李 寧,李 妍,李洪福,廖 臻,呂祥鴻,王 晨,劉艷明,張?chǎng)析?鄭文龍

(1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065; 2.中國(guó)石油 新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司,新疆 克拉瑪依 831100)

引 言

長(zhǎng)輸管道是油氣運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)施,其安全運(yùn)行是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要保障[1-2]。目前,服役的長(zhǎng)輸管道大多以鋼材為主,易與土壤中的微生物、水分及可溶性鹽發(fā)生電化學(xué)腐蝕,影響管道的安全運(yùn)行與服役壽命,因此長(zhǎng)輸管道的腐蝕防護(hù)非常重要[3-6]。在現(xiàn)役長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)措施中,最常用的手段是外加電流保護(hù)法[7-9],雖然該方法優(yōu)勢(shì)明顯,但也存在顯著不足。當(dāng)兩個(gè)外加電流防腐站之間距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí),可能導(dǎo)致長(zhǎng)輸管道某些特殊位置欠保護(hù),通常的解決辦法是提高兩端防腐站的端電壓,使其輸出更大電流對(duì)欠保護(hù)管段施加防護(hù),但該方法也存在一系列問(wèn)題:一方面,提高防腐站的端電壓,可能造成靠近防腐站處的管道過(guò)保護(hù),加速管道防腐層的快速剝離;另一方面,提高防腐站的端電壓會(huì)增加能耗,增加油田公司的經(jīng)濟(jì)成本。為解決這一問(wèn)題,在不改變兩端防腐站端電壓的前提下,在長(zhǎng)輸管道的欠保護(hù)區(qū)域埋設(shè)合適的犧牲陽(yáng)極以提供管道所需的保護(hù)電流,可以避免對(duì)長(zhǎng)輸管道造成的過(guò)保護(hù)以及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

埋設(shè)犧牲陽(yáng)極是短距離欠保護(hù)管道的有效輔助保護(hù)方案[10-13],具體的防護(hù)效果、保護(hù)距離受多種因素影響,比如管道運(yùn)行環(huán)境中的土壤電阻率、涂層破損率以及周?chē)艿赖倪\(yùn)行情況。但管道在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中服役環(huán)境復(fù)雜、涂層破損率難以測(cè)得,使得上述因素對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律及犧牲陽(yáng)極保護(hù)措施的適用條件尚不明確。近些年,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元仿真模擬的不斷發(fā)展,采用有限元分析工具計(jì)算長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)電位進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的管道防護(hù)已日趨成熟[14-16],如侯靜等[17]基于邊界元開(kāi)展管道的陰極保護(hù)仿真計(jì)算,獲得了涂層破損率、海水流速和海水電導(dǎo)率對(duì)管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響;席光蘭等[18]通過(guò)有限元法模擬沉船在海水中的保護(hù)效果,獲得了不同數(shù)量犧牲陽(yáng)極時(shí)基體的陰極保護(hù)電位。

因此,本文以新疆油田某埋地管道部分欠保護(hù)管段為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬軟件建立長(zhǎng)輸管道和犧牲陽(yáng)極的仿真模型,對(duì)存在不同涂層破損率、土壤電阻率和并行管道工況下的目標(biāo)管道電位進(jìn)行模擬計(jì)算,探討以上因素對(duì)犧牲陽(yáng)極保護(hù)效果的影響規(guī)律,明確在長(zhǎng)輸管道保護(hù)中犧牲陽(yáng)極輔助陰極保護(hù)方法的適用條件,為長(zhǎng)輸管道犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),并用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)管道防護(hù)。

1 研究方案

1.1 仿真原理

本文所研究的電解質(zhì)區(qū)域?yàn)榉€(wěn)態(tài)電場(chǎng),滿足歐姆定律[14,16,18],即

i=-σ?φ。

(1)

式中:i為電流密度,A/m2;σ為土壤電導(dǎo)率,S/m;φ為電位,V。

根據(jù)能量守恒定律,任意一個(gè)微元體中任何時(shí)刻電量Q的變化量為:

