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埋地管道交流干扰及数值模拟研究

王在峰  
【摘要】:交流干扰的数学模型是解释交流腐蚀机理的重要手段,通过电路模型建立起的交流干扰模型包含了正负两个反应过程,通过对两个反应过程的分析给出了交流腐蚀的影响因素,通过本模型解释了不可逆的电化学反应、频率和电流密度值是制约交流干扰的三个主因。理想的可逆状态是不可能完全存在的,如果传质电阻很小,扩散相对比较容易,通正向的交流电后,假设阳极不断溶解,土壤中含有氧、氢氧根,溶解后的铁离子与氧、氢氧根结合为铁的氧化物或氢氧化铁混合物,通反向的交流电压后虽然也能发生部分铁离子还原的情况,但毕竟有高价铁化合物或通过扩散或通过其它形式进入土壤,部分反应不再可逆,导致金属发生轻微腐蚀。低频交流电流下腐蚀速率随频率增加有一定程度的增大,而高频交流电流密度下,腐蚀速率变化较慢。如果通过接地电阻的电流更大,则法拉第反应分得的电流更大,非完全可逆阳极反应按比例分得电流绝对值变大,极化趋势更大,腐蚀速率一般升高。通过电场公式和有限元法对不同的管路情况进行了建模分析,先用电场公式建立数学模型开边界,再用有限元法详细模拟场域内的电场分布,绘出了不同管路情况下的电压曲线,曲线对研究交流干扰规律具有重要作用。对于管路本身及涂层均匀的情况,可用偏微分方程的解来表示各种曲线,而对于涂层破损非均匀的情况需要有限元法求其数值解。提出了一种新的开边界的概念,该概念认为极化曲线不是数值模拟的边界条件,各条极化曲线的终点的连接线才是最终的边界条件,并设计了边界条件获取装置。对不同地域的管路进行了交流干扰的评析和测试,研制了交流干扰监测仪器,通过评析和测试找出了这些管路遭受交直流混合干扰的原因和规律,评析了各种源与汇的交流干扰,这些数据对进一步开展治理工作提供了评析依据。发现了最大1341.8V的交流电压,发现最大170A/m2的交流电流密度,交流电压较小时也可能存在较大的干扰电流,小于100A/m2的交流电流密度也可能存在交流腐蚀。研究了涂层破损与交流干扰相关关系,利用这些相关关系,通过交流干扰进行了涂层破损的查找,并通过开挖验证进行了检验,找出了不同案例下的危险点。有涂层破损,有异物,有外部回路时更容易产生交流干扰;无破损时如果外部干扰足够大也能产生交流干扰。研制了智能排流器,制定了排流治理的手段工艺,并进行了交流干扰治理手段的实践,实践取得了良好的效果,能将上百毫安的交直流电流瞬时5mA。


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