埋地鋼質(zhì)管道防腐蝕層檢測中地表電位的ANSYS模擬

何 萌,陶文亮,李龍江,秦 碩

(1. 貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,貴陽 550025; 2. 貴州民族大學(xué) 貴陽 550025; 3. 貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴陽 550025)

應(yīng)用技術(shù)

埋地鋼質(zhì)管道防腐蝕層檢測中地表電位的ANSYS模擬

何 萌1,陶文亮2,李龍江3,秦 碩1

(1. 貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,貴陽 550025; 2. 貴州民族大學(xué) 貴陽 550025; 3. 貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴陽 550025)

利用ANSYS有限元分析軟件，建立了土壤、空氣、帶防腐蝕涂層鋼質(zhì)管道的模擬模型，研究了土壤介質(zhì)、管道埋深、鄰近交叉載流管線、雜散電流等因素對埋地管道防腐蝕層檢測中地表電位的影響。結(jié)果表明：不同土壤介質(zhì)交界處和不同土壤埋深處，地表電位出現(xiàn)畸變，鄰近載流管線和雜散電流的存在使地表電位信號出現(xiàn)類似漏點電位信號分布的趨勢；雜散電流源距管道越近，對地表電位影響越大，反之越小；載流管線與檢測管道交叉角度越小，對地表電位的影響越小。

埋地管道;防腐蝕層;定位;ANSYS

埋地鋼質(zhì)管道的防護(hù)系統(tǒng)是由陰極保護(hù)和管道外防腐蝕層共同組成的，防腐蝕層的完整性有利于陰極保護(hù)的充分發(fā)揮，防腐蝕層一旦破損，會使保護(hù)電流流失，保護(hù)距離縮短，保護(hù)效果降低，甚至失效[1]，因此管道外防腐蝕層的非開挖檢測顯得非常重要。人體電容法是管道外防腐蝕層非開挖檢測常用的方法之一。該法是利用防腐蝕層破損點處泄漏的電流輻射至地表的電位(簡稱漏點電位或泄漏電位)分布來判斷破損點的位置[2-3]。檢測時，給地下管線通入交流電信號。管道上若存在防腐蝕層破損，通入地下管線的交流電流就會在防腐蝕層破損處流入大地，地下的等電位以破損點為中心呈立體球形分布，當(dāng)此交流電流到達(dá)地表后，則以破損點正上方地表為中心呈平面圓形分布，其周圍的電位呈等距離等電位分布[4]。采用該法檢測時，檢測過程會受到一些外界因素的影響，如：位于待測管道上方的交叉裸管，深埋在管道附近的廣告牌、接地線等良導(dǎo)體(泥土傳導(dǎo)信號變?yōu)榻饘賯鲗?dǎo)信號)，管道埋深不一致的河坎、爬坡、溝槽及管道埋設(shè)土壤介質(zhì)分布不均等。這些因素給防腐蝕層破損點的定位帶來一定的困難，導(dǎo)致檢測人員對破損位置誤判或者漏檢，從而造成不必要的或者大面積的開挖驗證，浪費人力、物力、財力。本工作基于人體電容法原理，利用ANSYS有限元軟件的電磁模塊模擬了不同土壤介質(zhì)、管道埋深、鄰近交叉載流管線、雜散電流等因素對管道防腐蝕層檢測信號的影響，直觀形象地展現(xiàn)了在這些因素影響下地表電位的分布趨勢，給檢測信號分析以及防腐蝕層破損點定位提供理論依據(jù)。

1 模型的設(shè)計和材料參數(shù)的選定

考慮到實際檢測時環(huán)境復(fù)雜以及埋地管道的長度較長，為計算簡便，采用了縮小簡化的模型，如圖1所示。管道模型采用外徑200 mm、壁厚5 mm、長度4 m、覆土深度1 m、防腐蝕層厚度3 mm的空心圓柱，管內(nèi)介質(zhì)為空氣；土壤模型采用2.5 m×2.5 m×4 m的立方體；防腐蝕層破損處材料填充為土壤,各材料特性參數(shù)如表1所示。