(2)

式中:Q為電量,C;σ為土壤電導(dǎo)率,S/m;φ為電位,V。

當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí),任意微元體中Q=0,即σ?2φ=0。

上述控制方程是一個(gè)典型的偏微分方程,即陰保過(guò)程滿足Laplace方程,從數(shù)學(xué)的角度講,Laplace方程的解有很多,要得到定解,必須對(duì)其研究區(qū)域進(jìn)行限制并確定相應(yīng)的邊界條件。陰極保護(hù)系統(tǒng)是由陽(yáng)極、陰極和絕緣面組成。在陰極保護(hù)的數(shù)值模擬中,邊界條件一般可分為以下3類(lèi):

(1)第一類(lèi)邊界條件:認(rèn)為邊界電位已知,陽(yáng)極電位為恒定值,即φ0,對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)中無(wú)窮遠(yuǎn)處土壤界面電位定義為0,恒電位儀輸出電位恒定,即

φ0=φ。

(3)

(2)第二類(lèi)邊界條件:認(rèn)為邊界電流密度已知,陽(yáng)極輸出為固定的電位梯度值,對(duì)于陰極保護(hù)系統(tǒng)中無(wú)窮遠(yuǎn)處土壤界面電流密度定義為0,恒電位儀輸出電流密度恒定,即

(4)

(3)第三類(lèi)邊界條件:認(rèn)為邊界處電位與電流密度成函數(shù)關(guān)系,且陰極保護(hù)系統(tǒng)中陰極極化曲線已知。

1.2 模型建立

以新疆油田某埋地管道部分欠保護(hù)管段為研究對(duì)象,利用有限元建模軟件建立管道犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)幾何模型。如圖 1所示,長(zhǎng)方體表示土壤域,圓柱體表示直徑0.377 m 、長(zhǎng)度8 000 m 的目標(biāo)管道,短直線表示水平埋設(shè)于管道長(zhǎng)度方向4 000 m 處的犧牲陽(yáng)極,管道兩側(cè)各4支,每支間距1 m,設(shè)置犧牲陽(yáng)極和目標(biāo)管道的間距為3 m,模型圖如圖1(a)所示。在現(xiàn)場(chǎng)工況中,距離目標(biāo)管道左右兩側(cè)約6 m 處各有1條管線,為其并行管道,并行管道直徑分別為0.610 m 和0.273 m,其余條件不變,建立如圖1(b)所示模型。

圖1 管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)幾何模型示意圖 Fig.1 Schematic diagrams of geometric models for cathodic protection of pipeline by sacrificing anode

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)于8 000 m 的管道而言,其管道橫截面的電位變化遠(yuǎn)小于縱向電位變化,因此可假設(shè)管道橫截面處電位變化為0[19],重點(diǎn)研究管道的軸向電位分布。由于管道較長(zhǎng),并且4 000 m 處排布了以8條線單元表示的犧牲陽(yáng)極,增加了系統(tǒng)網(wǎng)格劃分的難度。因此,建立幾何模型時(shí),采用體單元離散對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,即每個(gè)體單元代表一段管道。同時(shí)在線單元附近建立兩個(gè)工作平面(工作平面1和工作平面2),將整個(gè)幾何模型進(jìn)行分割,形成3塊獨(dú)立的分割域(域1、域2、域3),對(duì)域2采用自由四面體網(wǎng)格劃分,域1以工作平面1為基準(zhǔn)進(jìn)行掃掠,域3以工作平面2為基準(zhǔn)進(jìn)行掃掠,該劃分網(wǎng)格的方法既可以加快網(wǎng)格劃分速度,又可以減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目,同時(shí)降低網(wǎng)格劃分的出錯(cuò)率,具體網(wǎng)格劃分如圖2所示(插圖為犧牲陽(yáng)極部位網(wǎng)格劃分示意圖)。

圖2 埋地管道網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram for meshing of buried pipeline

