套管對輸油管道陰極保護(hù)電位影響數(shù)值模擬研究

郭 金，冀光峰，林洞峰，把全龍，陳 希，李 佳

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450

2.中國民航大學(xué)，天津 300300

目前原油、成品油、天然氣等介質(zhì)的長距離輸送主要采用埋地管道輸送。埋地輸油管道在穿越公路、鐵路、溝渠、河流、山谷、沼澤等特殊地段時，為了防止外力對輸油管道造成擠壓和破壞，以及為了便于日后對管道進(jìn)行運行維護(hù)，一般會在輸油管道外面增加套管。鋼制套管對施加陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸油管道產(chǎn)生極大的影響，會對金屬管道陰極保護(hù)產(chǎn)生屏蔽作用，從而使陰極保護(hù)的效果減弱甚至消失，由此導(dǎo)致主管道破損點受到嚴(yán)重的腐蝕。因此，對于目前已經(jīng)存在套管的管道，研究套管對輸油管道陰極保護(hù)電位的影響，對于保障管道整個陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性具有重要意義。

1 套管對輸油管道陰極保護(hù)的影響因素分析

對天津某輸油管道穿越段進(jìn)行實地勘測，選取若干測試樁，檢測測試樁狀況并測量管道的管地電位[1-3]，得到的陰保電位相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

表1 穿越段相關(guān)參數(shù)

表2 與表1穿越段相鄰的非穿越段相關(guān)參數(shù)

此外根據(jù)輸油管道腐蝕情況，由此得出結(jié)論：套管兩端是否絕緣密封、電解質(zhì)電導(dǎo)率、輔助陽極埋深、輔助陽極垂直距離、陽極輸出電流、土壤電阻率、穿越條件、管道絕緣支撐性能、防腐層完好性、雜散電流等因素均能夠?qū)τ刑坠芴庉斢凸艿狸帢O保護(hù)產(chǎn)生影響。

2 套管對輸油管道陰極保護(hù)電位影響的數(shù)值模型

對有套管處輸油管道陰極保護(hù)系統(tǒng)涉及到的腐蝕靜電場問題進(jìn)行數(shù)值模擬[4-8]。

（1）通過靜電場理論，搭建有套管處輸油管道陰極保護(hù)電位分布的物理模型。

（2）通過對研究區(qū)域內(nèi)陰極保護(hù)電位的分析，確定Laplace（拉普拉斯）方程是表征陰極保護(hù)電位分布的控制方程：

（3）對陰極保護(hù)電位分布物理模型和控制方程進(jìn)行以下邊界條件限制：第一，不考慮陽極極化，陽極表面輸出的開路電位固定且已知；第二，套管內(nèi)外表面以及管道表面的極化電流密度已知；第三，明確地面是否絕緣以及套管兩端是否密封，如果密封，電流則無法流入，如果不密封，電流則可以流入；第四，土壤上表面以及與管道平行方向的地表面設(shè)置為無限域；第五，其余邊界條件的電流為零，定義為▽φi=0。

（4）得到了數(shù)學(xué)模型，并確定用COMSOL模擬軟件，通過有限元法和邊界元法相結(jié)合的方式完成模型求解。

3 數(shù)值模擬的實驗驗證

為驗證所建模型及計算方法的準(zhǔn)確性，在室內(nèi)搭建了輸油管道套管穿越的實驗?zāi)M裝置，選擇套管兩端是否密封這單一因素進(jìn)行室內(nèi)實驗研究，測量管道電位，并用COMSOL數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，驗證模型的合理性和數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。

3.1 實驗?zāi)M裝置

取長0.9 m、外徑26.7 mm、壁厚2.9 mm的鋼管模擬輸油主管道；距管道左端0.2 m處設(shè)置套管，套管全長0.5 m，外徑48.3 mm，壁厚3.7 mm；管道側(cè)面設(shè)有石墨電極，選用飽和硫酸銅電極（CSE）作為參比電極；用規(guī)格長1 m、寬0.3 m、深0.3 m的矩形水泥槽作為實驗槽；實驗選用直流穩(wěn)壓電源和恒定電位儀作為實驗電源。實驗裝置示意見圖1。將實驗裝置水平埋入實驗槽的模擬土壤溶液中，主管道及套管的中心線位于土壤模擬溶液中間位置，且中心線距槽底0.1 m。在管道和套管上每間隔0.1 m設(shè)置一個電位測試點，共設(shè)8個測試點。

圖1 實驗裝置示意

3.2 數(shù)據(jù)測量與數(shù)值仿真結(jié)果比較

控制實驗?zāi)M裝置中的恒電位儀，使匯流處電位為 -1.2 V，使陽極段輸出的電流密度為0.05 mA/m2，分別測量套管密封和未密封條件下管道上各測試點的電位，見表3。

表3 實驗實測電位數(shù)據(jù)

