一种基于数值算法的免维护耐腐蚀接地装置设计方法

技术领域

本发明属于到接地装置的腐蚀评测及防护领域，具体涉及一种基于数值算法的免维护耐腐蚀接地装置设计方法。

背景技术

接地装置基本性能受环境的影响很不稳定，其接地材料容易受到腐蚀作用的影响，导致地网接地电阻值不断升高，引发各类电流故障问题。当前大多数接地导体都是选用质量较优、导电性能较好的材料制作。由于土壤组成结构较复杂，含有较多腐蚀性成分，会导致接地导体产生腐蚀问题。因此，要想保证接地系统保持稳定的接地电阻及较强的耐腐蚀力，就要做好接地网材料的防腐蚀工作。阴极保护优化设计的目的就是为了使所有接地装置表面电位均达到保护电位要求。基于传统方法设计外加电流阴极保护的关键在于选取保护电流密度和计算引线纵向电阻，而对于阳极的设计并没有明确的计算公式，通常都是依据经验设计辅助阳极的安装位置，在方案设计过程中不能预测接地引线电位的分布状况，而且系统安装完成之后需要进行大量调试甚至可能需要重新进行阳极敷设。

发明内容

本发明提供了一种基于数值算法的免维护耐腐蚀接地装置设计方法，用于克服上述问题或者至少部分地解决或缓解上述问题。

为此，本发明提供一种基于数值算法的免维护耐腐蚀接地装置设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S001：获取土壤理化参数；

S002：获取接地引线材料及尺寸参数；

S003：获取牺牲阳极参数；

S004：测试接地材料及阳极材料在模拟土壤环境中的极化曲线，并求出有限元法计算中用到的开路电位，交换电流密度以及阴阳极的传递系数；

S005：采用有限元法对接地装置电位分布进行计算；

S006：确定阴极保护基准电位；

S007：通过粒子群算法求得阳极配置优化图；

S008：确定好数量和位置后，再对阴极系统保护电位进行有限元计算，得到新的电位分布曲线；

S009：对比新电位分布曲线与之前的电位分布曲线，判断方案是否可行。

在步骤S005中，采用有限元法对接地装置电位分布进行计算

其中：φ为电极电势，ρ为土壤电阻率，Q为电荷密度。

在步骤S005中，设置边界条件，采用第三类边界条件

其中：φ为电极电势，ρ为土壤电阻率，f(φ)为极化曲线，n为外法线方向。

在步骤S006中，使得接地装置的溶解电流为零，也就是材料在电介质溶液(土壤)中开始得到保护的平衡电位被称为最小保护电位；而使得阴极发生析氢反应的电位称之为析氢电位，在阴极保护中将其定义为最大保护电位。

在步骤S007中，确定理论公式，设置优化模型的目标函数

其中，x为阳极的位置；N为节点数；V

在步骤S007中，采用罚函数法，确定优化模型最终形式。

其中，I≥0；x≤R。

在步骤S008中，对阴极系统保护电位进行有限元计算

其中：φ为电极电势，ρ为土壤电阻率，Q为电荷密度。

还包括步骤S010：将计算优化后的材料信息，防护系统部署信息整理入库，方便相同土壤腐蚀等级下的方案调用。

本发明的基于数值算法的免维护耐腐蚀接地装置设计方法可以生成电位分布曲线，可视化地检查阴极保护设计的合理性，可以通过不断调整阳极位置来求解不同阳极位置时的接地装置电位分布，然后在多种设计方案中选择最合适的一种，最大限度地减少了设计错误。

