劉 波,王樹立,楊 燕,李靖博,汪敏慧,馮旻祎

(常州大學(xué) 江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213016)

涂層孔隙率對(duì)鋼質(zhì)套管穿越段管道陰保電位影響規(guī)律的數(shù)值模擬

劉 波,王樹立,楊 燕,李靖博,汪敏慧,馮旻祎

(常州大學(xué) 江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213016)

采用COMSOL Multiphysics軟件，對(duì)管道極化電位和管地電位進(jìn)行模擬計(jì)算，從套管有涂層和無(wú)涂層的兩個(gè)方面，研究了涂層孔隙率對(duì)套管處埋地管道的陰保電位影響規(guī)律。結(jié)果表明：套管內(nèi)管道涂層質(zhì)量越差，管道所需的極化電流就越多，管道的陰保效果就越差；加涂層套管在環(huán)形空間內(nèi)的電位比無(wú)涂層套管的更正，但在地表處卻稍微偏負(fù)，所以僅僅依靠管地電位來(lái)判斷管道的極化電位是有誤差的；當(dāng)套管無(wú)涂層時(shí)，只要環(huán)形空間內(nèi)有電解質(zhì)，其對(duì)管道的極化電流無(wú)屏蔽作用，所以利用密間隔電位測(cè)量(CIPS)、直流電壓梯度法(DCVG)和交流電壓梯度法(ACVG)等地面檢測(cè)方法可以判斷出套管內(nèi)管道防腐層的質(zhì)量和陰極保護(hù)的等級(jí)狀況。

涂層孔隙率；埋地管道；陰極保護(hù)；模擬

在我國(guó)城市化急劇擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，管道與越來(lái)越多的人類公共走廊交叉穿越，按照現(xiàn)行的油氣管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范，穿越鐵路或二級(jí)及二級(jí)以上公路時(shí)，應(yīng)在套管或涵洞內(nèi)敷設(shè)穿越管段[1]。由于套管與管道之間無(wú)電解質(zhì)，所以陰極保護(hù)電流和檢測(cè)設(shè)備的發(fā)射信號(hào)無(wú)法抵達(dá)和反饋，使得該處的管道成為腐蝕的易發(fā)點(diǎn)和外腐蝕直接評(píng)價(jià)技術(shù)(ECDA)檢測(cè)的盲點(diǎn)[2]。因此，管道安全評(píng)估行業(yè)急需利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測(cè)管道的腐蝕電位，從而決定該處的陰極保護(hù)等級(jí)。COMSOL Multiphysics是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和工程計(jì)算中都有廣泛的應(yīng)用，其中在金屬電化學(xué)方面的研究頗多[3-5]。

目前，油氣管道的防腐蝕系統(tǒng)絕大多數(shù)采用陰極保護(hù)和防腐涂層聯(lián)合保護(hù)，陰保電流通過涂層材料的空隙進(jìn)入管道從而建立起陰極保護(hù)。對(duì)于套管穿越段，管道涂層采用加強(qiáng)級(jí)防護(hù)，而套管外表面是否加涂層一般視現(xiàn)場(chǎng)情況而定。管道保護(hù)電位的大小及其分布狀況與多種因素有關(guān)，其中與管道涂層質(zhì)量有著密切的關(guān)系[6-7]。涂層質(zhì)量越好，管道所需的陰保電流就越小，陽(yáng)極使用壽命就越長(zhǎng)，但是隨著管道運(yùn)行時(shí)間的推移，涂層的質(zhì)量會(huì)有所下降，此時(shí)會(huì)影響到管道陰極保護(hù)等級(jí)狀況[8-10]。本工作結(jié)合一條500 m長(zhǎng)的管道，運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)管道和套管的涂層孔隙率與管道陰保電位(極化電位)以及管地電位之間的影響規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，為套管穿越段管道保護(hù)方法與檢測(cè)技術(shù)提供參考。