采用數(shù)值仿真軟件COMSOL中的腐蝕模塊，根據(jù)實驗裝置尺寸及邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬電位見表4。

表4 數(shù)值模擬電位數(shù)據(jù)

從表3、表4中可以看出，實測數(shù)據(jù)電位相對于模擬數(shù)據(jù)電位要稍微偏正些，最大相對誤差2.74%，最小相對誤差0.84%，整體相對誤差在3%以內(nèi)，認(rèn)為實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)結(jié)果較為吻合，表明所建立的數(shù)值模擬模型和所采用的數(shù)值計算方法正確可靠。

4 不同因素對有套管處輸油管道陰極保護(hù)電位的影響

依據(jù)API5L《Line Pipe》、GB50423—2013《管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》和GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，模擬管道材質(zhì)選擇X52管道鋼，長度20 m、外徑965 mm、壁厚7.9 mm；模擬套管選擇L245直縫焊接鋼管，距離管道左端9 m處，長度2 m、外徑1 118 mm、壁厚8.7 mm。管道和套管埋設(shè)深度均為2 m。輔助陽極為圓柱體的石墨陽極，長0.8 m，直徑80 mm。幾何模擬示意見圖2。

圖2 幾何模型示意

根據(jù)不同影響因素，設(shè)置多個模擬試驗工況，具體模擬參數(shù)見表5。

表5 模擬參數(shù)工況

通過控制變量的方式，模擬不同變量下的陰極保護(hù)電位，得到如圖3～8所示的電位變化曲線。

圖3 套管對管道表面陰極保護(hù)電位的影響

圖4 套管兩端是否密封對有套管處管道表面陰極保護(hù)電位的影響

圖5 環(huán)形空間內(nèi)電解質(zhì)電導(dǎo)率對管道電位分布的影響

圖6 輔助陽極埋設(shè)深度對有套管處管道陰極保護(hù)電位的影響

圖7 輔助陽極垂直距離對有套管處管道陰極保護(hù)電位的影響

圖8 陽極輸出保護(hù)電流對有套管處管道陰極保護(hù)電位的影響

5 結(jié)論

（1） 套管對管道陰極保護(hù)電位有一定影響。屏蔽管道表面陰極保護(hù)電流，減弱陰極保護(hù)作用，使得有套管處輸油管道腐蝕加劇，因此在實際工程中，在條件允許的情況下不建議安裝套管。

（2）有套管處管道陰極保護(hù)電位受套管兩端密封性影響比較大。盡管套管兩端未密封時陰極保護(hù)電流可以進(jìn)入套管內(nèi)的管道處，陰極保護(hù)起到一定作用，但此時外界環(huán)境中的水、土壤等雜質(zhì)會進(jìn)入套管和管道的環(huán)形空間，導(dǎo)致管道更容易發(fā)生腐蝕，因此套管兩端密封性對有套管處輸油管道腐蝕防護(hù)至關(guān)重要。

（3）套管與管道環(huán)形空間內(nèi)電解質(zhì)電導(dǎo)率對有套管處管道陰極保護(hù)電位有一定的影響。環(huán)形空間內(nèi)電解質(zhì)電導(dǎo)率越大，有套管處管道陰極保護(hù)電位越負(fù)，但遠(yuǎn)離套管處管道陰極保護(hù)電位幾乎不發(fā)生變化。因此套管與管道環(huán)形空間選用填充物質(zhì)時需要重點考慮所選材料的電導(dǎo)率性能，從而保證套管處管道能夠得到足夠的保護(hù)。

（4）輔助陽極埋設(shè)深度對有套管處管道陰極保護(hù)電位有一定的影響。在淺埋區(qū)時，隨著埋設(shè)深度增加，有套管處管道陰極保護(hù)電位逐漸正移，陰極保護(hù)作用減弱；在深埋區(qū)時，有套管處管道陰極保護(hù)作用幾乎不受影響。因此建議輔助陽極埋設(shè)深度在淺埋區(qū)為宜。

（5）輔助陽極垂直距離對有套管處管道陰極保護(hù)電位有一定的影響。隨著輔助陽極垂直距離的增大，套管處管道陰極保護(hù)電位逐漸正移，而遠(yuǎn)離有套管處管道的陰極保護(hù)電位負(fù)向移動。因此建議在條件允許情況下可適當(dāng)增加輔助陽極垂直距離，使得有套管處管道陰極保護(hù)效果更好。

（6）陽極輸出保護(hù)電流對有套管處管道陰極保護(hù)電位有一定的影響。隨著陽極輸出保護(hù)電流的增大，有套管處管道陰極保護(hù)電位越負(fù)移，管道越容易受到保護(hù)，但是如果陽極輸出保護(hù)電流無限制地增大，可能會使有套管處的管道處于過保護(hù)狀態(tài)。因此建議綜合考慮陽極端輸出保護(hù)電流的大小。