1.4 邊界條件

設(shè)置目標(biāo)管道的涂層破損率分別為0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%,土壤電阻率分別為0.942 Ω·m 、8.51 Ω·m 、29.20 Ω·m 、50 Ω·m、100 Ω·m。所選土壤電阻率分別為研究區(qū)域最小土壤電阻率、平均土壤電阻率、最大土壤電阻率及鎂合金犧牲陽(yáng)極適用的最大土壤電阻率。由于現(xiàn)場(chǎng)并行管道防腐層破損嚴(yán)重,因此建模時(shí)將其定義為導(dǎo)電率較高的導(dǎo)體。

在本文的研究體系中,電解質(zhì)區(qū)域?yàn)榉€(wěn)態(tài)電場(chǎng),陰極保護(hù)系統(tǒng)滿足第三類(lèi)邊界條件[20],即認(rèn)為邊界處電位與電流密度成函數(shù)關(guān)系,且陰極保護(hù)系統(tǒng)中陰極極化曲線已知。本文采用三電極電化學(xué)方法獲得極化曲線,電化學(xué)工作站型號(hào)為CS310H,測(cè)試軟件為CS Studio5,使用自腐蝕電位為-0.697 V (vs CSE) 的20#鋼片作為工作電極,飽和Cu/CuSO4電極作為參比電極,鉑金片作為輔助電極,溶液為模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溶液,極化曲線的掃描速率為10 mV/min。獲得20#鋼片裸金屬的極化曲線后,將其電位保持不變,電流密度乘以涂層破損率得到不同涂層破損率下電極試樣的極化曲線。圖3(橫軸為電流的對(duì)數(shù)值)為不同涂層破損率下試樣的極化曲線,以此作為長(zhǎng)輸管道極化的邊界條件?，F(xiàn)場(chǎng)選用鎂合金犧牲陽(yáng)極,根據(jù)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]和GB/T17731—2015《鎂合金犧牲陽(yáng)極》[22]測(cè)試AZ63B型鎂合金犧牲陽(yáng)極的主要成分(表1),從表中可以看出鎂合金犧牲陽(yáng)極的成分滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。圖4為在模擬現(xiàn)場(chǎng)土壤溶液環(huán)境中測(cè)得的AZ63B型鎂合金犧牲陽(yáng)極的極化曲線陽(yáng)極部分,文中取-1.56 V 作為犧牲陽(yáng)極邊界條件。

圖3 不同涂層破損率下20#鋼的極化曲線 Fig.3 Polarization curves of 20# steel pipelines with different coating damage ratio

表1 鎂合金犧牲陽(yáng)極化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of sacrificed anode of magnesium alloy

圖4 AZ63B型鎂合金犧牲陽(yáng)極的極化曲線Fig.4 Polarization curve of sacrificed anode of AZ63B magnesium alloy

