埋地油气管道地磁感应电流（GIC）的混沌特性研究.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 17 (2014) 170505 埋地油气管道地磁感应电流(GIC)的 混沌特性研究∗ 梁志珊 王鹏 胡黎花 张举丘 (中国石油大学(北京), 地球物理与信息工程学院, 北京 102249) ( 2014 年2 月21 日收到; 2014 年5 月14 日收到修改稿) 空间天气影响下的钢制油气管道会产生地磁感应电流, 地磁感应电流能够加速管道腐蚀, 干扰管道监测 装置, 危及人身安全. 为了研究管道地磁感应电流的非线性动力学特性, 首先基于线传输理论, 建立了管道地 磁感应电流模型, 并应用Melnikov 方法对模型进行分析, 揭示了地磁场与管道系统相互作用而产生混沌的机 理, 指出管道地磁感应电流具有出现混沌的可能性. 其次, 以中国西气东输一线管道中卫处6 次磁暴事件数据 为例, 依据功率谱分析法、主分量法、关联维数法、Lyapunov 指数法等多种混沌判别方法, 对计算得到的地磁 感应电流时间序列作了定量和定性的分析, 进一步验证理论分析的结果. 数学模型和实际数据两方面都表明: 在空间天气影响下, 埋地钢制管道系统内的地磁感应电流具有混沌特性, 为空间天气影响下的钢制油气管道 保护提供了理论依据. 关键词: 管道, 磁暴, 地磁感应电流, Melnikov PACS: 05.45.–a, 91.25.Wb, 93.85.Tf DOI: 10.7498/aps.63.170505 直接或间接地影响管道系统的安全. 近年来, 油气 1 引 言 管道设计寿命内事故频发已引起国内外学者对于 管道GIC 的高度重视. 太阳能风暴和地球内部磁场的相互作用使 高纬度地区的国家因受GIC 的影响较大, 所 得磁层和电离层产生变化的空间电流, 这个电流 以开始关注管道GIC 较早6 . 1952 年, Allison 等 源会扰动地面磁场, 这种现象称为地磁暴1 . 根 在加拿大管道中发现了GIC 7 . 之后, 美国阿拉 据法拉第电磁感应定律, 剧烈变化的地磁场可 斯加管道和芬兰管道也分别被监测到100A 和50A 以在埋地油气管道等长导体里产生地磁感应电 的GIC 8 . 1986 年, Boteler 等提出了一种管道G- 流2 (geomagnetically induced current, GIC). 早 9 IC 的计算方法 , Pulkkinen 等对这种方法做了进 在19 世纪, 人们就开始注意到电报线中的GIC 现 一步完善和推广10 . Campbell 等总结了几种管 象. 随着输油、输气管道的快速延长, 有关管道GIC 11 道GIC测量的方法 , Heriksen 等提出GIC 会干 的报道也逐渐增多. 12 扰管道测量, 加速管道腐蚀 . 大量文献指出GIC GIC 对管道影响很大, 如导致腐蚀电流密度增 会导致管地间的电位差处于安全范围以外, 使得 3