护电位分布数值计算技术的研究现状 6
1.3.1阴极保护体系的数学模型 6
1.3.2阴极保护体系数学模型的数值处理方法 9
1.3.3阴极保护数值计算边界问题的处理 12
1.3.4阴极保护电位分布数值计算的研究难点与发展方向 14
1.4站场接地系统优化措施研究目前已完成情况 15
2站场接地系统及区域阴极保护现场调研 17
2.1现场检测内容及方法 17
2.2测试结果 18
2.2.1精河站测量结果 19
2.2.2西靖站测量结果 22
2.2.3古浪一站测量结果 24
2.2.4古浪二站测量结果 26
2.2.5阿拉山口站测量结果 29
2.2.6玛纳斯站测量结果 31
2.2.7西一线57#阀室测量结果 33
2.2.8西一线58#阀室测量结果 34
2.2.9西二线67#阀室测量结果 34
3输油气站场区域阴保系统基础信息数据库建立 36
3.1站场区域阴保系统基础信息数据库设计 36
3.2西靖站区域阴保系统基础信息数据库建立 45
3.3精河站区域阴保系统基础信息数据库 55
4站场区域阴极保护电位分布数学模型研究 66
4.1站场区域阴极保护技术的特点及存在问题 66
4.2站场阴极保护电位分布描述方程研究 68
4.3站场区域阴极保护电位分布数学模型边界条件研究 70
5站场阴极保护系统电位场的数值计算方法研究 74
5.1阴极保护电位分布数值计算方法比选 74
5.2界元方法理论基础 75
5.2.1边界元法积分方程 75
5.2.2边界积分方程的离散与计算 80
5.3阴极保护电位的边界元计算方法研究 85
5.3.1腐蚀介质电场平面问题 85
5.3.2腐蚀电场平面问题边界元基本方程 88
5.3.3非线性边界腐蚀电场的迭代解法 89
5.4站场接地系统与阴极保护相互影响模拟软件开发 91
6站场接地材料极化边界条件测试研究 96
6.1极化曲线测量简介 96
6.2测量方法介绍 97
6.2.1仪器设备介绍 97
6.2.2测量方法介绍 99
6.3测量结果 101
7实际站场接地系统对区域阴极保护影响规律研究 122
7.1西靖站接地系统对区域阴极保护的影响规律研究 122
7.1.1西靖站区域阴极保护系统模型建立 122
7.1.2西靖站接地系统整改 127
7.2精河站接地系统对区域阴极保护的影响规律研究 129
72.1精河站区域阴极保护系统模型建立 130
7.2.2精河站接地系统整改 150
8接地材料对阴极保护系统影响规律实验研究 152
8.1实验内容 152
8.1.1实验站场的搭建 152
8.1.2实验方法 156
8.2实验结果 157
8.2.1恒电位实验 157
8.2.2恒电流实验 160
9项目已完成情况及下一步工作计划 162
9.1项目已完成情况 162
9.2下一步工作计划 163

1 站场接地系统优化措施研究背景与意义
1.1 立项意义
油气站场管道、设备、通信、自控系统的接地对减轻雷电、静电、电气误操作、感应电流等造成的危害发挥着重要作用。随着管道自动化控制程度的不断提高，各系统联合接地网的应用已经成为国内、国际长输管道站场接地系统的常规、普及做法。相对于单体接地系统而言，联合接地可为电力系统故障电流、雷电等引起的强入地电流提供一个相对更低的电阻回路，从而进一步减小了地电位梯度和管地电位差，避免了高接触电压和跨步电压、管地电位差对人身安全、管道本体、管道涂层、管道阴极保护设施等产生危害。此外，当接地系统的某一部分发生故障（如：接地极断裂）时，联合接地的多回路特性可确保接地系统的正常运行。总而言之，联合接地是一种经济有效的防护措施，在国内外得到了广泛的应用。
随着西部管道公司油气输送系统的规模和自动化水平的不断提高，站场高低压配电及控制系统不断向网络化、智能化、集成化方向发展，使得站场接地系统规模庞大，结构错综复杂。根据公司各输油气站场提供的资料发现，各输油气站场接地系统存在的突出问题有：接地网所用热镀锌扁钢、角钢腐蚀速率远超设计预期，接地网整体腐蚀问题严重、平均寿命约在5-8年；站场接地系统与站场区域阴极保护系统、工艺管网阴极保护系统、各储罐阴极保护系统存在相互干扰的现象；各站场接地系统所用接地极和降阻方式差别较大，缺少各种防雷接地技术的全面比对分析研究工作。
