天然氣集輸管道陰極保護系統的布局優化

雷寶剛，范 錚，喬玉龍，朱永紅，李振龍，潘柳依，李穩宏

（1.西北大學 化工學院，西安710069；2.西安石油大學 化學化工學院，西安710065；3.長慶油田第一采氣廠，榆林718500）

石油、天然氣埋地管道穿越各種不同類型的土壤、河流和湖泊，在土壤環境中會發生腐蝕。嚴重的情況下，管道會腐蝕穿孔，使油氣泄漏造成很大損失［1-2］。在我國與俄羅斯、中亞各國能源大合作的背景下，減小腐蝕對管道的影響，保證油氣輸送管道的安全運行，成為一個研究熱點。

鄂爾多斯某氣田集輸管網采用強制電流陰極保護與防腐蝕涂層相結合的技術對埋地管道進行保護。陰極保護站是根據氣田發展陸續建設的，為了對已經形成的陰極保護系統運行現狀進行評價，以現有運行數據為基礎，利用ANSYS軟件建立了管線電位分布的模型。通過運行數據對此模型進行驗證，并利用此模型對電位分布的影響因素進行模擬。針對現存的問題，提出合理的優化方案，并利用ANSYS對方案進行評估，為整個陰極保護系統的安全運行和后續的發展提供可靠地理論依據。

1 管道陰極保護現狀評價

1.1 管道陰極保護現狀

鄂爾多斯某氣田的集輸管網是利用強制電流陰極保護結合防腐蝕涂層的技術對整個系統進行保護的（如圖1）。由于強制電流具有保護范圍大、保護裝置壽命長等特點，被廣泛用于長輸油氣管道上。

該集輸管網管道始末端都用絕緣法蘭進行絕緣隔離，目前共有32條集輸支干線，其中干線5條，總里程達110.05km；支線27條，全長123.4km。支線采用環氧煤瀝青防腐蝕層、環氧粉末防腐蝕層；干線采用聚乙烯三層結構防腐蝕層（3PE）。為了對這20條管線進行有效的保護，隨著氣井的發展，陸續建成并運行了8座陰極保護站，其采用CP-1操作臺，MAS2000型恒電位儀4臺和PS-1型恒電位儀12臺。管線分布及保護站的分布見圖2。

圖1 強制電流陰極保護示意圖

圖2 集輸管線及保護站的分布圖

1.2 陰極保護現狀評價和分析

26條集輸管線（21條集輸支線，5條集輸干線）保護電位的普查數據發現，干線的保護基本是良好，而支線中得到良好保護的管線占支線總數的85%。支、干線保護電位的具體檢測值見表1。

2 ANSYS模擬

ANSYS作為世界上基于有限元分析的大型軟件之一，軟件功能強大，且具有良好的用戶開發界面，本工作采用此軟件對目前鄂爾多斯氣田出現的問題進行分析和模擬，并提出合理的優化方案。

2.1 有限元模型的建立

根據目前管網系統的基本屬性，利用ANSYS軟件對管線進行電位分布的模擬［3］。首先，在ANSYS軟件中利用Design Modeler建立分析模型，先建立管線模型，畫一條線，并設置屬性為1km，管徑定義為273mm×8mm，并利用Extrude生成管道的立體圖。第二，利用Freeze對管道進行凍結，在管道周圍添加土壤，土壤的上表面離管道3m，下表面離管道15m，下表面作為零電勢點。第三，對已生成的模型，采用四面體網格對其進行網格劃分，劃分網格后的模型見圖3。最后，在Materials中對模型進行物理定義，包括管道電導率、周圍土壤的電阻率。最后，在模型上生成面印記，并加載電壓對模型進行數值求解。

表1 支、干線保護電位檢測值

圖3 模型網格劃分

2.2 模型的可靠性驗證

為了利用此模型對目前管網陰極保護系統進行分析研究，并針對目前存在的問題提出相應的優化方案，必須對此模型進行可靠性驗證。

根據管線分布和土壤環境，選擇可以代表不同土壤環境的管道：鄂5-E 6、鄂23-E25，對它們進行陰極保護電位的模擬，并與管道沿線的測試樁的檢測值進行對比分析（測試樁之間的間距1km），詳見表2。

表2 模擬值與檢測值的對比

由表2可知，集輸管網陰極保護保護電位的模擬值與檢測值之間的誤差基本都小于5%。由于模型是對實際情況的簡化，而且本身的計算過程是迭代過程，因此會引起誤差。但是結果也表明基于ANSYS所建立的陰極保護電位分布模型是可以用來預測實際管道的電位分布。

2.3 影響因素

（1）土壤電阻率對電位分布的影響 土壤被看做是整個埋地管道電化學腐蝕的電解質溶液，其電阻率、pH、含水率、可溶性離子等都是影響腐蝕的因素。電阻率的大小對陰極保護的保護電流影響很大，采用等距法測量區域內的土壤電阻率，并利用ANSYS軟件對電位分布進行模擬，結果見圖4。

