孫宇，常煒，楊翔堃，胡麗華，余曉毅，宋世德，黃一

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

海底管道是海洋油氣資源開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。為保障海底管道能夠安全服役，通常采取防腐涂層和犧牲陽極聯(lián)合的防腐措施[2-3]。海底管道完整性管理包括犧牲陽極的損耗情況、海底管道防護(hù)涂層的老化或損傷情況以及海管的腐蝕防護(hù)狀態(tài)檢測(cè)和評(píng)估[4]。因此，開展海底管道腐蝕防護(hù)狀態(tài)檢測(cè)方法研究具有重要的實(shí)際工程意義。

夏偉君[5]提出了基于電位梯度測(cè)量數(shù)據(jù)的非接觸式防腐狀態(tài)檢測(cè)方法，通過數(shù)值模擬仿真技術(shù)計(jì)算了一個(gè)典型的海底管道模型來得到各相關(guān)參數(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，然后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到了電位梯度與海管防腐狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。郭曉麗[6]提出了利用電位梯度獲取海底管道涂層破損的非接觸式檢測(cè)方法，通過模擬計(jì)算帶有破損涂層的管道模型來獲取涂層破損處的電位梯度，以此來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于基于電位梯度的檢測(cè)方法存在著局限性，如兩個(gè)檢測(cè)探頭之間的距離難以確定等，文中提出了基于遠(yuǎn)地參比電極電位差測(cè)量的非接觸式檢測(cè)方法。海底管道、犧牲陽極以及海水和海泥等環(huán)境介質(zhì)構(gòu)成的電池體系將在管道周圍環(huán)境區(qū)域形成電場(chǎng)分布，在離開管道較遠(yuǎn)區(qū)域或海面，電場(chǎng)梯度趨于“0”或電位趨于常數(shù)[7-8]。通過在“0”電位梯度區(qū)域放置一遠(yuǎn)參比電極對(duì)海底管道電位進(jìn)行初期標(biāo)定，然后在檢測(cè)時(shí)，記錄靠近管道的參比電極與遠(yuǎn)離管道的參比電極之間的電位差，基于該電位差和遠(yuǎn)參比電極的標(biāo)定值即可得到海底管道表面的腐蝕電位值。在該研究檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)確認(rèn)該檢測(cè)方法的有效性。

1 檢測(cè)原理

埋地管道的外腐蝕檢測(cè)技術(shù)比較豐富，如Person檢測(cè)法、短間歇電位檢查法、組合電位測(cè)試法、直流電壓梯度法等[9-13]。對(duì)于海底管道腐蝕防護(hù)狀態(tài)的檢測(cè)，由于其特殊的檢測(cè)環(huán)境，檢測(cè)技術(shù)較少，通常采用檢測(cè)管道表面保護(hù)電位的方法[14]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法使用一根“地線”，該“地線”的一端連接平臺(tái)與管道交接點(diǎn)附近，另一端連接電位計(jì)，而電位計(jì)的另一極連接一個(gè)參比電極。在實(shí)際的檢測(cè)中，使參比電極盡量靠近海底管道，但不能與海管接觸，讀取此時(shí)的電位值，并與規(guī)范所規(guī)定的臨界保護(hù)電位值進(jìn)行比對(duì)，以評(píng)估該管道當(dāng)前的腐蝕防護(hù)狀態(tài)。這種方法操作較為容易，但是對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)暮５坠艿溃摲椒ň蜁?huì)受到“地線”長(zhǎng)度的約束，且無法檢測(cè)埋深下的海底管道[15-17]?；谶h(yuǎn)地參比電極電位差測(cè)量的檢測(cè)方法是非接觸式檢測(cè)，其可以不受“地線”長(zhǎng)度的限制，檢測(cè)方便快捷。該方法檢測(cè)原理中，主要包括“遠(yuǎn)地參比電極”標(biāo)定電位和“遠(yuǎn)地參比電極”與“近地參比電極”環(huán)境電位差兩項(xiàng)電場(chǎng)參數(shù)。