阴极保护技术是保护埋地管道和设备免遭腐蚀的一项有效技术，在我国油田、管线、罐区、站场、炼厂和燃气管网干线已广泛应用。对于标准和规范相对明确、保护对象结构相对简单的长输管线，阴极保护的设计与应用已相对成熟，并在我国取得了明显的经济和社会效益。但对于输油泵站、输气站、油库罐区和油气集输联合站等油气输送站场，由于受技术、安全和经济等多方面因素的影响，站区内的阴极保护技术远远落后于干线，最初大多数站场内埋地管线及金属设施没有采用阴极保护技术，仅采用外防腐层的物理防护方法。由于防护程度有限，随着时间的延长，站内埋地金属构件的腐蚀危害日益严重的暴露出来，为了保护站场埋地管道的安全，工艺站场的区域性阴极保护引起业内人士的广泛关注，目前新建站场在设计阶段就要求包含区域阴极保护，同时没有施加阴极保护的老站场正在逐年补加区域阴极保护。
目前西部管道公司大部分站场都已施加了区域阴极保护，没有施加的正在补加。区域性阴极保护就是将某一区域内的所有预保护对象作为一个整体进行阴极保护，依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的自由分配以及与相邻设备的电绝缘措施，使被保护对象处于规定的保护电位范围之内。由于站场阴极保护对象的复杂性和多样性，存在保护对象繁多、电流需求高、保护回路复杂、安全要求高等诸多问题，给区域阴极保护技术的有效实施带来一定的困难。与常规阴极保护方法相比，站区阴极保护具有如下特点：
1、保护对象繁多、保护电流消耗大；
2、地下金属结构错综复杂，干扰和屏蔽问题突出；
3、阳极地床设计难度大；
4、安全要求高。
区域阴极保护存在以上特点的一个主要原因为站内庞大接地系统的影响。尽管站区阴极保护的对象主要为储罐和埋地管网，但其和庞大的站内接地系统电连接在一起，由于接地系统为裸金属材料，会消耗阴极保护电流，尤其当采用与阴极保护不匹配的材料时，电流消耗量会大大增加，并造成干扰问题、屏蔽问题，大大影响阴极保护效果。目前西部管道公司很多站场区域阴极保护效果不理想与接地系统材料选择有很大关系，但尚未围绕接地系统与区域阴保相互影响规律开展研究，本课题针对接地系统与区域阴保相互影响规律开展研究，并研究建立接地系统和区域阴保系统的数值计算建模与计算方法，并对典型站场开展接地系统优化方案研究，对于提高区域阴极保护效果，保证站场安全具有重要的意义。
1.2 接地系统对阴极保护系统影响国内外研究现状
早在1960年，Husock就提出：要想使阴极保护系统达到一个较好的保护效果，就应该尽可能地使被保护结构物远离裸铜接地极。1963年，Bladholm和Kormendy对一15 m长的裸铜棒进行了现场实验研究，研究发现将其极化到-850 mV所需的电流密度约为54 μA/cm2。Ghesquiere等也进行了类似的实验，其研究发现在电阻率为3000 Ω·cm水溶液中分别将铜板和铜接地棒极化到-850 mV所需的电流密度值分别为8.6 μA/cm2和12.5 μA/cm2，在相同的条件下钢板所需的电流密度值为2.2 μA/cm2。1979年，E L Kirkpatrick指出了接地系统与管道阴极保护系统之间的矛盾问题：对于接地系统而言，地下结构物的相互联结可有效的降低发生电击的风险，但对于管道阴保系统而言，结构物相互联结意味着阴极保护电流需求量的增大。当接地极为裸铜线时，阴保电流的需求量将增大20多倍特别是当管道的涂层效果较好时，铜接地极的存在会使得阴保电流需求量变的更大。1999年，E L Kirkpatrick在其发表的论文里指出将铜和铁极化到同一电位时铜所需的电流密度值为铁所需电流密度的10～20倍或者更高。
一些学者发现，当单独对铜进行阴极保护时，由于铜的电位不需要大幅度的负移，所以即使铜与碳钢连通需要的电流密度也不是很大。1982年，D M Waters在一篇名为“Cathodic Protection to Protect Copper Pipelines from External Corrosion”的文献中指出对于铜埋地水管，0.25～4.4 μA/cm2的阴保电流密度可使埋地水管得到很好的保护。北弗吉尼亚州电气委员会建议采用0.32 μA/cm2的阴保电流密度来保护铜接地极，但随后的研究与实践发现在某些情况下该电流密度值偏小，不足以对铜接地极提供良好的保护。1986年，Zastrow 建议采用电位负向偏移100 mV的方法来确定铜接地极所需的阴保电流密度，其给出的电流密度参考值为1.8 μA/cm2。