圖4 土壤電阻率對電位的影響

通過等距法測得采氣廠周圍的土壤電阻率在55～136Ω·m，利用ANSYS軟件對不同土壤電阻率條件下的電位分布進行模擬。在管道參數、涂層材料等參數保持一致的情況下，給陽極地床加載相同的保護電流，由圖4可知，到達管道的起點電位明顯有差異：55Ω·m的起點電位是-1 120V，136Ω·m的起點電位是-1 100V。電阻率越小，土壤的導電性越差，從陽極地床輸出的保護電流就不能快速及時到達管道，導致管道的電位降低。但是由圖4可知，土壤電阻率的變化不影響管道保護電位分布趨勢。

（2）管道防腐蝕層對電位分布的影響 作為天然氣管道抵抗外界腐蝕的第一道保護層，防腐蝕層性能直接決定天然氣管道的安全。此外，防腐蝕層對陰極保護電位也有重要影響［6］。利用ANSYS軟件對目前氣田所用的3種涂層進行模擬分析，得到3種涂層，電位的分布情況，見圖5。

圖5 管道防腐蝕層對電位的影響

由圖5可見，目前采氣廠所采用的3種防腐蝕涂層材料，對管道保護電流基本上都有較好的保護效果。環氧煤瀝青、環氧粉末、3PE的電阻分別是5kΩ·m2，50kΩ·m2和100kΩ·m2。由圖5可知，3種材料保護電位最低值分別是-831mV，-967mV和-981mV。由此可知，涂層材料的電阻越大，管道對保護電流的吸收能力越強，管道的陰極保護程度越高。

（3）防腐蝕層破損率對電位分布的影響 埋地管道里程長，經歷的外界環境不同，防腐蝕涂層的損壞不同，導致涂層與管道的分離、涂層的破裂等現象。利用ANSYS軟件模擬3PE涂層破損率不同的條件下，電位分布的情況，結果見圖6。

由圖6可知，涂層破損率在0.5%時，電位變化在25mV左右，而破損率到1%時，電位變化已經接近60mV，說明管道防腐蝕層的破損率對陰極保護電位的分布影響非常大。從防腐蝕層噴涂到管道，直至管道埋入地下，必須嚴格保證防腐蝕層的完整性和質量，涂層的破損不僅會導致管道直接受到外界環境的腐蝕，而且會影響陰極保護的效果。

圖6 管道防腐蝕層的破損率對電位的影響

隨著氣井的發展，管網系統必將延伸，通過以上的模擬分析可知：在后續新增管線上架設陰極保護設備時，應將陽極地床安置在土壤電阻率較大的土壤環境中，采用電阻率高，噴涂質量好的材料對管道表面進行防腐蝕處理。

3 優化方案

通過對管線陰極保護的保護電位分析，目前存在問題的管線主要在集中在中部，主要問題管線詳見表3。

表3 問題管線及原因

通過對問題管線和電位分布影響因素的分析，針對不同的情況設計了不同的優化方案，根據問題管線的涂層材料，周圍土壤電阻率，涂層破損率等因素，利用ANSYS軟件調整模型并對優化方案中管線的電位分布進行模擬，驗證模型的可行性，模擬結果見表4。

表4 保護電位模擬結果

在模擬時，新建站的保護電位以在役保護站在投運前的調試電位1 200mV為參考。由表4可知，三種優化方案基本都可以使跨接末端的管線得到良好的保護。方案1，2中的E15，E14周圍都能夠提供穩定可靠的交流電源，但對兩個集氣站的地理環境進行考察后發現，E15周圍多山丘，不便于埋設陽極地床，在E15新建陰極保護站是不符合實際的，所以采用方案2解決此區域的問題管線。方案3中，E6所需保護的管線基本處在末端，如果后續還有氣井發展，對新建的集輸管線應采用電阻率大的涂層，應將其埋設在土壤電阻率較大的地下。不僅具有較好的陰極保護效果，而且保護站的負荷也較小，所以在E6新建保護站，不僅使目前的管線得到保護，對于后續新建集輸管線或者次數較少的跨接保護都有較好的效果。如果勘測后沒有發現新氣井的可能，在E6新建保護站的可行性就較低，但是為了使E6-E8的末端得到良好的保護，根據末端欠保護的長度選擇不同的方案。如果欠保護管線較長，可以在E8處增設一套犧牲陽極設備與強制電流陰極保護配合對管線進行保護；如果末端欠保護管線的長度較短或已經不在地下，故只需噴涂防護漆即可起到保護的作用。

4 結論

（1）通過ANSYS軟件對強制電流陰極保護電位分布的模擬是可靠的，能夠較準確地預測電位的變化情況。

（2）土壤電阻率越大，管道防腐蝕層電阻越大，防腐蝕層破損率越小，陰極保護的效果越好。此結果對于鄂爾多斯氣田進一步擴大，新增管線陰極保護設備的設計提供了可靠地理論依據。

［1］肖雯雯.淺析油田集輸管線的腐蝕原因及防腐措施［J］.油氣冶煉，2013，39（1）：1-3.

［2］李月娥，袁鵬斌，顏達峰，等.埋地鋼質天然氣管道失效分析［J］.全面腐蝕控制，2013，27（1）：49-53.

［3］王新華，陳文斌，何仁洋，等.強制電流陰極保護管線系統的ANSYS仿真技術研究［J］.腐蝕與防護，2008，29（增刊）：107-112.