2 輔助犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果影響因素分析

2.1 涂層破損率對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響

圖5為當(dāng)土壤電阻率為8.51 Ω·m 時(shí),不同涂層破損率下的長(zhǎng)輸管道表面電位分布及保護(hù)距離。有效保護(hù)電位范圍是根據(jù)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]中的埋地管道陰極保護(hù)電位應(yīng)為-0.85 VCSE或更負(fù)取得。由圖可見(jiàn),靠近犧牲陽(yáng)極處的管道表面保護(hù)電位最負(fù),離陽(yáng)極越遠(yuǎn),管道的極化程度越弱,電位也逐漸正向偏移。在涂層破損率為 0.05%的工況條件下,埋設(shè)犧牲陽(yáng)極處(即4 000 m處)管道的保護(hù)電位最負(fù),約-1.540 VCSE,有效保護(hù)距離最長(zhǎng),約為1 503 m,這是因?yàn)樵撈茡p率涂層基本上接近于無(wú)缺陷狀態(tài),因此保護(hù)距離較大;當(dāng)涂層破損率從0.1%增加到0.5%時(shí),電位衰減較為嚴(yán)重;隨著涂層破損率從0.05%增大到10%,埋設(shè)犧牲陽(yáng)極處的管道陰極保護(hù)電位減小了0.158 V,有效保護(hù)距離也縮短至110 m。綜上可知,當(dāng)管道涂層出現(xiàn)破損后,涂層破損處失去了對(duì)管道的物理保護(hù)作用,使金屬管道直接暴露于土壤環(huán)境中,需要較大的極化電流才能使其極化到陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求,即隨著涂層破損率增大,管道所需的保護(hù)電流增大,犧牲陽(yáng)極工作電位逐漸正移,使其對(duì)管道的保護(hù)距離縮短。因此,犧牲陽(yáng)極輔助陰極保護(hù)措施在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)考慮涂層破損率帶來(lái)的不同保護(hù)效果。當(dāng)長(zhǎng)輸管道涂層破損率超過(guò)5%時(shí),犧牲陽(yáng)極輔助陰極保護(hù)方法效果不佳,應(yīng)適時(shí)考慮其他陰極保護(hù)方式或者修補(bǔ)、更換防腐層。

圖5 不同涂層破損率下目標(biāo)管道的表面電位分布和有效保護(hù)距離Fig.5 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines with different coating damage ratio

2.2 土壤電阻率對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響

通過(guò)在仿真軟件中設(shè)置不同的土壤電阻率,模擬相應(yīng)工況和環(huán)境下的模型進(jìn)行計(jì)算,探析土壤電阻率對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響規(guī)律。如圖6所示,固定涂層破損率為0.5%,隨著土壤電阻率從0.942 Ω·m 增大到100 Ω·m 時(shí),埋設(shè)犧牲陽(yáng)極處(即4 000 m處)管道的陰極保護(hù)電位減小了0.147 V。這是因?yàn)殡S著土壤電阻率的增大,腐蝕介質(zhì)電導(dǎo)率逐漸減小,導(dǎo)致電流流動(dòng)的阻力增大,管道表面的陰極保護(hù)電位也隨之正移。同時(shí),管道的有效保護(hù)距離從1 413 m 縮短至123 m,當(dāng)土壤電阻率超過(guò)29.2 Ω·m 時(shí),有效保護(hù)距離急劇縮短。盡管GB/T21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鎂合金犧牲陽(yáng)極適用的土壤電阻率范圍作出明確規(guī)定(其適用的土壤電阻率為50～100 Ω·m)[21],但上述研究結(jié)果說(shuō)明,對(duì)于長(zhǎng)輸管道,當(dāng)土壤電阻率超過(guò)29.2 Ω·m(約30 Ω·m)時(shí),犧牲陽(yáng)極輔助陰極保護(hù)效果不佳,應(yīng)適時(shí)考慮在長(zhǎng)輸管道欠保護(hù)部位添置外加電流防腐站的方法,以保證管道的安全運(yùn)行。因此,在使用輔助犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)措施下,必須考慮土壤電阻率對(duì)防護(hù)效果的影響,否則盲目施加犧牲陽(yáng)極保護(hù)措施有可能造成管線保護(hù)不足或不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

圖6 不同土壤電阻率時(shí)目標(biāo)管道的表面電位分布和有效保護(hù)距離Fig.6 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines under different soil resistivity

2.3 并行管道對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響

2.3.1 涂層破損率對(duì)存在并行管道時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響

圖7所示為存在并行管道情況下,當(dāng)土壤電阻率為8.51 Ω·m,并行管道相距6 m,目標(biāo)管道不同涂層破損率條件下,采用犧牲陽(yáng)極方法進(jìn)行陰極保護(hù)的管道陰極保護(hù)電位及有效保護(hù)距離。由圖可見(jiàn),在埋設(shè)犧牲陽(yáng)極處的管道陰極保護(hù)電位最負(fù),離陽(yáng)極越遠(yuǎn),電位逐漸正向偏移。值得注意的是,當(dāng)管道涂層破損率分別為0.05%和0.1%時(shí),雖然電位也逐漸向正向偏移,但是整條管道都在有效保護(hù)范圍之內(nèi)。隨著涂層破損率從0.5%增大到10%,犧牲陽(yáng)極對(duì)整條管道的陰極保護(hù)距離縮短,保護(hù)效果降低。