“遠(yuǎn)地參比電極”與“近地參比電極”環(huán)境電位差：采用兩個(gè)參比電極及高靈敏度電位計(jì)來測(cè)量海底管道陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境電位差。在測(cè)量時(shí)，將遠(yuǎn)離管道一定距離的海水區(qū)域作為“0”電位梯度區(qū)域，并將參比電極通過懸浮裝置置于該區(qū)域中，形成電位穩(wěn)定的遠(yuǎn)地參比電極電位，而在海底，利用下潛裝置攜帶另一參比電極，使其處于海底管道形成的電位變化的區(qū)域，并沿著管道行進(jìn)，得到隨管道腐蝕防護(hù)狀態(tài)變化的近地參比電極電位。在行進(jìn)過程中，利用高靈敏度電位計(jì)來實(shí)時(shí)記錄兩個(gè)參比電極之間的環(huán)境電位差，來檢測(cè)整個(gè)海底管道周圍介質(zhì)中的電位分布。其基本公式為：

式中：ΔE環(huán)境為環(huán)境電位差；E電位計(jì)為電位計(jì)所測(cè)得的兩個(gè)參比電極之間的電位差；φ參1、φ參2為參比電極自身穩(wěn)定電位。

遠(yuǎn)地參比電極標(biāo)定電位：在檢測(cè)前或檢測(cè)中，利用近地檢測(cè)裝置上的探針與海底管道或者犧牲陽極進(jìn)行接觸，形成“地線”的效果，并利用電位計(jì)讀出管道與遠(yuǎn)地參比電極之間的電位值[16-17]。由于此時(shí)遠(yuǎn)地參比電極處于“0”電位梯度區(qū)域內(nèi)，因此可得到穩(wěn)定的管道電位值，也可稱作遠(yuǎn)地參比電極的標(biāo)定值。

結(jié)合上述兩項(xiàng)電場(chǎng)參數(shù)，則引出式（2）：

式中：φ近地為近地參比電極處的管道電位值；φ遠(yuǎn)地為遠(yuǎn)地參比電極測(cè)得的電位值（標(biāo)定值）。其中遠(yuǎn)參比電極附近電場(chǎng)梯度近似為“0”，所以在該海域中沒有其他電場(chǎng)干擾的情況下，其電位值是幾乎不變的。由此，隨著下潛裝置攜帶近地參比電極的移動(dòng)，遠(yuǎn)地參比電極與近地參比電極間的環(huán)境電位差ΔE環(huán)境會(huì)隨著管道周圍電場(chǎng)的改變而改變，進(jìn)而通過式（2）計(jì)算得出近參比電極處的管道電位值[18]。對(duì)于犧牲陽極狀態(tài)的檢測(cè)，原理也相同，即可檢測(cè)犧牲陽極發(fā)出的環(huán)境電場(chǎng)，來間接檢測(cè)犧牲陽極的狀態(tài)。

2 海底管道電位分布數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

文中采用的數(shù)值模擬軟件為筆者課題組自主研發(fā)的船舶與海洋工程防腐系統(tǒng)數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，該軟件是基于邊界元方法，且已在多項(xiàng)實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用。模擬的實(shí)際海底管道參數(shù)如下：某海底輸油管道全長(zhǎng)約為37.5 km，管道的材質(zhì)為X60 鋼，管道采用犧牲陽極的陰極保護(hù)法，輸油管道施工后全部埋于海泥中[19]。犧牲陽極的間隔為75.2 m，管徑為762 mm。犧牲陽極的材質(zhì)為鋁合金，形狀為鐲式，包裹在海管上，犧牲陽極的內(nèi)徑為0.8 m，陽極的外徑為1.2 m，沿海管長(zhǎng)度為1 m。海水、海泥的電導(dǎo)率分別為5、1.5 S/m，模擬埋深1.5 m。截取部分管長(zhǎng)，共計(jì)模擬管長(zhǎng)964.6 m，犧牲陽極13 個(gè)[20]。