闫爱军等采用失重法和电化学测试方法研究了紫铜、Q235钢和在Q235钢表面镀铜、镀锌及刷达克罗涂料等几种接地材料在渭南地区土壤中的腐蚀特性，研究结果表明：紫铜材料的耐蚀性最好，腐蚀速率在0.04 g/(m2·h)以下；Q235钢的耐蚀性最差，腐蚀速率大于0.28 g/(m2·h)；镀铜和达克罗涂层的腐蚀速率与紫铜相近，约为0.04 g/(m2·h)；镀锌层可以防止Q235钢的腐蚀，腐蚀速率比Q235钢下降约2/3；材料的腐蚀过程为电化学腐蚀控制。张国富等分别对铜、20#和X80钢接地极材料在辽河油田土壤溶液中进行了电化学测试分析，实验结果表明：在土壤模拟配置液中铜的抗腐蚀能力，X80钢次之，20#钢抗腐蚀能力最差。聂新辉等也进行了类似的研究，得到了相同的实验结果。
2004年，R A Gummow等分别对六种不同接地材料（碳钢、硅铸铁、不锈钢、铜、镀锌钢、镀锡铜）在不同土壤环境中进行了现场、实验室测试。研究结果表明：将六种接地材料同时极化到-850 mV（vs CSE），在含氧量较大的土壤中六种不同接地材料所需的电流密度大约分别为：20 μA/cm2、、20 μA/cm2、5～6 μA/cm2、200 μA/cm2、1 μA/cm2、20 μA/cm2，但当土壤中含氧量较低且接地极与管道电连接时六种不同接地极对应的管道所需阴极保护电流密度值相近，均小于0.2 μA/cm2，综合考虑接地和阴极保护镀锌钢是最理想的接地材料。其他学者也对接地材料进行了研究，例如：Ghesquiere建议采用锌阳极来代替铜接地极，Schaefer推荐采用镀锌钢接地棒，Kirkpatrick认为对联合接地网而言，锌接地极和绝缘铜线缆是很好的接地材料，Lawson经过现场实验、计算分析后推荐使用镀锡铜接地极来代替铜接地极。
2003年，E L Kirkpatrick分别对美国航空维修与工程基地、位于巴基斯坦信德省某一石油天然气工艺处理站场及位于美国德克萨斯州东部的某一火力发电站进行了研究比较。美国航空维修与工程基地其地下设施包括：PE涂层的天然气管道、带绝缘涂层的压缩空气和燃料输送管道、水管建筑地桩及接地网等。其接地系统采用联合接地方式，接地材料使用PVC绝缘层的铜导线和不锈钢。阴极保护系统使用高硅铸铁垂直接地极和11台恒电位仪。巴基斯坦石油天然气工艺处理站场地下设施包括接地网、油气管道、消防及饮用水管、原油及天然气储罐。采用裸铜接地极，随后的接地极系统升级中又加入了若干局部的铜接地网以确保发生电力故障时电气设备的安全运行。其阴保系统使用9台恒电位仪，阳极地床类型包括：浅埋分布式、深井阳极、远端垂直及水平阳极地床。美国德克萨斯州东部的某一火力发电站其地下设施包括：带涂层的天然气管道、压缩空气管道、消防及饮用水管道、建筑地桩、铜接地网。采用铜接地极，其阴保系统经过整改后共使用14台恒电位仪。根据现场监测数据，三处埋地设施得到有效保护时所需的平均电流密度对比如下表1-1所示。
表1-1 三处接地系统及其埋地设施达到有效保护时所需阴保平均电流密度对比

接地系统配置
达到有效保护时所需平均阴保电流密度
美国航空维修与工程基地
不锈钢接地极
0.13 mA/m2
巴基斯坦石油天然气工艺处理站场
大量裸铜接地网
1.65 mA/m2
美国德克萨斯州东部火力发电站
裸铜接地网
1.60 mA/m2

中国石油北京天然气管道有限公司对国内某一站场的接地系统及阴极保护系统进行了整改优化。该站场2005年初投产，投产时接地极材料为铜包钢和少量镀锌角钢和镀锌扁铁，投产不久将部分铜包钢接地材料更换为镀锌扁钢，但2007年仍在两处发生腐蚀穿孔泄漏，如下图1.1所示，管道涂层为3PE，经检测分析腐蚀管线的腐蚀速率为1.2 mm/a。

图1.1 站内管道腐蚀穿孔图
为避免站场埋地管道再次腐蚀业主对腐蚀区域紧急施加了区域阴极保护。根据站场布局及馈电实验结果，站场布设两套独立深井辅助阳极式阴极保护系统。随后的研究发现该阴极保护系统最大输出电流达到51.6A，但埋地管道仍有部分不能满足标准要求，在腐蚀调查局部开挖验证中发现站内第一次整改后铺设的镀锌扁钢接地网锈蚀严重，见下图1.2。

图1.2 镀锌扁钢接地开挖图
