混沌地磁感应电流对埋地油气管道影响与对策研究

由空间天气引起的地磁感应电流（GIC）对管道影响及治理问题倍受关注。以往人们认为，GIC具有低频准直流特性且归属为直流杂散干扰。申请者近期研究发现：1）GIC具有低频混沌特性，暂定义为混沌GIC；2）阴极保护电源与地磁感应强度引起的PSP分布特性相矛盾；3）现有阴极保护装置安装模式不能对混沌GIC实施有效控制。可以推测：混沌GIC对管道腐蚀影响将比直流杂散电流对管道腐蚀影响更加复杂。申请者针对所发现的以上问题，在前期工作的基础上，利用混沌GIC模拟实验，本项目拟搞清：管道GIC混沌特性；揭示管道混沌GIC腐蚀的物理机制；建立混沌GIC微观现象和宏观的实际工程问题的内在联系；提出抑制或减缓混沌GIC对管道腐蚀的局部混沌控制规律和全局协调策略。研究成果，既可为研究管道防腐措施和评估管道使用寿命提供科学的理论依，又可为电力、通讯和铁路等导体的混沌GIC研究提供借鉴，可望获得高质量原创性研究结果。

埋地油气管道正在石化工业中得到更加广泛的应用。油气管道的主要故障是泄露和爆炸，但80%以上的管道故障原因与腐蚀有关，而由空间天气和输电线路等引起的地磁感应电流(GIC)对埋地油气管道的腐蚀影响及治理问题更倍受行业关注。作者认为目前存在以下三个关键问题：1)具有低频准直流特性的GIC不能简单地被归属为直流杂散干扰；2)阴极保护装置和GIC电流引起的PSP管地电位分布特性相互矛盾难以协调；3)现有阴极保护装置在管道系统中的配置模式不能对管道GIC的影响实施有效控制。. 基于GIC电流对油气管道影响的上述关键问题，本课题开展的研究内容为：1)管道GIC混沌特性；2)揭示管道GIC腐蚀的物理机制；3)建立GIC微观现象和宏观的实际工程问题的内在联系；4)提出抑制GIC对管道腐蚀的局部控制规律和全局协调策略。. 主要创新性的工作为：1)提出了基于地磁台局部观测数据的地面电场强度直接插值法和等效SCE间接插值法，可获得埋地金属管道壁任意处的电场强度估计值；2)提出了基于传输线分布源DSTL回路电流法，可计算阴极保护装置和GIC电流共同作用的埋地油气管道PSP管地电位和GIC电流分布；3)发现了埋地油气管道PSP管地电位和GIC电流具有混沌特性；4)揭示了埋地油气管道PSP管地电位和GIC电流混沌特性的物理机制；5)管道参数和环境对GIC影响规律；6)提出了基于对称电路和数字信号处理的实际管道交流腐蚀模拟技术，可在实验室内准确模拟管道的实际交流腐蚀环境；7)提出了交流腐蚀电化学数字信号处理方法；8)揭示了混沌GIC对管道腐蚀影响比直流杂散电流更加复杂；9)进行了传统直流恒电位仪抗干扰分析；10)提出抑制GIC电流对管道腐蚀影响的广义直流恒电位仪技术；11)电感电流伪连续模式下Boost变换器的分数阶建模与分析；12)提出抑制GIC电流对管道腐蚀影响的广义脉冲恒电位仪技术；13)提出了在埋地油气管道阴极保护中脉冲恒电位仪优于直流恒电位仪的机理。. 本研究成果具有原创性，既具有非常重要的理论意义又具有对我国西气东输重大埋地油气管道工程建设的实际推广应用价值。该成果具有既可为研究管道防腐措施和评估管道使用寿命提供科学的理论依据，又可为其它地基设备等导体的GIC研究提供借鉴。总之，该项成果的推广应用必将会对油气管道的安全运行带来巨大的经济效益和社会效益。