圖1 ANSYS模型Fig. 1 ANSYS model

材料電阻率/(Ω·m)介電常數(shù)土壤15～10015空氣-1管道4×10-7107防腐蝕層50008

2 ANSYS有限元仿真分析

仿真采用SOLID231單元模擬三維電磁場，將模型劃分為六面體網(wǎng)格，在防腐蝕層破損處對模型分割進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化以提高計算精度和準(zhǔn)確性。管道模型一端施加30 V電位，另一端施加29 V電位，設(shè)模擬土壤下方無限遠(yuǎn)處電位為0 V。考慮不同土壤介質(zhì)、不同管道埋深、雜散電流、載流管線對防腐蝕層檢測信號的影響，進(jìn)而找出不同影響因素下，地表電位的分布趨勢。

2.1 土壤介質(zhì)對檢測信號的影響

埋地管道防腐蝕層檢測時,在不同土壤介質(zhì)交界處檢測信號會受到影響。為了研究土壤介質(zhì)交界處從管道防腐蝕層破損處泄漏的電流在土壤中的電位分布趨勢，將土壤模型電阻率一半設(shè)置為50 Ω·m，另一半設(shè)置為100 Ω·m，即同一根管道穿過兩種不同電阻率的土壤，在管道中央設(shè)置半徑為0.02 m的圓形破損點，再分別建立電阻率分別為50 Ω·m和100 Ω·m的均一土壤模型作為參照。從圖2可以看出：管道穿過同一電阻率的均一土壤時，土壤中的等電位均呈立體球狀分布，土壤電阻率越大，球狀體積越小;管道穿過不同電阻率的非均一土壤時，土壤中的等電位分布不規(guī)則。從圖3可以看出：管道穿過同一電阻率的均一土壤時，地表電位符合以破損點為中心呈等距等電位分布的漏點電位分布規(guī)律；管道穿過不同土壤電阻率的非均一土壤時，地表電位在不同土壤交界處變化率變大，該電位不符合以破損點為中心呈等距等電位分布的漏點電位分布規(guī)律。實際檢測中，這樣的電位分布可能使檢測人員忽略掉此破損點導(dǎo)致漏檢。

(a) 電阻率50 Ω·m的均一土壤

(b) 電阻率100 Ω·m的均一土壤

(c) 電阻率50 Ω·m和100 Ω·m的非均一土壤圖2 不同土壤介質(zhì)中模擬的土壤電位剖面云圖(單位:V)Fig. 2 Potential profiles of soil simulated in different soil media (unit V): (a) uniform soil with resistivity of 50 Ω·m; (b) uniform soil with resistivity of 100 Ω·m; (c) non-uniform soil with resistivity of 50 Ω·m and 100 Ω·m

圖3 不同土壤介質(zhì)中模擬的地表電位曲線Fig. 3 Surface potential curves simulated in different soil media

2.2 管道埋深對檢測信號的影響

埋地管道土壤回填時，回填土厚度(即埋深)通常不一，這使管道的檢測和漏點定位變得異常困難，特別是對于經(jīng)驗不足的檢測人員。為了解在不同厚度回填土的交界處檢測信號的變化趨勢，建立了不同埋深的管道模型，管道埋深分別為1，1.2，1.4 m，在不同厚度土壤的交界處(1 m處)設(shè)置防腐蝕層破損點，設(shè)置管道埋深相同且1 m處破損和埋深不同無破損點模型作為參照。

由圖4可見，無論管道埋深是否相同，土壤中的等電位都呈立體球狀分布。由圖5可見：管道埋深相同時，地表電位在破損點處電勢最高，以破損點為中心其周圍呈等距等電位分布；管道埋深不同時，在不同土壤厚度交界處，地表電位呈突然變大或者變小的畸變趨勢。即使管道防腐蝕層在交界處出現(xiàn)破損，地表電位卻呈現(xiàn)異于漏點電位分布規(guī)律的趨勢，給檢測人員定位防腐蝕層破損點帶來困難。檢漏時,若出現(xiàn)畸變電位，檢測人員可將信號強(qiáng)度與探管深度結(jié)合起來,或者將探頭轉(zhuǎn)動90°至與管道平行的方位，然后在管線上作左右平行移動，從而排除管道埋深變化對管道電位變化的影響。