2008年对该站场接地系统进行彻底开挖整改：对站内镀锌扁钢接地网进行整体更换并开挖彻底清除残余铜包钢。整改结束后再次进行腐蚀调查，站内自然电位提高到-0.8～-1.0 VCSE，自然电位恢复正常。随后对阴极保护系统重新进行调整，调整后的阴极保护系统由一台阴保机和两个深井阳极组成，调整后恒电位仪系统输出电流约20 A，输出电压15.3 V，站场内管道电位在-0.94～-1.24 VCSE之间，站内埋地管线满足阴极保护标准要求，埋地管线得到充分的保护。根据以上现场调研得到的数据计算得到达到同一电位时，铜包钢和镀锌扁钢所需的阴保电流密度分别为9.4 A/m2和61.7 mA/m2，可知铜包钢所需的电流密度为镀锌扁钢的152倍之多
1.3 阴极保护电位分布数值计算技术的研究现状
在阴极保护工程中掌握阴极表面电位分布规律是非常重要的，它直接关系到阴极保护的效果。在传统的阴极保护工程设计中，大多采用实际测量或经验估计的方法掌握电位分布规律。然而，对于某些被保护结构，如：海底管道、海洋平台、深埋的钢桩或钢管、大罐的罐底等，实地测量技术难度很大、需要昂贵的费用，对于待上马的新项目，根本不可能事先在现场测试，而经验公式法对于复杂结构往往需要较大的安全系数，由此引起过保护更会带来一些不利的后果，可见传统的设计方法难以满足越来越高的安全可靠性和经济性的要求。随着电化学和计算机技术的发展，人们尝试采用数值计算方法来获取被保护体表面的电位和电流分布状况，这在地下长输管道、近海石油平台等场合已经得到了较好的应用，节省了大量的人力、物力，实现了优化设计。
1.3.1 阴极保护体系的数学模型
近几十年来，随着对阴极保护理论的深入了解和高性能计算机的普及，阴极保护设计中数学模型研究取得某些实际应用，例如在计算海洋构件的阴极保护电位分布和阳极参数等方面显示出模型研究的重要作用。
为建立阴极保护体系数学模型，必须知道这个体系所有组成部分及反映体系特性的各种参数关系，一个实际的阴极保护体系大致有以下几种参数：
(1) 被保护构件的几何尺寸和阳极的位置、形状等；
(2) 电流流经的体系周围介质的电性能；
(3) 阳极的电学行为，尤其是电化学(如极化曲线)特性；
(4) 被保护构件的电学行为，主要是极化行为和表面钙沉淀行为。
阴极保护体系数学模型可分为两大类，即分布型模型和时变型模型。
一、分布型模型
1．模型描述
该模型研究阴极保护电位和电流密度的分布及其相互关系，研究中往往假设环境介质为均匀、单一导体，宏观不均匀介质被分割成局部均匀区域来处理。假设阴极保护体系已经达到稳态，即阴极电流及极化行为已不随时间改变，以便采用静态场理论来处理。
稳态阴极保护体系中稳定电流场满足静态场理论，其基本电位分布方程是泊松方程：
（1-1）
当无场源存在时变成拉普拉斯方程：
（1-2）
2．模型求解
泊松(拉普拉斯)方程的定解取决于求解区域的几何布局和边界条件。从数学上讲，满足一个偏微分方程的解可以有很多，还必须有一些特定的边界条件来补充和限制，才能得到定解。边界条件根据实际问题的特点而提出。在阴极保护系统中通常遇到的边界条件有以下几类：1. 边界上的电位已知，例如，无穷远边界条件的电位为零，阳极为电位恒定的等位面，恒电位控制的外加电流阴极保护系统中的控制点等；2. 边界上流入的电流密度已知，例如恒电流控制的外加电流阴极保护系统，其绝缘面是电流等于零的特例；3. 边界上流入的电流密度与电位的函数关系已知。在金属平衡电位附近几十毫伏范围内，电位与电流是线性关系。而一般地说，两者之间是非线性关系，这是电化学问题不同于其它电磁场问题的最本质特点。
一般来说，微分方程的求解可以用解析解，也可以用数值解。只有对于一些特别简单的情形，才能精确地求出上述阴极保护电位分布模型的解析解；对于多数实际体系，一般有较复杂的边界，只能用数值方法求近似解。这时，把连续的求解区域用设想的包含一系列节点的网络来表示。数值解法的基本出发点是：用离散的、只含有限个未知数的代数方程组去近似代替连续变量的微分方程及边界条件，从而求出节点上待定函数的近似值。
