涂層孔隙率對鋼質套管穿越段管道陰保電位影響規律的數值模擬

劉 波,王樹立,楊 燕,李靖博,汪敏慧,馮旻祎

(常州大學 江蘇省油氣儲運技術重點實驗室，常州 213016)

涂層孔隙率對鋼質套管穿越段管道陰保電位影響規律的數值模擬

劉 波,王樹立,楊 燕,李靖博,汪敏慧,馮旻祎

(常州大學 江蘇省油氣儲運技術重點實驗室，常州 213016)

采用COMSOL Multiphysics軟件，對管道極化電位和管地電位進行模擬計算，從套管有涂層和無涂層的兩個方面，研究了涂層孔隙率對套管處埋地管道的陰保電位影響規律。結果表明：套管內管道涂層質量越差，管道所需的極化電流就越多，管道的陰保效果就越差；加涂層套管在環形空間內的電位比無涂層套管的更正，但在地表處卻稍微偏負，所以僅僅依靠管地電位來判斷管道的極化電位是有誤差的；當套管無涂層時，只要環形空間內有電解質，其對管道的極化電流無屏蔽作用，所以利用密間隔電位測量(CIPS)、直流電壓梯度法(DCVG)和交流電壓梯度法(ACVG)等地面檢測方法可以判斷出套管內管道防腐層的質量和陰極保護的等級狀況。

涂層孔隙率；埋地管道；陰極保護；模擬

在我國城市化急劇擴張和經濟快速發展的背景下，管道與越來越多的人類公共走廊交叉穿越，按照現行的油氣管道穿越工程設計規范，穿越鐵路或二級及二級以上公路時，應在套管或涵洞內敷設穿越管段[1]。由于套管與管道之間無電解質，所以陰極保護電流和檢測設備的發射信號無法抵達和反饋，使得該處的管道成為腐蝕的易發點和外腐蝕直接評價技術(ECDA)檢測的盲點[2]。因此，管道安全評估行業急需利用數值模擬技術預測管道的腐蝕電位，從而決定該處的陰極保護等級。COMSOL Multiphysics是一款大型的高級數值仿真軟件，在各個科學領域和工程計算中都有廣泛的應用，其中在金屬電化學方面的研究頗多[3-5]。

目前，油氣管道的防腐蝕系統絕大多數采用陰極保護和防腐涂層聯合保護，陰保電流通過涂層材料的空隙進入管道從而建立起陰極保護。對于套管穿越段，管道涂層采用加強級防護，而套管外表面是否加涂層一般視現場情況而定。管道保護電位的大小及其分布狀況與多種因素有關，其中與管道涂層質量有著密切的關系[6-7]。涂層質量越好，管道所需的陰保電流就越小，陽極使用壽命就越長，但是隨著管道運行時間的推移，涂層的質量會有所下降，此時會影響到管道陰極保護等級狀況[8-10]。本工作結合一條500 m長的管道，運用COMSOL Multiphysics軟件對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律進行計算，為套管穿越段管道保護方法與檢測技術提供參考。

1 控制方程與邊界條件

對于均一、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域的電解質靜電勢(幾何體中有兩個域：套管內、外的土壤)。

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

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

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。

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

2 模型建立及驗證

2.1 模型建立與參數設置

根據現場套管處管道的埋設特點，利用COMSOL Multiphysics軟件對管道表面的電位進行模擬。第一步，選擇三維、一次電流分布、穩態的計算環境。第二步，利用Geometry建立分析模型，先建立套管、管道和陽極模型，而后建立土壤環境，具體幾何參數見圖1。第三步，對模型進行物理定義，包括管道和套管涂層孔隙率、涂層和土壤的電阻率、陽極電位以及邊界無限域。第四步，對已生成的模型采用自由剖分四面體網格劃分，劃分后的模型見圖2。最后對計算結果進行后處理，得出設定位置的結果值。

涂層的孔隙率是指整個有涂層的管道上，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 管道及土壤網格劃分Fig. 2 Grid generation of pipeline and soil

2.2 模型驗證

通過試驗測套管內管道極化電位，對此模型進行驗證，試驗裝置如圖3所示。管道長8 m，距管道左端2 m處設有套管，套管全長4 m，管道下方設有犧牲陽極，每0.5 m有一電位測試點，模擬結果與測試結果如圖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。由于模型是對實際情況的簡化，而且本身計算過程是迭代過程，所以會產生一定的誤差，但誤差在允許范圍內。驗證試驗結果表明采用COMSOL Multiphysics所建立的模型是可用于研究套管內管道的電位分布。

