本发明涉及一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，属于管道防腐技术领域，包括：建立隧道内管道支撑钢构连接件和牺牲阳极的三维几何模型；对所述三维几何模型进行网格划分，确定离散的小单元；利用边界元法进行阴极保护电位数值求解；根据所求解的管道支撑钢构连接件各部位阴极保护电位评估管道支撑钢构连接件的阴极保护效果。本发明实现了隧道内管卡、螺栓等支撑钢构连接件阴极保护电位分布的预测，解决了隧道内复杂金属构筑物阴极保护效果评估问题；通过优化阴极保护用牺牲阳极的布置，使阴极保护电流得到更合理的分配。
1.一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定保护对象的结构、尺寸及环境工况，初步确定牺牲阳极的类型、尺寸、数量和安装位置；
步骤2，通过现场或实验室测试管道支撑钢构连接件及牺牲阳极的电位与电流密度关系，作为边界元计算时的边界条件；
步骤3，根据隧道内管道支撑钢构连接件实际结构、尺寸和牺牲阳极的尺寸、数量、布置位置建立三维几何模型，所述三维几何模型包括支撑钢构连接件和牺牲阳极；
步骤4，对所述三维几何模型进行网格划分，将三维几何模型离散成若干个小单元；
步骤5，根据Laplace方程建立所述三维几何模型的阴极保护电位分布数学模型；采用边界元法，将边界上的积分方程转化为线性方程组，在步骤2所得的边界条件下，对所述阴极保护电位分布数学模型进行求解，获得支撑钢构连接件各单元的阴极保护电位及牺牲阳极的输出电流；
步骤6，判断步骤5中所得出的支撑钢构连接件所有部位的阴极保护电位分布是否达标，若达标，则完成阴极保护电位评估，进行步骤8；若未达标，则继续步骤7；
步骤7，调整三维几何模型中牺牲阳极的布置，重复步骤3至步骤5，直至支撑钢构连接件所有部位的阴极保护电位分布达标；
步骤8，根据步骤5得到的牺牲阳极的输出电流和牺牲阳极消耗率，计算牺牲阳极的工作寿命，若满足阴极保护系统的设计寿命，则完成隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果评估；若未满足，则继续步骤7，直至牺牲阳极的工作寿命满足阴极保护系统的设计寿命。
2.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，步骤1中所述保护对象为隧道内管道支撑钢构连接件，包括管卡和螺栓，所述管卡卡在管道外部，所述管卡的两端通过螺栓连接，所述螺栓包括螺杆和螺母。
3.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，所述牺牲阳极位于保护对象周边，且与所述保护对象无直接接触。
4.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，步骤4中对所述三维几何模型进行网格划分时，保证支撑钢构连接件非规则表面单元的规整性，整体网格分布均匀。
5.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，步骤5中所述阴极保护电位分布数学模型如下：式中：
V‑计算求解的电解质区域，φ‑求解区域内各处的电位，x、y、z‑空间坐标；
ΓA‑包围牺牲阳极体的电解质边界，φa‑牺牲阳极体电位，Δφa/s‑牺牲阳极对电解质电位；
ΓC‑包围阴极体的电解质边界，φc‑阴极体电位，σc‑阴极附近电解质的电导率；
6.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，步骤7中调整三维几何模型中牺牲阳极的数量和安装位置方法如下：(1)调整牺牲阳极的安装位置，包括：减小牺牲阳极与支撑钢构连接件之间的距离；调整牺牲阳极的分布，使其更均匀的布置在支撑钢构连接件周围；
7.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，支撑钢构连接件的所有部位的阴极保护电位分布达标为：支撑钢构连接件的所有部位的阴极保护电位均负于‑0.85V。
8.根据权利要求1所述的评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，其特征在于，步骤8中所述牺牲阳极的工作寿命根据以下公式计算：式中：