在求解过程中为了减少计算工作量，缩短计算时间，提高计算精度需要注意以下两点：1. 首先要根据问题的具体特点尽可能加以简化，常常是利用系统的几何对称性，如轴对称、面对称等。轴对称时采用柱面坐标最方便，这时只需计算任一子午面上电位的分布情况，而不必求解整个空间电场，而面对称时只要计算一半就够了。此外，简化计算对象的维数始终是一种最优选择，因为在同样分辨率下，按三维考虑时所需节点数大约比二维考虑时高一个数量级。2. 离散化时用假想的线（或面）根据问题的具体特点将求解区域分割为有限个互补重叠的单元，二维的如正方形、三角形、矩形、平行四边形、正六边形等，三维的如四面体、长方体、任意六面体以及曲面六面体等。这些单元的顶点称为节点。求解就是寻求节点上未知函数的近似值。分割时单元的形状、大小、数目是任意选择决定的，可根据实际情况灵活掌握。一般地说，单元越小，结果的精度越高，但计算工作量越大，因此节点数量需加控制。
到目前为止，各种数值方法多是针对达到稳态的阴极保护系统开展的，采用如下稳态分布型模型：
V:
S1: （第一类边界条件）
S2: (第二类边界条件)
其中，V为所研究的区域，S1为第一类边界条件，S2为第二类边界条件，为电位，X、Y、Z为空间直角坐标，为阳极电位，n为阴极表面法线方向的单位矢量，为介质的电导率，为阴极表面电位等于时对应的极化电流。为了获得方程的数值解，需要把求解区域离散化，再结合具体的边界条件求解电位分布。得到电位分布后可按关系式j=求解电流分布。
二、时变型模型
时变型模型研究阴极垢层形成及极化随时间的变化关系。环境参数如土壤含水量、温度等周期变化的影响也可以在模型中考虑，但微观不均匀及体系瞬间扰动很难考虑。这类模型比分布型模型研究难度更大，主要是缺乏对其规律理解，目前尚无合适的数学处理方法。
1.3.2 阴极保护体系数学模型的数值处理方法
阴极保护体系的数学模型可通过有限元法、有限差分法和边界元法等来求得数值解。这些数值解法都具有递推性，计算的工作量非常大，只有依靠电子计算机才能实现。目前在阴极保护模型研究中主要采用以下几种数值解法：
（1）有限差分法(FDM)
有限差分法（Finite Difference Method）是近似求解偏微分方程边值问题最常用的方法。它用代数式[Φ(x+Δx)-Φ(x)]/Δx近似代替原微分方程中的导数dΦ/dx，即用折线近似代替原边界曲线，来求解微分方程。从六十年代开始，有限差分方法（FDM）已用于电化学体系中来计算多电极系统的电流分布及铜、锌的电偶腐蚀等，并用来掌握腐蚀过程的电流和电位分布规律。张鸣镝利用FDM计算了在装有海泥的槽中被保护海底管道表面的电位分布及其随保护时间的变化。钱海军等采用有限差分技术对大口径输水管道管内阴极保护电位分布进行了计算。Kranc等人采用有限差分方法计算了混凝土结构中钢筋阴极保护的电位和电流分布。尽管在许多情况下有限差分方法可以给出较为准确的结果，但由于FDM法计算结果的准确度与网络交叉点即节点的数目和分布有关，因此使用该方法难以准确地描述结构的几何形状和模拟边界条件。
（2）有限元法(FEM)
有限元法也称有限元素法（Finite Element Method），是五十年代为了用计算机求解数学物理问题而出现的，从60年代开始国外就采用有限元法(FEM)来掌握腐蚀过程的电位分布规律，作为阴极保护计算机辅助设计及工程设施安全可靠性寿命评价的一个主要内容，现在有限元法已成为数值分析中一种实用而又重要的工具。有限元法是变分原理在差分方法中的应用，根据变分原理，引进边界条件，建立一个等价的二次泛函。当二次泛函达到极小时的相应函数，就是满足这些边界条件的拉普拉斯方程的解。
邱枫利用有限元程序计算了钢质储罐底板外侧、码头钢管桩和用带状牺牲阳极进行阴极保护时埋地钢管的阴极保护电位分布。Munn应用有限元法研究了牺牲阳极以及钢板在电解液中的腐蚀行为。Kasper利用有限元法研究了海水中钢棒的腐蚀行为以及阴极、阳极的形状大小、涂层电阻、涂层缺陷对电位分布的影响。Chin，Sabde等人研究了二维稳态涂层缺陷缝隙阴极保护数学模型，采用有限元法计算了缝隙内电化学环境改变时的电流分布。
有限元法与有限差分法相比的一个优点在于可方便地处理复杂的或弯曲的几何面，因为其元素不必非要有正规形状或尺寸。但同FDM法一样，FEM法也需要用网络对所研究区域离散，并且结果的精度也与单元的大小和数目有关，因此进行三维阴极保护系统模拟时，计算量和花费的时间将是很大的。到目前为止，FEM法对二维问题是非常有效的，而对三维问题则在一定程度上影响了计算的精确度。
有限差分法和有限元法的共同特点是必须对全部区域进行网格划分，要想得到被保护体表面的电位分布必须首先计算电解质内部的电位分布，因此计算过程的精度损失以及计算上的浪费和数据准备量大是这两种方法的明显缺陷。