1 控制方程與邊界條件

對(duì)于均一、各向同性的體系而言，所建立的幾何模型在溶液中的靜電控制方程滿足拉普拉斯方程，如式(1)所示。

式中：φi為幾何中ith域的電解質(zhì)靜電勢(shì)(幾何體中有兩個(gè)域：套管內(nèi)、外的土壤)。

管道表面的總電流(Ip)與流經(jīng)管道和電解質(zhì)界面的電流密度有關(guān)，如式(2)所示。

式中：Dp為主管道的外徑；inetpi為ith域內(nèi)流過管道與電解質(zhì)界面的凈電流密度。

管道金屬壁面沿軸向的金屬電位Ψp，遵循歐姆定律，如式(3)所示。

式中：ρFe為管道的電阻率；t為管道壁厚。

把式(3)代入式(2)中得到管道中金屬電位的控制方程，如式(4)所示。

以式(1)和式(4)為模型獲取的腐蝕電位即為所需要解決的控制方程。

根據(jù)控制方程所需的邊界條件，對(duì)模型進(jìn)行物理定義，包括管道和套管表面的電流密度、各電解質(zhì)及土壤的電阻率、陰陽(yáng)極極化斜率、與管道平行方向的地表面設(shè)置無(wú)限域等，土壤上表面和四周均采用絕緣邊界條件，二者的電流設(shè)為零，邊界條件可定義為φi=0。

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)套管處管道的埋設(shè)特點(diǎn)，利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)管道表面的電位進(jìn)行模擬。第一步，選擇三維、一次電流分布、穩(wěn)態(tài)的計(jì)算環(huán)境。第二步，利用Geometry建立分析模型，先建立套管、管道和陽(yáng)極模型，而后建立土壤環(huán)境，具體幾何參數(shù)見圖1。第三步，對(duì)模型進(jìn)行物理定義，包括管道和套管涂層孔隙率、涂層和土壤的電阻率、陽(yáng)極電位以及邊界無(wú)限域。第四步，對(duì)已生成的模型采用自由剖分四面體網(wǎng)格劃分，劃分后的模型見圖2。最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得出設(shè)定位置的結(jié)果值。

涂層的孔隙率是指整個(gè)有涂層的管道上，裸露金屬的表面積占總管段表面積的百分比，例如孔隙率為10-4相當(dāng)于1 m2的涂層表面有1 cm2的裸露面積。套管和管道涂層的孔隙率分別設(shè)為10-5，10-4，10-3，土壤和涂層的電阻分別為150Ω和1.5×10-6Ω，陽(yáng)極電位為-1.5 V，交換電流密度為0.1 mA/m2。

圖1 幾何模型示意圖(單位：m)Fig. 1 Sketch of the model geometry

圖2 管道及土壤網(wǎng)格劃分Fig. 2 Grid generation of pipeline and soil

2.2 模型驗(yàn)證

通過試驗(yàn)測(cè)套管內(nèi)管道極化電位，對(duì)此模型進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)裝置如圖3所示。管道長(zhǎng)8 m，距管道左端2 m處設(shè)有套管，套管全長(zhǎng)4 m，管道下方設(shè)有犧牲陽(yáng)極，每0.5 m有一電位測(cè)試點(diǎn)，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果如圖4。

由圖4可知，該模型模擬電位的最大誤差為0.246%，平均誤差為0.087%，在允許的范圍之內(nèi)。由于模型是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，而且本身計(jì)算過程是迭代過程，所以會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但誤差在允許范圍內(nèi)。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明采用COMSOL Multiphysics所建立的模型是可用于研究套管內(nèi)管道的電位分布。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of experimental equipment

圖4 模擬電位與實(shí)測(cè)電位對(duì)比Fig. 4 Comparison between simulated potential and measured potential

3 結(jié)果與討論

3.1 管道涂層孔隙率的影響

對(duì)埋地管道的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，通常利用參比電極在管道上方沿管道鋪設(shè)方向獲取管道極化電位，但是由于管道與土壤間存在IR降，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)并不等于真實(shí)電位。圖5為套管無(wú)涂層時(shí)，管道涂層孔隙率對(duì)管地電位的影響。結(jié)果表明，管地電位和管道極化電位有很明顯的差別，而且隨著涂層孔隙率的減小，二者差別增大。涂層孔隙率越小，管道與地表之間的電阻

圖5 管道涂層孔隙率對(duì)管地電位的影響(套管無(wú)涂層)Fig. 5 Effect of coating porosity of pipeline on pipe-to-soil potential (no coating on casing)