2.2 數(shù)值模擬模型及工況設(shè)計(jì)

為了盡量增加計(jì)算模型的長(zhǎng)度，在模型中的海水區(qū)域使用大網(wǎng)格（8 m），其他區(qū)域使用小網(wǎng)格（1 m）。管道模型的局部展示見圖1，圖中深色部分代表海泥，淺色部分代表海水，中間白色部分是海底管道，海管位于海泥環(huán)境中，且位于泥沙面以下1.5 m 深處。

圖1 埋深管道部分模型Fig.1 Partial model of buried pipelines

該段海底管道的工況設(shè)計(jì)如下所述。

海管正常運(yùn)作時(shí)的工況：所有陽極均正常工作、只有1 個(gè)陽極失去作用、只有1/2 陽極正常工作。

處于臨界保護(hù)時(shí)的工況：所有犧牲陽極按照可以取到的最大間距來布置，根據(jù)GB/T 35988—2018《石油天然氣工業(yè)海底管道陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》這個(gè)間距取值為300 m。

海管處于欠保護(hù)狀態(tài)時(shí)的工況：只模擬中間一個(gè)陽極有效的情況。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

2.3.1 海管正常運(yùn)作時(shí)

1）所有陽極均正常工作。圖2 顯示，在犧牲陽極附近的電場(chǎng)梯度較大，在遠(yuǎn)離犧牲陽極的區(qū)域電位相差不大。圖3 顯示，從泥面附近到200 m 水面的電位差值不超過3 mV，并且離管道越遠(yuǎn)的地方，電位的分布越類似，電位梯度越小。

圖2 所有陽極均正常工作時(shí)電位分布數(shù)值模擬云圖Fig. 2 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution when all anodes are working normally

2）只有1 個(gè)陽極失去作用。圖4 顯示，犧牲陽極失效區(qū)域的電位值要低于其余區(qū)域，但海底管道整體仍能受到良好的保護(hù)。該工況下的整體電位分布規(guī)律與無陽極失效時(shí)的工況基本一致。圖5 顯示，泥面以上區(qū)域整體電位值基本一致，相差不超過3 mV，且由于中間陽極的失效，管道表面及泥面附近電位分布曲線缺失了該處的電位峰值，表明了該處犧牲陽極的失效。

3）只有1/2 陽極正常工作。該工況模擬的是兩種特殊電場(chǎng)的疊加，以觀察整體電位值是否會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。圖6 及圖7 顯示，犧牲陽極正常工作區(qū)域的電位值要平均高于犧牲陽極失效區(qū)域。從全局來看，除去泥面附近電位梯度較大，其余高度下電位值基本一致。分析原因?yàn)椋赫９ぷ鞯臓奚枠O產(chǎn)生的保護(hù)電流可以到達(dá)陽極失效的區(qū)域。

圖3 所有陽極均正常工作時(shí)電位分布數(shù)值曲線圖Fig. 3 Numerical curve diagram of potential distribution when all anodes are working normally

圖4 只有一個(gè)陽極失去作用時(shí)電位分布數(shù)值模擬云圖Fig.4 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution when only one anode fails

圖5 只有一個(gè)陽極失去作用時(shí)電位分布數(shù)值曲線Fig.5 Numerical curve diagram of potential distribution when only one anode fails

圖7 只有1/2 陽極正常工作時(shí)電位分布數(shù)值曲線Fig.7 Numerical curve of potential distribution when only half of the anodes are working

2.3.2 處于臨界保護(hù)時(shí)

圖8、圖9 顯示，距離泥面10 m 以上的水域范圍內(nèi)，海管的電位差值在5 mV 以內(nèi)。因?yàn)檎９ぷ鞯臓奚枠O數(shù)量的減少，管道整體電位值偏低，基本上在保護(hù)電位的上限900 mV 左右。海管在處于臨界保護(hù)的工況下，因?yàn)闋奚枠O的均勻分布，從而使?fàn)奚枠O產(chǎn)生的保護(hù)電流均勻分布。