（3）边界元法(BEM)
边界元法（Boundary Element Method）是于80年代初在阴极保护领域出现的一种数值计算方法。该方法以问题控制微分方程的基本解为基础，建立边界积分方程，然后对边界积分方程通过离散、插值等手段，获得关于边界上未知数的方程，求解而获得所要求的物理量。
DeGiorgi等人采用边界元方法模拟了船侧推进器阴极保护系统的电位分布。Douglas对采用罐旁深井阳极、罐周阳极、罐底网状阳极的地上储罐罐底阴极保护系统电位分布进行了模拟。刘曼应用边界元方法计算了管内介质处于流动状态时，受到阴极保护的管道内壁的瞬时电位分布和稳定电位分布。梁旭魏，吴中元等人将BEM应用于油田区域阴极保护阳极位置的优化设计中确定了最佳阳极位置和电流输出。
边界元法是在经典积分方程和有限元基础上发展起来的，能使问题维数降低一维，方程组阶数降低，给定节点密度下的计算精度提高，克服了FDM法和FEM法数据准备量大的缺陷，成为一种在阴极保护辅助设计中有着广阔前景的计算方法。边界元法既可处理有界区域问题，也能处理无界区域问题，但通常要求研究介质是均匀的。有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）以及边界元法（BEM）三种数值计算方法的比较如表1-2所示：
表1-2数值计算方法的比较
Table 1-2 Comparison of numerical analysis methods

FEM
FDM
BEM
Solution accuracy
Approximate, depending on mesh employed
Geometry
Can be applied to complicated problems
Voltage solution
As numerical data at a large number of points
Current density solution
Dirived from voltage with consequent reduction of accuracy
Calculated explicitly at boundary surface
Boundary condition
Uniform, varying or field dependent voltage, or voltage gradient normal to boundary
Electrolyte properties
Homogeneous or non-homogeneous Constant or field-dependent conductivity
Homogeneous region, Constant conductivity
Number of equations
Equal number of nodes distributed over the domain
Equal number of nodes over boundary surface
（4）借助软件包对阴极保护电位进行数值计算
除了以上三种数值计算方法，拉普拉斯方程还可借用现成的计算程序软件包求解，如ANSYS，MATLAB，COMSOL、BEASY、FLUENT，利用现成软件包进行数值计算，研究者无需编制复杂的程序，可以节省时间，深入研究问题的本质。有些软件原先并不是为阴极保护而编写，但可以借用。这是基于物理现象数学模型的相似性，例如导电与传热现象的相似性。另一方面，要注意阴极保护问题的特殊性，主要是电化学极化行为往往是非线性函数，它受到许多因素的影响，并且随时间而变化，这使问题更加复杂化。
1.3.3 阴极保护数值计算边界问题的处理
在阴极保护系统电位分布的数值计算中通常遇到的边界条件有以下几类：1．边界上的电位已知，例如无穷远边界条件的电位为零，阳极为电位恒定的等位面，恒电位控制的外加电流阴极保护系统中的控制点等；2. 边界上流入的电流密度已知，例如恒电流控制的外加电流阴极保护系统，其绝缘面是电流等于零的特例；3. 边界上流入的电流密度与电位的函数关系已知，一般给出阴、阳极表面的极化特性曲线。能否选择正确、适当的的边界条件直接关系到数值计算的正确性，下面分别就常用的几种边界条件进行讨论。
（1）阴、阳极的极化特性