越大，IR降則變化越大，所以二者差別越大。雖然涂層和土壤都有一定的電阻，但可以看出，涂層孔隙率的變化是造成電位降的主要原因。

從圖5中還可以看出，管道極化電位和管地電位在套管段沒有任何變化，表明無(wú)涂層的鋼質(zhì)套管對(duì)環(huán)形空間內(nèi)管道的陰極保護(hù)沒有影響。相比土壤和涂層的電阻，金屬套管的極化電阻很小，而且被分散到整個(gè)表面，所以外部陰保電流可以通過套管流入管道，同樣對(duì)該特殊段起到保護(hù)作用。

圖6為套管無(wú)涂層時(shí)，管道涂層孔隙率對(duì)管道極化電位的影響。從圖6中可以看出，隨著管道涂層孔隙率的增大，管道極化電位越來(lái)越正，這主要是因?yàn)殡S著涂層孔隙率的增大，管道需要更多的陰保電流，但是陽(yáng)極所能提供的保護(hù)電位以及其表面積無(wú)法改變，所以管道的極化電位就朝著正方向移動(dòng)。該模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合，通常隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，其管道涂層的電阻越來(lái)越小，即孔隙率越來(lái)越大，所需的陰保電流就會(huì)增加，致使管道的極化電位達(dá)不到保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)管道涂層孔隙率由1×10-5增大到5×10-5時(shí)，管道的保護(hù)電位就正移了約100 mV，低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-850 mV，達(dá)不到陰極保護(hù)的效果。

圖6 管道涂層孔隙率對(duì)管道極化電位的影響(套管無(wú)涂層)Fig. 6 Effect of coating porosity of pipeline on polarized potential of pipeline (no coating on casing)

由圖6還可見，管道在穿越套管段時(shí)，其電位并沒有改變，同樣表明無(wú)涂層的鋼質(zhì)套管對(duì)環(huán)形空間內(nèi)管道的陰極保護(hù)電位無(wú)影響，而管道整體涂層孔隙率的變化對(duì)管道極化電位有很明顯的影響。

圖7為套管涂層孔隙率10-5時(shí)，管道涂層孔隙率對(duì)管道極化電位的影響。從圖7中可以看出，雖然套管涂層孔隙率保持不變，但隨著環(huán)形空間內(nèi)管道涂層孔隙率的不斷增大，管道的整體電位朝著正方向偏移，表明環(huán)形空間內(nèi)管道涂層的質(zhì)量不僅對(duì)其內(nèi)部電位有影響，同時(shí)也影響整個(gè)管道的極化電位。當(dāng)環(huán)形空間內(nèi)的管道無(wú)涂層或涂層孔隙率相對(duì)套管涂層更大時(shí)，外部陰保電流更容易通過此處流回管道，同時(shí)需要更大陰保電流來(lái)達(dá)到陰極保護(hù)的目的。由于外部陽(yáng)極所提供的陰保電流是一定的，所以造成該特殊段管道的陰保電位下降，大部分電流通過涂層孔隙率更大的地方流回，也致使套管外管道整體的陰保電位下降。

圖7 管道涂層孔隙率對(duì)管道極化電位的影響(套管涂層孔隙率10-5)Fig. 7 Effect of coating porosity of pipeline on polarized potential of pipeline (casing coating porosity of 10-5)

管道涂層孔隙率的改變對(duì)套管內(nèi)管道極化電位有很明顯的影響，在現(xiàn)場(chǎng)，如果環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)入水或土壤等電解質(zhì)，此時(shí)可以利用直流電壓梯度法(DCVG)、密間隔電位測(cè)量(CIPS)和交流電壓梯度法(ACVG)等地面檢測(cè)方法判斷管道涂層是否存在漏點(diǎn)和陰極保護(hù)的等級(jí)。

3.2 套管涂層孔隙率的影響

套管涂層孔隙率對(duì)管道極化電位的影響如圖8所示。由圖8可見，與套管無(wú)涂層時(shí)相比，套管有涂層時(shí)，管道在套管外的電位輕微偏負(fù)，而且隨著套管涂層孔隙率的減小，管道極化電位偏移越大，而套管內(nèi)管道極化電位更偏向正方向。外部陰保電流是通過套管流入管道的，當(dāng)套管有涂層時(shí)，限制了部分陰保電流流入管道，所以在某種程度上，可以認(rèn)為套管屏蔽了陰保電流，當(dāng)套管涂層孔隙率越小時(shí)，流入環(huán)形空間內(nèi)管道的電流就越少，該處管道的極化效果就越差，所以套管內(nèi)管道極化電位更正。