一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，属于管道防腐技术领域。
背景技术
[0002] 为了避免穿越江河的地下充水管道应力失稳或漂浮，保证隧道内管道的安全平稳运行，隧道内的管道在敷设过程中需辅以支撑、锚固或连接措施。隧道内管道的支撑锚固钢构连接件主要包括支墩、支撑钢板、锚固管卡和连接螺栓等紧固件。管道的支撑锚固钢构连接件的安全有效是保证隧道内管道安全运营的最基本条件，直接影响到管道系统的安全可靠性，在管道的施工和运行中起着至关重要的作用。
[0003] 隧道内管道的锚固管卡和螺栓等支撑钢构连接件，长期处于高温、高湿的腐蚀环境中，在多条隧道检修过程中，发现螺栓与锚固管卡连接部位存在严重的腐蚀，一旦螺栓腐蚀断裂，管道将失稳或漂浮，可能会引起严重的安全事故，因此，需要对隧道内支撑锚固钢构连接件进行腐蚀防护。
[0004] 目前通常采用普通碳钢构件加防腐措施或者直接采用不锈钢的构件，普通碳钢构件的防腐措施主要有涂漆或镀锌处理，但在检修过程中仍发现管卡及螺栓腐蚀严重。为了解决腐蚀问题，常在采取防腐措施的同时增加牺牲阳极进行阴极保护。牺牲阳极材料可选用镁阳极、锌阳极等。
[0005] 目前管卡和螺栓等支撑锚固钢构连接件常采用普通碳钢构件加防腐措施或者直接采用不锈钢的钢构件。对于不锈钢构件，由于管道的混凝土支墩中采用的是普通碳钢钢筋，不锈钢构件与碳钢钢筋连接，两者存在电位差，会引起电偶腐蚀，将大大加速碳钢钢筋的腐蚀。对于普通碳钢构件加防腐措施的方案，由于管卡及螺栓的结构复杂，且螺栓与管卡之间非无缝密封，普通的防腐措施不能有效的阻断水份和空气，螺栓与管卡连接部位依然存在严重的腐蚀。
[0006] 目前通常对管卡和螺栓等支撑钢构连接件采取防腐措施的同时增加牺牲阳极进行保护。根据国标《埋地钢质管道阴极保护技术规范》(GB/T21448‑2017)表1，碳钢在土壤、水中的保护电位应负于‑0.85V。当对普通碳钢的管卡和螺栓等支撑钢构连接件采取牺牲阳极进行阴极保护时，需要满足其阴极保护电位满足保护电位负于‑0.85V的要求。
[0007] 但是管卡和螺栓等支撑钢构连接件属于非规则钢构件，螺栓与管卡之间的接触电阻较大，存在电流屏蔽效应，造成螺栓与管卡接触面表面电流分布不均匀，螺栓发生腐蚀。由于腐蚀位于螺栓与管卡之间，属于缝隙腐蚀，无法人为对其阴极保护效果进行测试并评估阴极保护的有效性。
发明内容
[0008] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，主要解决对管卡和螺栓等支撑钢构连接件施加牺牲阳极保护后的各个部位的阴极保护效果的评估问题，保证管卡和螺栓等支撑钢构连接件所有部位均达到阴极保护准则的要求，防止腐蚀的发生，同时保证阴极保护措施中牺牲阳极的合理布置。
[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0010] 一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1，确定保护对象的结构、尺寸及环境工况，初步确定牺牲阳极的类型、数量和安装位置；
[0012] 步骤2，通过现场或实验室测试管道支撑钢构连接件及牺牲阳极的极化电位与电流密度关系，即管道支撑钢构连接件及牺牲阳极的极化数据，作为边界元计算时的边界条件；
[0013] 步骤3，根据隧道内管道支撑钢构连接件实际结构、尺寸和牺牲阳极的尺寸、数量、布置位置建立三维几何模型，所述三维几何模型包括支撑钢构连接件和牺牲阳极；
[0014] 步骤4，对所述三维几何模型进行网格划分，将三维几何模型离散成若干个小单元；
[0015] 步骤5，根据Laplace方程建立所述三维几何模型的阴极保护电位分布数学模型；采用边界元法，将边界上的积分方程转化为线性方程组，在步骤2所得的边界条件下，对所述阴极保护电位分布数学模型进行求解，获得支撑钢构连接件各单元的阴极保护电位及牺牲阳极的输出电流；
[0016] 步骤6，判断步骤5中所得出的支撑钢构连接件所有部位的阴极保护电位分布是否达标，若达标，则完成阴极保护电位评估，进行步骤8；若未达标，则继续步骤7；
[0017] 步骤7，调整三维几何模型中牺牲阳极的布置，重复步骤3至步骤5，直至支撑钢构连接件所有部位的阴极保护电位分布达标；