电化学体系和经典电磁场有某些本质差异，极化问题是其中之一。由于电流流动，阴、阳极表面均会极化，即表面电位随电流密度呈函数关系变化，一般是非线性的。
造成阳极极化的原因可能是电阻极化(如阳极表面形成绝缘膜等)、浓差极化（由于阳极表面金属离子扩散缓慢引起）或活化极化(此时极化电位与电流密度对数成正比即符合塔菲尔方程)。
造成阴极极化的原因可能是由于阴极过程进行缓慢产生活化极化，或由于阴极附近反应物或生成物扩散较慢而引起浓差极化。
极化现象在模型计算时颇有困难，大致有以下几种处理方法：①不考虑极化，认为极化电位与电流密度无关；②在研究的电流密度范围内，将极化电位看作和电流密度成线性关系；③用非线性元件或实测极化曲线来模拟极化过程；④用右手矢量来处理非线性的极化问题。
极化电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线称为极化曲线。在阴极保护的数值计算过程中，阴、阳极的极化曲线常作为一个重要的边界条件使用，测量极化曲线是腐蚀与防护研究中的重要手段。在极化曲线的测量过程中首先通过实验测出极化电位与极化电流两个变量之间的对应数据，然后根据这些实验数据绘制需要的极化曲线，常用的测量极化曲线的方法有恒电流法和恒电位法两种。在给定的电流密度下测量电极电位，电流或电流密度是自变量，电极电位是因变量，是电流密度的函数，即E=f(i)，这种方法称为恒电流法。还有一种测量方法，是在给定的电极电位下测量其相应的电流密度，电极电位是自变量，电流密度是因变量，是电极电位的函数，即i=g(E)，这种方法称为恒电位法。根据测得的数据绘制极化曲线时，根据需要可以采用普通坐标或半对数坐标。在上述测量方法中，电极电位和电流密度不随时间而变化，属于稳态测量。所谓稳态测量就是在逐渐测量过程中，要到达稳态不变值时，再记录数据，一般腐蚀研究中所用的极化曲线若不加说明都是稳态极化曲线。
（2）阴极表面垢层模型的初步研究
阴极保护条件下，构件表面逐渐被垢层覆盖，钙垢层的生成使得阴极极化情况变得异常复杂。垢层主要成分是钙、镁的盐类及氢氧化物，也可能含有机物质，它们造成极化曲线形状随时间、位置而变化，给阴极极化行为的研究带来极大困难。Ashworth认为，阴极保护模型能否符合实际，最关键和最困难的是建立正确的阴极表面垢层及极化模型，现在国内外已经展开了对阴极表面垢层模型的研究。
Grigorev曾测定通恒定阴极电流后不同时间下的极化曲线来反映垢层变化规律，发现保护构件表面每个点都具有独特的电流-时间变化关系和独特的极化曲线-时间变化关系，和相邻点并无直接联系，从而给阴极边界条件的确定带来困难。Thompson认为紧靠阴极表面的环境变化对阴极极化行为起主要作用，在研究阴极极化时应当考虑浓差极化及氧扩散控制，垢层形成不仅消耗部分阴极电流供垢物质沉淀反应，还阻碍氧向阴极表面扩散，使氧扩散极限电流密度大大减小。D.J.Tighe-Ford等人以试验数据为基础，不作任何假设，建立以尺寸及导电性为参数的垢层物理模型(DACS)来评价海洋船舶及其它海洋构件的阴极保护状况，决定阳极及参比电极的安放位置等。
陈绍伟等研究了海水中钢的阴极极化，提出斜率参数概念来表示其阴极电位与电流密度的线性关系随时间的衰减，基于此研究和阴极垢层形成后典型的“S”型静态极化曲线，提出了海水中牺牲阳极保护系统设计的新方法。
Emenike假设衰减速度和成垢电流密度成正比，将成垢电流密度定义为实际阴极电流密度和维持电流密度之差研究了新建阴极保护体系的电流因阴极极化和成垢行为而随时间衰减。
阴极保护问题的影响因素较多，其中不同介质、温度、钙镁盐沉积等复杂因素是通过极化曲线表现出来的，对于理论计算影响最大的因素是实验室内模拟反映实际介质物理、化学、钙镁盐沉积等因素的极化曲线的准确度，因此，有必要专门研究极化曲线，并建立数据库
1.3.4 阴极保护电位分布数值计算的研究难点与发展方向
随着计算机的加速普及和广泛应用，利用数值方法求解阴极保护体系的电位和电流分布问题已成为最近十多年阴极保护领域中十分活跃的一个方面。由于受保护系统复杂几何形状、结构表面状态随时间变化、腐蚀性介质不均匀等多种因素的限制，使得数值计算结果与实际体系之间还存在一定的差距。阴极保护体系电位和电流的分布计算还是一个尚待深入研究的课题，可从以下几个方面进行深入的探讨：