2.3 雜散電流對檢測信號的影響

雜散電流的存在不僅會腐蝕管道本身，也會造成管道電位變化，從而給管道檢測及防腐蝕層破損點定位帶來困難。在土壤模型中插入鋼電極,通過鋼電極引入直流雜散電流，探討了直流雜散電流對檢測信號的影響。鋼電極長度為40 cm，入土深度為20 cm，直徑為1 cm，材質(zhì)為碳鋼，電阻率為10-7Ω·m，介電常數(shù)為107，在鋼電極上下兩端施加電位差1 V的電壓。分別考慮雜散電流強(qiáng)度(無雜散電流,上端10 V、下端9 V的電位,上端30 V、下端29 V的電位),雜散電流源與管道的距離(管道正上方、距管道0.2 m、距管道0.4 m)對地表電位的影響。

(a) 埋深不同，有破損

(b) 埋深不同，無破損

(c) 埋深相同，有破損圖4 不同埋深的管道模型模擬的土壤電位剖面云圖(單位:V)Fig. 4 Potential profiles of soil simulated using pipe models in different buried depths (unit V): (a) different buried depths and damage; (b) different buried depths and no damage; (c) same buried depth and damage

圖5 不同埋深的管道模型模擬的地表電位曲線Fig. 5 Surface potential curves simulated using pipe model in different buried depths

由圖6和圖7可見：雜散電流源的位置不同，其對地表電位的影響也不同;雜散電流源距離管道越遠(yuǎn)，影響越小，反之，影響越大。由圖8和圖9可見:雜散電流大小不同，對地表電位的影響也不同。雜散電流較小時，雜散電流源處的地表電位值小于其他位置的電位值；反之則大于其他位置的電位值。但這種電位分布類似防腐蝕層破損時以破損點為中心呈等距等電位分布的特征，容易使檢測人員將雜散電流源位置當(dāng)作破損點位置,從而做出錯誤的判斷。如果在實際檢測時遇到這種情況，為避免此類誤判，一人可在管道上方站立不動，另一人在最大信號處沿管道垂直方向移動檢測，移動過程中若信號不變,則最大信號位置就為破損點，否則，說明土壤周圍存在金屬良導(dǎo)體所耦合或者是犧牲陽極泄露引起的雜散電流。

(a) 管道正上方

(b) 距管道0.2 m處

(c) 距管道0.4 m處圖6 不同雜散電流源位置時模擬的土壤電位剖面云圖(單位:V)Fig. 6 Potential profiles of soil simulated at positions of stray current source (unit: V): (a) above the pipe; (b) a distance of 0.2 m from the pipe; (c) a distance of 0.4 m from the pipe

圖7 雜散電流源位置不同時模擬的地表電位曲線Fig. 7 Surface potential curves simulated at different positions of stray current source

(a) 無雜散電流

(b) 較小雜散電流

(c) 較大雜散電流圖8 不同雜散電流大小時模擬的土壤電位剖面云圖(單位:V)Fig. 8 Potential profiles of soil simulated at different values of stray current (unit: V): (a) no stray current; (b) small stray current; (c) large stray current

圖9 雜散電流大小不同時模擬的地表電位曲線Fig. 9 Surface potential curves simulated at different values of stray current

2.4 鄰近載流管線對檢測信號的影響

地下管網(wǎng)錯綜復(fù)雜，尤其是城市地下管線，埋地鋼質(zhì)管道周圍經(jīng)常存在一根甚至多根載流管線，對管道進(jìn)行非開挖檢測時，載流管線上的電流會通過土壤傳到地表或者管道從而影響檢測信號的獲取,進(jìn)而影響檢測人員對檢測信號的判斷。建立載流管線與檢測管道呈不同角度(0°，45°，90°)交叉的模型，為計算簡便，設(shè)置載流管線為直徑0.01 m的實心圓柱，材質(zhì)為碳鋼，電阻率為10-7Ω·m,介電常數(shù)為107。載流管線位于管道上方，與管道最近距離為30 cm，二者施加相同載荷。