圖7 存在并行管道時(shí)不同涂層破損率下目標(biāo)管道的表面電位分布和有效保護(hù)距離Fig.7 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines with different coating damage ratio in the presence of parallel pipelines

對(duì)比圖7和圖5可知,在目標(biāo)管道涂層破損率較小(≤1%)的情況下,當(dāng)存在防腐層質(zhì)量不好的并行管道時(shí),在同等涂層破損率條件下目標(biāo)管道的陰極保護(hù)距離明顯變長(zhǎng),說(shuō)明并行管道的存在對(duì)管道保護(hù)距離有著重要影響。這是由于當(dāng)存在涂層質(zhì)量不高的并行管道時(shí),犧牲陽(yáng)極產(chǎn)生的電流可由并行管道上的某一防腐層破損點(diǎn)(圖8黃色部位)流入管道,通過(guò)管道傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)處,再?gòu)牧硪惶幤茡p點(diǎn)流出。在這種情況下,電流優(yōu)先在低電阻率的管道中傳導(dǎo),使并行管道承擔(dān)了輸送保護(hù)電流的作用,導(dǎo)致保護(hù)距離增加。當(dāng)目標(biāo)管道的涂層破損率為5%和10%時(shí),存在并行管道時(shí)的犧牲陽(yáng)極保護(hù)距離有所減少。

圖8 存在涂層質(zhì)量不好的并行管道時(shí)目標(biāo)管道處犧牲陽(yáng)極的電流流向分布圖Fig.8 Current distribution of sacrificed anode of target pipeline in the presence of parallel pipeline with poor coating quality

2.3.2 土壤電阻率對(duì)存在并行管道時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果的影響

圖9所示為存在并行管道情況下,當(dāng)涂層破損率為0.5%,并行管道相距6 m,在不同土壤電阻率條件下,采用犧牲陽(yáng)極方法進(jìn)行陰極保護(hù)的管道陰極保護(hù)電位分布及有效保護(hù)距離。由圖可見(jiàn),在犧牲陽(yáng)極埋設(shè)處(即4 000 m處)的管道陰極保護(hù)電位最負(fù),離陽(yáng)極越遠(yuǎn),電位逐漸正向偏移。隨著土壤電阻率從0.942 Ω·m 增大到100 Ω·m 時(shí),埋設(shè)犧牲陽(yáng)極處管道的陰極保護(hù)電位減小了0.465 V。這是因?yàn)殡S著土壤電阻率的增大,由土壤產(chǎn)生的IR 降增大,導(dǎo)致管道表面的陰極保護(hù)電位相應(yīng)正移。隨著土壤電阻率增大,犧牲陽(yáng)極對(duì)管道的保護(hù)距離縮短。對(duì)比圖9與圖6可知,當(dāng)土壤電阻率較小(≤8.51 Ω·m)時(shí),存在防腐層質(zhì)量不高的并行管道會(huì)顯著增加目標(biāo)管道的保護(hù)距離;當(dāng)土壤電阻率為0.942 Ω·m 時(shí),犧牲陽(yáng)極可對(duì)全管段進(jìn)行陰極保護(hù);當(dāng)土壤電阻率較大(> 29.2Ω·m)時(shí),存在防腐層質(zhì)量不高的并行管道反而會(huì)降低犧牲陽(yáng)極的防護(hù)效果。

圖9 存在并行管道時(shí)不同土壤電阻率下目標(biāo)管道的表面電位分布和有效保護(hù)距離Fig.9 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines under different soil resistivity and the presence of parallel pipelines