圖3 試驗裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of experimental equipment

圖4 模擬電位與實測電位對比Fig. 4 Comparison between simulated potential and measured potential

3 結果與討論

3.1 管道涂層孔隙率的影響

對埋地管道的現場檢測，通常利用參比電極在管道上方沿管道鋪設方向獲取管道極化電位，但是由于管道與土壤間存在IR降，使得檢測數據并不等于真實電位。圖5為套管無涂層時，管道涂層孔隙率對管地電位的影響。結果表明，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 管道涂層孔隙率對管地電位的影響(套管無涂層)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，表明無涂層的鋼質套管對環形空間內管道的陰極保護沒有影響。相比土壤和涂層的電阻，金屬套管的極化電阻很小，而且被分散到整個表面，所以外部陰保電流可以通過套管流入管道，同樣對該特殊段起到保護作用。

圖6為套管無涂層時，管道涂層孔隙率對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，管道極化電位越來越正，這主要是因為隨著涂層孔隙率的增大，管道需要更多的陰保電流，但是陽極所能提供的保護電位以及其表面積無法改變，所以管道的極化電位就朝著正方向移動。該模擬結果與現場實際相吻合，通常隨著運行時間的推移，其管道涂層的電阻越來越小，即孔隙率越來越大，所需的陰保電流就會增加，致使管道的極化電位達不到保護的標準。當管道涂層孔隙率由1×10-5增大到5×10-5時，管道的保護電位就正移了約100 mV，低于標準規定的-850 mV，達不到陰極保護的效果。

圖6 管道涂層孔隙率對管道極化電位的影響(套管無涂層)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，其電位并沒有改變，同樣表明無涂層的鋼質套管對環形空間內管道的陰極保護電位無影響，而管道整體涂層孔隙率的變化對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，管道涂層孔隙率對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，但隨著環形空間內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，表明環形空間內管道涂層的質量不僅對其內部電位有影響，同時也影響整個管道的極化電位。當環形空間內的管道無涂層或涂層孔隙率相對套管涂層更大時，外部陰保電流更容易通過此處流回管道，同時需要更大陰保電流來達到陰極保護的目的。由于外部陽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套管內管道極化電位有很明顯的影響，在現場，如果環形空間內進入水或土壤等電解質，此時可以利用直流電壓梯度法(DCVG)、密間隔電位測量(CIPS)和交流電壓梯度法(ACVG)等地面檢測方法判斷管道涂層是否存在漏點和陰極保護的等級。

3.2 套管涂層孔隙率的影響

套管涂層孔隙率對管道極化電位的影響如圖8所示。由圖8可見，與套管無涂層時相比，套管有涂層時，管道在套管外的電位輕微偏負，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，當套管有涂層時，限制了部分陰保電流流入管道，所以在某種程度上，可以認為套管屏蔽了陰保電流，當套管涂層孔隙率越小時，流入環形空間內管道的電流就越少，該處管道的極化效果就越差，所以套管內管道極化電位更正。

圖8 套管涂層孔隙率對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。當套管涂層孔隙率在10-5時，管地電位在套管處稍微偏負，但數值很小，所以在地表檢測套管內管道極化電位時，該誤差可以忽略不計。當套管有涂層時，管地電位在套管段基本無明顯變化，這是由于套管屏蔽了大部分從套管內部反饋到外部的電流信號，所以才使得地表處的電位沒有明顯變化。這表明在工程檢測現場，當套管有涂層時，僅僅通過管地電位的大小變化是很難判斷出套管內部管道的陰保狀況和腐蝕環境，需要做進一步的調查研究。

圖9 套管涂層孔隙率對管地電位的影響(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 結論

(1) 利用COMSOL Multiphysics軟件建立的陰極保護模型，可以模擬研究套管內管道的電位變化，該模型可以預測一些現場無法檢測的管道極化電位，能為管道完整性評估提供參考依據。

(2) 管道涂層的質量對管道的腐蝕防護影響很大，環形空間內涂層質量越差，管道得到的陰極保護就越少，陽極損耗的陰保電流就越多，這與現場檢測情況相符合，而且該種情況在套管內尤為明顯。

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

(4) 計算結果表明，當套管無涂層時，只要環形空間內有電解質，其對管道的陰保電流無屏蔽作用，所以利用CIPS、DCVG和ACVG等地面檢測方法可以判斷出套管內管道防腐層的質量和陰極保護的等級狀況。

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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目(BY2014037-33)

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

10.11973/fsyfh-201612003

TE988

A

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