由圖10和圖11可見:載流管線的存在對地表電位是有影響的。若載流管線平行檢測管道，沿管道方向地表電位變化不大。載流管線與檢測管道呈一定角度時，地表電位以載流管線與檢測管道交叉點在地表的投影為中心呈等距等電位分布。實際檢測時，即使管道的防腐蝕層不存在破損，檢測人員也能檢測出類似防腐蝕層破損的信號。此時一名檢測人員可站在信號最大點處，另一檢測人員在相距5 m左右的距離以信號最大點位置為中心作圓周狀移動檢測，移動過程中信號若發(fā)生變化，則說明管道周圍存在交叉載流管線，若無變化，則可判斷最大信號位置處為漏點。

3 結(jié)論

(1) 土壤介質(zhì)分布不均時，在兩種土壤介質(zhì)交界處，地表電位變化率大于均一土壤介質(zhì)處，即出現(xiàn)畸變趨勢。

(a) 0°

(b) 45°

(c) 90°圖10 載流管線與檢測管道呈不同角度交叉時模擬的土壤電位剖面云圖(單位:V)Fig. 10 Potential profiles of soil simulated at different crossing angles between carrying current pipeline and detected pipeline (unit: V)

圖11 不同載流管線與檢測管道呈不同角度交叉時模擬的地表電位曲線Fig. 11 Surface potential curves simulated at different crossing angles between carrying current pipeline and detected pipeline

(2) 管道埋深不同時，無論管道防腐蝕層是否破損，在不同土壤厚度交界處，地表電位出現(xiàn)突然變大或變小的畸變趨勢。

(3) 土壤中存在直流雜散電流時，地表電位會呈現(xiàn)類似等距等電位的漏點電位分布。雜散電流源距離管道越近，對地表電位影響越大，反之影響越小。

(4) 管道附近存在載流管線時，地表電位與載流管線和管道的位置有關(guān)。載流管線與管道呈一定角度時，地表電位會呈現(xiàn)類似漏點電位的分布趨勢。

[1] 王強(qiáng),苗金明. 地下管網(wǎng)檢測技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:109.

[2] 袁厚明. 地下管道涂層人體電容法檢測中的判斷技術(shù)[J]. 腐蝕與防護(hù),2007,28(5):259-262,265.

[3] EYRE D. The Pearson survey method for detecting corrosion in underground pipelines[M]//Underground Pipeline Corrosion. [S.l.]:Woodhead Publishing Limited,2014:247-254.

[4] 曹光貴,譚麗娜,鄭光耀. 基于Pearson法對鋼質(zhì)燃?xì)夤艿婪栏瘜訖z測的探討[J]. 煤氣與熱力,2016,36(2):44-46.

ANSYS Simulation of Surface Potential in Detection of Anticorrosive Coating of Buried Steel Pipeline

HE Meng1, TAO Wenliang2, LI Longjiang3, QIN Shuo1

(1. Chemistry and Chemical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Minzu University, Guiyang 550025, China; 3. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Finite element analysis software ANSYS was used to build models of soil, air, pipeline with anticorrosive coating. The effects of soil medium, buried depth of pipeline in soil, adjacent carrying-current pipeline, stray current and other factors on the surface potential in detection of anticorrosive coating of buried pipeline were studied. The results show that the surface potential changed abnormally in the junction of different soil media or in the place where buried depth changed. Surface potentials showed a distribution trend similar to that of leak potential signals when carrying-current pipeline and stray current existed nearby. The nearer the stray current source was, the greater the influence on surface potential was. On the contrary, the influence was smaller. The smaller the angle of carrying-current pipeline crossing with test pipeline was, the smaller the influence on surface potential was.

buried pipeline; anticorrosive coating; location; ANSYS

10.11973/fsyfh-201706011

2016-12-30

貴州省科技廳工業(yè)攻關(guān)項目(Z113169)

陶文亮(1962-)，教授，博士，主要從事化工裝備可靠性、風(fēng)險評價，膜科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用的研究

TG174

A

1005-748X(2017)06-0461-05