[0018] 步骤8，根据步骤5得到的牺牲阳极的输出电流和牺牲阳极消耗率，计算牺牲阳极的工作寿命，若满足阴极保护系统的设计寿命，则完成隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果评估；若未满足，则继续步骤7，直至牺牲阳极的工作寿命满足阴极保护系统的设计寿命。
[0019] 进一步的，步骤1中所述保护对象为隧道内管道支撑钢构连接件，包括管卡和螺栓，所述管卡卡在管道外部，所述管卡的两端通过螺栓连接，所述螺栓包括螺杆和螺母。
[0020] 进一步的，所述牺牲阳极位于保护对象周边，且与所述保护对象无直接接触。
[0021] 进一步的，步骤4中对所述三维几何模型进行网格划分时，保证支撑钢构连接件非规则表面单元的规整性，整体网格分布均匀。
[0022] 进一步的，步骤5中所述阴极保护电位分布数学模型如下：
[0023]
[0024] 式中：
[0025] V‑计算求解的电解质区域，φ‑求解区域内各处的电位，x、y、z‑空间坐标；
[0026] ΓA‑包围牺牲阳极体的电解质边界，φa‑牺牲阳极体电位，Δφa/s‑牺牲阳极对电解质电位，即通常所说的阳极极化电位；
[0027] ΓC‑包围阴极体的电解质边界，φc‑阴极体电位，σc‑阴极附近电解质的电导率；
[0028] ΓI‑电解质绝缘边界；
[0029] n‑单元表面的法向向量。
[0030] 进一步的，步骤7中调整三维几何模型中牺牲阳极的数量和安装位置方法如下：
[0031] (1)调整牺牲阳极的安装位置，包括：减小牺牲阳极与支撑钢构连接件之间的距离；调整牺牲阳极的分布，使其更均匀的布置在支撑钢构连接件周围；
[0032] (2)增加牺牲阳极的数量。
[0033] 进一步的，支撑钢构连接件的所有部位的阴极保护电位分布达标为：支撑钢构连接件的所有部位的阴极保护电位均负于‑0.85V。
[0034] 进一步的，步骤8中所述牺牲阳极的工作寿命根据以下公式计算：
[0035]
[0036] 式中：
[0037] T‑牺牲阳极工作寿命，a；
[0038] W‑牺牲阳极的重量，kg；
[0039] ω‑牺牲阳极消耗率，kg/A·a；
[0040] I‑牺牲阳极平均输出电流，A。
[0041] 本发明的有益效果为：
[0042] 本发明所述方法采用数值模拟求解的方式，评估了隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护的效果。该方法实现了隧道内管卡、螺栓等支撑钢构连接件阴极保护电位分布的预测，解决了隧道内复杂金属构筑物阴极保护效果评估问题；通过优化阴极保护用牺牲阳极的布置，使阴极保护电流得到更合理的分配，方法保证了隧道内复杂金属构筑物阴极保护的有效实施；预测了支撑钢构连接件阴极保护系统的寿命；优化了隧道检修频次，降低了管道的运营成本。
附图说明
[0043] 图1a为三维几何模型的立体示意图；
[0044] 图1b为三维几何模型的正视图；
[0045] 图1c为三维几何模型的俯视图；
[0046] 图2为网格划分后的三维几何模型立体图；
[0047] 其中，1‑管卡，2‑螺杆，3‑螺母，4‑牺牲阳极。
具体实施方式
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049] 一种评估隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果的方法，包括以下步骤：
[0050] 步骤1，确定保护对象的结构、尺寸及环境工况，初步确定牺牲阳极的类型、尺寸、数量和安装位置。
[0051] 其中，所述保护对象为隧道内管道支撑钢构连接件，包括管卡和螺栓，所述管卡卡在管道外部，所述管卡的两端通过若干个螺栓固定连接，所述螺栓包括螺杆和螺母，所述管卡与管道间设有绝缘装置。所述牺牲阳极位于保护对象周边，且与所述保护对象无直接接触。
[0052] 步骤2，通过现场或实验室测试管道支撑钢构连接件及牺牲阳极的电位与电流密度关系，即管道支撑钢构连接件及牺牲阳极的极化数据，作为步骤5边界元计算时的边界条件，边界条件是边界上的边界积分方程有确定解的前提；
[0053] 步骤3，如图1a～图1c所示，根据隧道内管道支撑钢构连接件实际结构、尺寸和牺牲阳极的尺寸、数量、布置位置建立三维几何模型，所述三维几何模型包括支撑钢构连接件和牺牲阳极，采用面的法线方向定义介质范围。