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中測(cè)試管道總長(zhǎng)38 000 m,外徑0.377 m,材質(zhì)20#鋼,防腐層為瀝青玻璃絲布涂層,兩側(cè)伴有并行管道,并行管道與目標(biāo)管道間距6 m,且并行管道由于鋪設(shè)年代較久,涂層破損嚴(yán)重。在目標(biāo)管道起點(diǎn)和終點(diǎn)處設(shè)有防腐工作站為其提供外加電流陰極保護(hù),測(cè)試管道部分管段在運(yùn)行時(shí)管道電位高于-0.85 V,即不滿足-0.85 VCSE陰極保護(hù)準(zhǔn)則。因此,以該管道欠保護(hù)管段為研究對(duì)象,其管段長(zhǎng)度8 000 m,所經(jīng)區(qū)域土壤電阻率為8.51 Ω·m,涂層破損率約為0.5%。

選擇梯形鎂合金犧牲陽(yáng)極對(duì)欠保護(hù)管段施加陰極保護(hù),單根犧牲陽(yáng)極質(zhì)量22 kg。采用 CS 1002恒電流儀,在模擬現(xiàn)場(chǎng)土壤溶液中測(cè)試所選AZ63B鎂合金犧牲陽(yáng)極(30×30×30 mm3)的工作電位和輸出電流。根據(jù)GB/T17848—1999《犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》[23]、GB/T17731—2015《鎂合金犧牲陽(yáng)極》[22]和GB/T21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]對(duì)鎂合金犧牲陽(yáng)極進(jìn)行電化學(xué)性能和化學(xué)成分測(cè)試,均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,具體參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)GB/T21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]在研究管段4 000 m位置處埋設(shè)犧牲陽(yáng)極。具體流程如下:在距離目標(biāo)管道兩側(cè)3 m 處開(kāi)挖2個(gè)陽(yáng)極坑,每個(gè)坑內(nèi)安裝4根犧牲陽(yáng)極,各犧牲陽(yáng)極的間距為1 m,平行于管道方向水平埋設(shè);犧牲陽(yáng)極安裝結(jié)束后澆水浸泡,回填并恢復(fù)開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng);待犧牲陽(yáng)極工作狀態(tài)穩(wěn)定,使用便攜式Cu/CuSO4電極和萬(wàn)用表在目標(biāo)管段測(cè)試樁上測(cè)量工作電位,各測(cè)試樁之間距離約為1 000 m。

表2 鎂合金犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能Tab.2 Electrochemical performance of sacrificed anode of magnesium alloy

圖10所示為目標(biāo)管道自腐蝕電位、正常運(yùn)行時(shí)管道電位及添加犧牲陽(yáng)極后的管道電位。由圖可見(jiàn),目標(biāo)管段自腐蝕電位位于-0.581～-0.664 VCSE,正常運(yùn)行電位位于-0.722～-0.815 VCSE。在鎂合金犧牲陽(yáng)極埋設(shè)附近管道電位最負(fù),遠(yuǎn)離犧牲陽(yáng)極,管道電位逐漸變正,極化效果降低,根據(jù)-0.85 VCSE陰極保護(hù)準(zhǔn)則可以看出,鎂合金犧牲陽(yáng)極的保護(hù)距離大于2 000 m。對(duì)于采用犧牲陽(yáng)極輔助陰極保護(hù)措施的管道,將其在不同涂層破損率條件下的電位有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果作比較,如圖11所示。由圖可見(jiàn),管道實(shí)測(cè)電位與存在并行管道且涂層破損率為0.5%的目標(biāo)管道模擬電位結(jié)果較為吻合,有效保護(hù)距離約為3 292 m,再次說(shuō)明鎂合金犧牲陽(yáng)極對(duì)管道保護(hù)結(jié)果的有效性。同時(shí)說(shuō)明可以通過(guò)有限元模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)埋地管道防腐層質(zhì)量進(jìn)行間接評(píng)估;反之,當(dāng)已知涂層破損率時(shí),可以通過(guò)有限元模擬計(jì)算手段對(duì)管道某些難以測(cè)試的特殊位置進(jìn)行電位計(jì)算。綜上,當(dāng)管道涂層破損率和土壤電阻率較小時(shí),鎂合金犧牲陽(yáng)極可作為長(zhǎng)輸管道欠保護(hù)區(qū)域的有效輔助陰極保護(hù)措施,且防腐層質(zhì)量不高的并行管道可提高犧牲陽(yáng)極的保護(hù)效果。