附图说明

图1是本发明所述的接地装置与牺牲阳极在土壤中的位置关系示意图；

图2是本发明所述的接地装置的电位分布；

图3是本发明所述的粒子群算法的流程图；

图4是本发明所述的阳极配置优化图；

图5是本发明所述的牺牲阳极排布优化后的接地装置电位分布。

具体实施方式

下面通过一个具体的实施例，进一步对本发明进行说明。

S001：获取土壤理化参数；

S002：获取接地引线材料及尺寸参数；

S003：获取牺牲阳极参数；

S004：测试接地材料及阳极材料在模拟土壤环境中的极化曲线，并求出有限元法计算中用到的开路电位，交换电流密度以及阴阳极的传递系数；

S005：采用有限元法对接地装置电位分布进行计算；

S006：确定阴极保护基准电位；

S007：通过粒子群算法求得阳极配置优化图；

S008：确定好数量和位置后，再对阴极系统保护电位进行有限元计算，得到新的电位分布曲线；

S009：对比新电位分布曲线与之前的电位分布曲线，判断方案是否可行。

在步骤S001中，获取土壤理化参数，如土壤含水率、孔隙率、pH值、土壤电阻率等。得到表1所示：

表1

在步骤S002中，如图1所示，获取接地引线材料及尺寸参数。材料选择镀锌钢，具体尺寸如表2所示：

表2

在步骤S003中，如图1所示，获取牺牲阳极参数，包含材料和尺寸。阳极采用铝锌合金，具体尺寸如表3所示：

表3

在步骤S004中，测试接地材料及阳极材料在模拟土壤环境中的极化曲线，并求出有限元法计算中用到的开路电位，交换电流密度以及阴阳极的传递系数；得到结果如表4所示：

表4

在步骤S005中，

其中：φ为电极电势，ρ为土壤电阻率，Q为电荷密度。

设置边界条件，采用第三类边界条件

其中：φ为电极电势，ρ为土壤电阻率，f(φ)为极化曲线，n为外法线方向。

求解上述偏微分方程，可以得到电位曲线的分布如图2所示。

在步骤S006中：确定阴极保护基准电位。使得接地装置的溶解电流为零，也就是材料在电介质溶液(土壤)中开始得到保护的平衡电位被称为最小保护电位，为-0.85V(相对于饱和硫酸铜参比电极，CSE)；而使得阴极发生析氢反应的电位称之为析氢电位，在阴极保护中将其定义为最大保护电位，一般为-1.25V(CSE)。

在步骤S007中：设置粒子群算法。

确定理论公式，设置优化模型的目标函数

其中，x为阳极的位置；N为节点数；V

采用罚函数法，确定优化模型最终形式。

其中，I≥0；x≤R。

流程图如图3所示，具体计算步骤如下：

(1)学习因子c1，c2设置为1.5，粒子数量m设置为边界节点数1600，粒子最大速度Vmax和最小速度Vmin分别设置为5和-5，最大惯性因子Fmax和最小惯性因子Fmin设置为0.9和0.3，最大迭代次数Tmax设置为400。

(2)粒子速度v和位置x初始化。为便于迭代计算，将初始速度设置为Vmax，而粒子的初始位置设置为原点。

(3)设置迭代终止条件：迭代次数不超过Tmax。出于粒子数量的考虑，将最大迭代次数设置为400，如不能得到预期结果，则需要重新进行迭代计算。

(4)个体极值pb和全局极值gb。将粒子的初始位置x设置为pb，然后通过比较粒子适应度函数F的函数值，取适应度函数值最小的粒子位置为gb。

(5)更新粒子速度和位置。根据pb和gb计算下一代粒子的速度和位置。

(6)粒子速度和位置更新后，更新此时的个体极值pb和全局极值gb。

(7)如果迭代次数超过Tmax，停止迭代，否则返回到步骤(4)。

通过离子群算法求得阳极配置优化图，如图4所示。

在步骤S008中，确定好数量和位置后，再对阴极系统保护电位进行有限元计算

其中：φ为电极电势，ρ为土壤电阻率，Q为电荷密度。

得到新的电位分布曲线，如图5所示。

在步骤S009中，由图5与未优化前的图2进行对比分析，发现优化后沿管道长度方向的电位全部落在了-0.85V到-1.25V之间，说明这种对牺牲阳极优化的方式可以很好的满足给定的电位保护范围，优化方案可行。

在步骤S010中：根据计算结果，就可以建立基于不同土壤腐蚀等级的接地装置设计方案库，包含接地材料的选择、尺寸和埋深位置，牺牲阳极的部署等一整套设计方案，可以针对不同地区生成定制化方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。