圖8 套管涂層孔隙率對(duì)管道極化電位的影響(管道涂層孔隙率為10-5)Fig. 8 Effect of coating property of casing on polarized potential of pipeline (pipeline coating property of 10-5)

圖9為套管涂層孔隙率對(duì)管地電位的影響。從圖9中可以看出，套管涂層的孔隙率越小，管地電位就越負(fù)。當(dāng)套管涂層孔隙率在10-5時(shí)，管地電位在套管處稍微偏負(fù)，但數(shù)值很小，所以在地表檢測(cè)套管內(nèi)管道極化電位時(shí)，該誤差可以忽略不計(jì)。當(dāng)套管有涂層時(shí)，管地電位在套管段基本無(wú)明顯變化，這是由于套管屏蔽了大部分從套管內(nèi)部反饋到外部的電流信號(hào)，所以才使得地表處的電位沒有明顯變化。這表明在工程檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)套管有涂層時(shí)，僅僅通過管地電位的大小變化是很難判斷出套管內(nèi)部管道的陰保狀況和腐蝕環(huán)境，需要做進(jìn)一步的調(diào)查研究。

圖9 套管涂層孔隙率對(duì)管地電位的影響(管道涂層孔隙率為10-5)Fig. 9 Effect of coating property of casing on pipe-to-soil potential (pipeline coating property of 10-5)

4 結(jié)論

(1) 利用COMSOL Multiphysics軟件建立的陰極保護(hù)模型，可以模擬研究套管內(nèi)管道的電位變化，該模型可以預(yù)測(cè)一些現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法檢測(cè)的管道極化電位，能為管道完整性評(píng)估提供參考依據(jù)。

(2) 管道涂層的質(zhì)量對(duì)管道的腐蝕防護(hù)影響很大，環(huán)形空間內(nèi)涂層質(zhì)量越差，管道得到的陰極保護(hù)就越少，陽(yáng)極損耗的陰保電流就越多，這與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況相符合，而且該種情況在套管內(nèi)尤為明顯。

(3) 加涂層套管在環(huán)形空間內(nèi)的電位比無(wú)涂層的更正，但在地表處卻稍微偏負(fù)。此情況可以說明，在不了解套管環(huán)形空間內(nèi)管道的真正極化電位時(shí)，利用管地電位來(lái)判斷管道的陰保電位是有誤差的。

(4) 計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)套管無(wú)涂層時(shí)，只要環(huán)形空間內(nèi)有電解質(zhì)，其對(duì)管道的陰保電流無(wú)屏蔽作用，所以利用CIPS、DCVG和ACVG等地面檢測(cè)方法可以判斷出套管內(nèi)管道防腐層的質(zhì)量和陰極保護(hù)的等級(jí)狀況。

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Numerical Simulation of The lnfluence Rule of Coating Porosity on Cathodic Potential of Pipeline in Steel Casing

LIU Bo, WANG Shu-li, YANG Yan, LI Jing-bo, WANG Min-hui, FENG Min-yi

(Jiangsu Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Technology, Changzhou Universtiy, Changzhou 213016, China)

Using COMSOL Multiphysics software, the influence rule of coating porosity on polarized potential of buried pipelines and pipe-to-soil potential was investigated from two aspects of casing with coating and without coating. Results show that the worse the pipeline coating quality is, the more polarization current is required, so the results of cathodic protection is more undesirable. The potential in coating casing annular space is more positive than that in uncoated casing, but more negative on ground surface, so it is inaccurate to determine the polarization potential of pipeline just rely on the pipe-to-soil potential. When the casing has no coating, there is no shield influence to polarization current of pipe as long as electrolyte is in the annular space. So CIPS, DCVG, ACVG can be used to determine the pipe coating quality and cathodic protection level.

coating porosity; buried pipe; cathodic protection; simulation

2015-00-00

江蘇省科技廳資助項(xiàng)目(BY2014037-33)

王樹立(1957-)，教授，博士，從事油氣管道腐蝕與防護(hù)研究，0519-83293890，wsl@cczu.edu.cn

10.11973/fsyfh-201612003

TE988

A

1005-748X(2016)12-0961-05