[0054] 步骤4，对所述三维几何模型进行网格划分，如图2所示，将三维几何模型离散成若干个小单元；对所述三维几何模型进行网格划分时，保证支撑钢构连接件非规则表面单元的规整性，整体网格分布均匀。网格划分的目的是将边界上的积分方程转化为线性方程组，以求得各个小单元上的数值解。
[0055] 步骤5，根据Laplace方程建立所述三维几何模型的阴极保护电位分布数学模型。在步骤2所得的边界条件下，采用边界元法，将边界上的积分方程转化为线性方程组，在步骤2所得的边界条件下，对所述阴极保护电位分布数学模型进行求解，获得支撑钢构连接件各单元的阴极保护电位及牺牲阳极的输出电流。
[0056] 所述阴极保护电位分布数学模型如下：
[0057]
[0058] 式中：
[0059] V‑计算求解的电解质区域，φ‑求解区域内各处的电位，x、y、z‑空间坐标；
[0060] ΓA‑包围辅助阳极体的电解质边界，φa‑牺牲阳极体电位，Δφa/s‑牺牲阳极对电解质电位，即通常所说的阳极极化电位；ΓC‑包围阴极体的电解质边界，φc‑阴极体电位，σc‑阴极附近电解质的电导率；
[0061] ΓI‑电解质绝缘边界；
[0062] n‑单元表面的法向向量。
[0063] 边界元法，其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。利用边界元法对管道支撑钢构连接件进行阴极保护电位数值求解方法如下：
[0064] Laplace方程：
[0065] ▽2φ＝0
[0066] 加权余量法或格林公式得到边界积分方程：
[0067] Ciui+∫Γq*udΓ＝∫Γqu*dΓ
[0068] 边界积分方程离散化：
[0069]
[0070] 其中，uj表示各支撑钢构连接件各单元的电位，qj表示各支撑钢构连接件各单元的电位沿法向向量的导数，与电流密度有关。
[0071] 该方程为离散后的代数方程组，用矩阵形式写为：HU＝GQ，式中[0072]
[0073] U＝[u1,u2,...un]T，Q＝[q1,q2,...qn]T
[0074] U和Q中各有n个元素。由定解问题的定解条件知，在2n个元素中应有n个已知，n个未知。将n个未知元素组成矢量X，得到新的代数方程组：
[0075] AX＝F
[0076] 解此方程组，求出X，于是全部边界上的uj,qj(j＝1,2,…n)就得到了。
[0077] 步骤6，判断步骤5中所得出的支撑钢构连接件所有部位的阴极保护电位分布是否达标，即支撑钢构连接件的所有部位的阴极保护电位均负于‑0.85V。若达标，则完成阴极保护电位评估，进行步骤8；若未达标，则继续步骤7；
[0078] 步骤7，调整三维几何模型中牺牲阳极的布置，重复步骤3至步骤5，直至支撑钢构连接件的所有部位的阴极保护电位分布达标。其中调整三维几何模型中牺牲阳极的数量和安装位置方法如下：
[0079] (1)调整牺牲阳极的安装位置，包括：减小牺牲阳极与支撑钢构连接件之间的距离；调整牺牲阳极的分布，使其更均匀的布置在支撑钢构连接件周围；
[0080] (2)增加牺牲阳极的数量。
[0081] 步骤8，根据步骤5得到的牺牲阳极的输出电流和牺牲阳极消耗率，计算牺牲阳极的工作寿命，若满足阴极保护系统的设计寿命，则完成隧道内管道支撑钢构连接件阴极保护效果评估；若未满足，则继续步骤7，直至牺牲阳极的工作寿命满足阴极保护系统的设计寿命。
[0082] 所述牺牲阳极的工作寿命根据以下公式计算：
[0083]
[0084] 式中：
[0085] T‑牺牲阳极工作寿命，a；
[0086] W‑牺牲阳极的重量，kg；
[0087] ω‑牺牲阳极消耗率，kg/A·a；
[0088] I‑牺牲阳极平均输出电流，A。
[0089] 本发明提供了一种评估隧道内管道支撑钢构连接件等复杂构筑物阴极保护效果的方法，该方法可以有效的评估江河穿越充水隧道内管道支撑锚固钢构连接件阴极保护效果并预测阴极保护系统的寿命。通过优化阴极保护用牺牲阳极的布置，使阴极保护电流得到更合理的分配，确保了管道支撑锚固钢构连接件的寿命，降低了管道的运营成本。
[0090] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