圖10 目標(biāo)管道自腐蝕電位、正常運(yùn)行電位及施加犧牲陽(yáng)極保護(hù)措施后的管道電位Fig.10 Self-corrosion potential,normal operating potential, and sacrificial anode protection potential of target pipeline

圖11 采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)措施的管道模擬電位與實(shí)測(cè)電位對(duì)比圖Fig.11 Comparison between simulated potential and measured potential of target pipeline with cathodic protection of sacrificed anode

圖12所示為采取外加電流聯(lián)合犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)措施前后,目標(biāo)管道表面的陰保電位測(cè)量結(jié)果。測(cè)量電位時(shí),起點(diǎn)處防腐站的輸出電壓和輸出電流分別為0.9 V和0.8 A,終點(diǎn)處防腐站的輸出電壓和輸出電流分別為5.0 V和7.03 A。由圖12可看出,采取聯(lián)合保護(hù)措施前,所研究管段的管道表面電位均高于-0.85 V,不滿足-0.85 VCSE陰極保護(hù)準(zhǔn)則,采取聯(lián)合保護(hù)措施后,除了埋設(shè)犧牲陽(yáng)極處電位為-1.351 VCSE,負(fù)于-1.2 VCSE(根據(jù)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[21]中的埋地管道陰極保護(hù)電位不應(yīng)比-1.20 VCSE更負(fù)),其余所研究管段的管道陰極保護(hù)電位分布較均勻,陰極保護(hù)電位分布介于-1.032～-1.094 VCSE之間,使目標(biāo)管道欠保護(hù)管段得到有效保護(hù)。綜上所述,采用犧牲陽(yáng)極可以作為提高長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)效果的輔助手段,且保護(hù)效果良好。

圖12 實(shí)施聯(lián)合保護(hù)措施前后目標(biāo)管道表面的陰極保護(hù)電位Fig.12 Cathodic protection potential on the surface of target pipeline before and after implementation of joint protection measures

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)長(zhǎng)輸管道涂層破損率從0.05%增加到10%時(shí),管道所需的保護(hù)電流增大,犧牲陽(yáng)極工作電位正移,保護(hù)效果減弱。當(dāng)長(zhǎng)輸管道涂層破損率超過(guò)5%時(shí),犧牲陽(yáng)極輔助陰極保護(hù)方法效果不佳,應(yīng)適時(shí)考慮修補(bǔ)或更換防腐層。

(2)隨著土壤電阻率的增大,犧牲陽(yáng)極有效保護(hù)距離縮短;當(dāng)土壤電阻率較高時(shí)(超過(guò)30 Ω·m),長(zhǎng)輸管道輔助犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)措施的適用性較差,應(yīng)適時(shí)考慮在長(zhǎng)輸管道欠保護(hù)部位添置外加電流防腐站的方法,以保證管道的安全運(yùn)行。

(3)在目標(biāo)管道涂層破損率和土壤電阻率較小的情況下,存在防腐層質(zhì)量不高的并行管道可以提高目標(biāo)管道的防護(hù)效果。反之,當(dāng)目標(biāo)管道涂層破損率和土壤電阻率較大時(shí),存在防腐層質(zhì)量不高的并行管道會(huì)降低目標(biāo)管道的防護(hù)效果。

(4)在目標(biāo)管道涂層破損率和土壤電阻率較小的情況下,現(xiàn)場(chǎng)鎂合金犧牲陽(yáng)極可以提供良好的輔助陰極保護(hù)效果。