從圖9 中可觀察到泥面附近的電位值明顯變大。分析原因?yàn)椋弘S著正常工作的犧牲陽極數(shù)量的減少，剩余的犧牲陽極要保護(hù)的區(qū)域大大增加，因此，剩余的犧牲陽極處釋放的電流顯著增加，從而導(dǎo)致犧牲陽極附近的電位梯度變大。由此可見，隨著犧牲陽極需要保護(hù)區(qū)域的增大，陽極附近的電位梯度也明顯變大，有效陽極的可檢測(cè)性也會(huì)顯著增加。

圖8 處于臨界保護(hù)時(shí)電位分布數(shù)值模擬云圖Fig.8 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution under critical protection

圖9 處于臨界保護(hù)時(shí)電位分布數(shù)值曲線Fig.9 Numerical curve diagram of potential distribution under critical protection

2.3.3 海管處于欠保護(hù)狀態(tài)時(shí)

圖10 單陽極有效電位分布數(shù)值模擬云圖Fig.10 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution when a single anode is working

圖11 單陽極有效電位分布數(shù)值曲線Fig.11 Numerical curve diagram of potential distribution when a single anode is working

圖10 及圖11 顯示，除陽極附近電位梯度較大，其余區(qū)域整體電位值基本保持一致。由于海管需要保護(hù)的面積過大，電位值大于保護(hù)電位的上限，犧牲陽極產(chǎn)生的電流達(dá)到最大，犧牲陽極附近電位梯度也達(dá)到最大。

3 結(jié)論

文中對(duì)非接觸式的遠(yuǎn)參比電極電位檢測(cè)法進(jìn)行了原理性闡述和實(shí)際海底管道數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證，分析了長(zhǎng)為964.6 m 的埋深海底管道在200 m 水深范圍內(nèi)的整體電位分布規(guī)律。由于目前該方法在國(guó)內(nèi)外幾乎找不到應(yīng)用案例，所以筆者課題組針對(duì)該方法完成了實(shí)驗(yàn)室的縮比模型試驗(yàn)，正在開展實(shí)海海底管道原型試驗(yàn)，以驗(yàn)證該方法的有效性和檢測(cè)精度。

結(jié)合上述工作，可得到以下結(jié)論：

1）所有工況下，標(biāo)定電位距離泥面越遠(yuǎn)，整體電位分布就越均勻，管道電位檢測(cè)也越精確。管道整體電位分布情況隨著正常工作的犧牲陽極數(shù)量和分布的變化而變化，但是從所有陽極均正常工作的工況到海管處于欠保護(hù)狀態(tài)時(shí)的工況，10 m 以上水域的電位梯度很小。同時(shí)，管道表面電位與泥面附近電位相差不大，可以使用泥面附近檢測(cè)值來代替管道表面電位。

2）有效犧牲陽極分布得越均勻，管道整體電位分布也越趨于一致。即使陽極出現(xiàn)大范圍的失效，如1/2 有效、1/2 失效的模型，整體電位分布也相差不大?？紤]到有限的模擬長(zhǎng)度，如果海管上的犧牲陽極出現(xiàn)超大范圍的失效，如千米級(jí)別的范圍，海管電位會(huì)隨著離有效犧牲陽極的距離的增大而降低，導(dǎo)致同一高度處的電位差距增大，標(biāo)定值偏離增大。若遠(yuǎn)地參比電極標(biāo)定值無法進(jìn)行重新標(biāo)定，則遠(yuǎn)參比電極電位檢測(cè)法的電位檢測(cè)精度下降。

3）管道需要被保護(hù)面積的增加，使得犧牲陽極釋放電流增加，陽極附近電位梯度增加，犧牲陽極狀態(tài)的可檢測(cè)性增加，即可檢測(cè)到該位置處的犧牲陽極是否有效。