（1）到目前为止，阴极保护电位分布的数值计算研究多是针对稳态分布型模型开展的，研究中往往假设系统处于稳态，环境介质为均匀、单一导体，而实际的阴极保护体系状态是随时间发生变化的腐蚀介质也是不均匀的，因此数值计算模型还有待进一步完善，应在模型中考虑介质的不均匀性以及环境参数如土壤含水率、温度等因素周期性变化的影响。
（2）边界条件的选取直接影响数值计算结果的准确性，在阴极保护电位分布的数值计算中一个很重要的边界条件是确定阴极边界上电位和电流密度的关系以及这种关系随时间的变化。由于缺乏对阴极极化和垢层随时间变化规律的深入了解，迄今尚未建立比较完善的反映阴极表面极化及结垢的理论模型，因此，有必要对阴极极化特性开展更深入的研究。
（3）包含多条埋地管道及多口井套管的区域阴极保护体系以及形状复杂的海洋平台或构件的阴极保护模型的建立已日益受到关注，因此需要进一步改进计算技术，对于复杂形状的构件在不降低体系复杂性前提下，应能够通过合理的网格划分来提高计算精度。
（4）阴极保护系统优化设计方法有待深入的研究，以电位和电流分布的数值计算为基础，通过各种方案的比较可以在阳极种类、尺寸、数量、布置等方面进行优化设计，使阴极保护达到经济、有效的目标。
1.4 站场接地系统优化措施研究目前已完成情况
站场接地系统优化措施研究项目主要包括以下几方面：
1、针对2个典型站场调研收集站场内各类埋地管线及储罐的材料类型、涂层状况、几何分布数据以及区域阴保系统的设置与运行参数，并结合“接地系统安全技术研究”项目确定的接地系统信息数据，建立2个典型站场区域阴保系统的基础信息数据库（包含接地系统），形成输油气站场区域阴保系统基础信息数据库建设作业指导书；
2、针对2个典型站场，开展接地系统和区域阴保系统的数值计算建模与计算方法研究工作，并在此基础上开发具有自主知识产权的接地系统与区域阴保系统相互影响关系计算软件，形成相应的软件操作手册；
3、利用所开发的计算软件对2个典型站场的接地系统优化方案进行分析计算工作，进一步优化2个典型站场接地系统优化方案；
4、参与典型站场接地系统优化方案实施和检测评价工作，进一步完善接地系统与区域阴保系统相互影响关系的计算软件及相应的软件操作手册；
5、参与“站场接地系统优化技术措施”和“新建输油气站场接地系统设计技术要求”成果中接地系统与区域阴保系统相互影响部分章节的编制工作；形成接地系统对区域阴极保护影响规律的研究报告。
按照项目的研究计划，本阶段主要进行了以下研究内容：
（1）完成了国内外相关文献资料的调研与总结整理：收集了国内关于外接地系统对阴极保护系统影响的文献，分析对比了文献中不同接地系统对阴极保护的影响规律，并对区域阴极保护数值模拟技术的研究现状进行了调研总结。
（2）完成了西部管道公司实际站场接地系统和区域阴极保护系统的现场调研与检测，收集了站场内各类埋地管线及储罐的材料类型、涂层状况、几何分布数据以及区域阴保系统的设置与运行参数，为站场区域阴极保护系统基础信息数据库的建立以及数值模拟技术的应用提供数据支撑。
（2）完成了2个典型站场（精河站和西靖站）区域阴保系统的基础信息数据库（包含接地系统）的建立，涉及站内各类埋地金属结构物（埋地管线、储罐、接地系统等）的位置信息、材料信息、防腐层信息、土壤电阻率信息以及区域阴极保护系统信息等。
（3）完成了站场阴极保护电位分布数学模型的建立和完善工作：综合考虑了阴极保护方式、阳极材料类型、被保护埋地构件表面状况以及接地系统影响，研究确定了与实际情况更为符合的站场阴极保护电位分布数学模型。
（4）完成了站场阴极保护系统电位场数值计算方法的研究：研究了边界元和有限元等数值计算方法用于站场阴极保护系统电位场数值计算的优缺点和适用性，并开发了适用于站场区域复杂情况数学模型求解的边界元计算方法，能够对所建立的站场阴极保护电位分布数学模型进行求解，获得阴极保护电位和电流密度分布，从而优化阳极地床分布、优选阴保参数，并在此基础上开发了接地系统与区域阴保系统相互影响关系计算软件。
（5）完成了多种接地材料（铜包钢、碳钢、SWL-M低电阻模块、锌包钢(CET)等）极化特性的测试，确定了不同的接地材料达到相同阴极保护电位所需的电流密度差异。
（6）利用所开发的计算软件建立了2个典型站场（精河站、西靖站）的区域阴极保护系统数学模型，并初步分析对比了不同接地材料对区域阴极保护电位分布及电流需求的影响规律。
下面即对以上工作完成情况进行详细的介绍。