大埋深油氣管道防腐層破損檢測技術研究

冀潔梅 何川 王文明

1.中國石油物資滄州有限公司北京分公司 2.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院

隨著社會的快速發(fā)展，城市建設規(guī)模不斷擴大，大埋深管道在現代化城市建設中發(fā)揮著重要作用[1]。大埋深管道是指埋深較大的管道。由于大埋深管道長時間埋于地下，在溫度、土壤、水分等環(huán)境的影響下，管道的防腐層容易出現老化、損壞、脫落，甚至導致管道破裂、穿孔，從而引發(fā)管道的泄漏，在給國家和社會帶來巨大經濟財產損失的同時，也會造成環(huán)境污染和災難事故的發(fā)生[2-5]。

為避免由于防腐層損壞導致重大事故的發(fā)生，應采取有效的方式檢測大埋深油氣管道防腐層的破損情況。在檢測防腐層情況的實際工況下，目前運用的常見手段有直流電位梯度測試、PCM法、Pearson法、CIPS法等，通過檢測結果可以掌握防腐涂層的具體信息[6-9]。然而受復雜管道環(huán)境以及不斷升級的管道技術的影響，我國對管道外檢測提出了更高的要求，單一化的檢測模式已無法滿足管道發(fā)展的需求[10-13]。

針對當前大埋深油氣管道防腐層破損檢測技術存在的弊端，利用電磁波衰減理論，對大埋深管道檢測防腐層破損處的變化規(guī)律進行了分析，同時，采用Comsol仿真軟件建立了相應的三維埋地管道仿真模型來模擬管道防腐層破損檢測研究。

1 大埋深管道檢測防腐層破損處變化規(guī)律

為了研究大埋深管道檢測防腐層破損處的變化規(guī)律，采用電磁波衰減理論進行分析，無界、無源的導電介質的麥克斯韋方程組表達見式(1)。

(1)

由(1)得：

(2)

通過對上述公式的推導和轉化，得出的波動方程見式(3)和式(4)。

(3)

γ2=ω2μεc

(4)

假設在直角坐標系，一個沿著z軸正方向傳播的均勻的電場強度大小只有x的一個分量Ex的平面電磁波，它的波動方程的一個解是：

E=exE0e-jrz

(5)

式中:ex為沿x軸正向的單位矢量;E0為電場在地表時的初始振幅 ,V/m;z為笛卡爾坐標系的z軸坐標,m。

令γ=β-jα，則：

E=exE0e-j(β-jα)z=exE0e-αze-jβz

(6)

式中：α為電磁波衰減常數；β為相位常數；γ為傳播常數。

由上式可得電場強度E隨著因子z的增大而減小，所以電場強度的瞬時表達式為：

E(z,t)=exEme-αzcos(ωt-βz+φ0)

(7)

式中:Em為電場強度的振幅值；φ0代表電場強度的初相角，t為時間，即：

E0=Eme-jφ0

(8)

因為：

γ2=ω2μεc

(9)

所以：

(10)

故有：

β2-α2-j2αβ=ω2με-jωμσ

(11)

從而可以推出 ：

β2-α2=ω2με

(12)

2αβ=ωμσ

(13)

由以上的方程可以解得：

(14)

時諧平面電磁波情況下，由麥克斯韋推出電場強度波動方程：

(15)

(16)

式中：kc為復波數，在垂直地面入射的平面電磁波條件下，可以由波動方程解出的電場強度的表達式如下：

E(z,t)=exE0e-j(β-jα)

(17)

電磁波在有損介質中傳播會逐漸衰減，電場與磁場的最大幅度會隨傳播距離的增大按照e-αz的指數規(guī)律慢慢減小，衰減的快慢速度取決于衰減率α：

(18)

對衰減系數公式進行取極限：

(19)

(20)

(21)

綜上可知，電磁波衰減系數的極限是一個只與電導率、磁導率、介電常數有關的正數。其在傳播過程中呈指數形式衰減。通常情況下，電磁波衰減系數會隨頻率的增大而增大，但當頻率達到了一定數值以后，電磁波衰減系數基本上不會再隨頻率的增大而一直增加；當頻率增大到某個極值后，衰減系數會急劇下降。

2 仿真分析

通過Comsol軟件對管道進行分析，埋地管道建模基本參數見表1，模型材料屬性見表2。管道內的介質是空氣，土壤模型采用半徑為15 m、高10 m的圓柱體, 位于正中間的防腐層破損處俯視圖為20 mm×20 mm正方形，用土壤材料填充破損處。

表1 埋地管道建模基本參數模型管徑/mm管長/m壁厚/mm埋深/m防腐層厚度/mm參數325106103

表2 模型材料屬性定義參數有限元模型材料電導率/(S·m-1)相對磁導率/(H·m-1)相對介電常數/(F·m-1)土壤層泥土50155管道45號鋼0.000 012001防腐層3PE0.000 0113管內介質空氣0.000 000 0111

為了分析土壤層表面的電流密度，在平行于管道軸向方向上設置一條路徑，且該直線也正好處于管道防腐層破損處的正上方。通過檢測該軸線上的電流密度大小來研究大埋深管道的具體變化規(guī)律。

當管道防腐層完好時，設置該路徑與管道的垂直距離分別為0.2 m、3 m、6 m、10 m，對應的電流密度曲線見圖1。由圖1可以看出，當管道防腐層完好時，土壤層距離管道0.2 m、3 m、6 m平行管道軸線土壤層上直線的電流密度大小基本一致，但是隨著土壤層上設置路徑和管道軸線距離的增大，路徑上的電流密度數值逐漸減小，而且深度越大，其數值越小，檢測難度就會增加，對相應檢測設備的要求也會越來越高。

當防護層破損時，不同埋深的電流密度曲線見圖2。從圖2可看出，當管道防腐層存在破損時(破損點在管道正中間，大小為20 mm×20 mm)，土壤層距離管道0.2 m、3 m、6 m、10 m設置路徑上的電流密度會先緩慢增大，在管道正中心達到最大值后再慢慢變小，可以根據峰值的大小和其突變判斷防腐層破損點的位置；在豎直方向上，隨著距離的增大，峰值也在變小，即管道埋地越深，破損處產生的電流到地面的信號強度越微弱，檢測難度越大。電流密度最大時(即在5 000 mm處)為防腐層破損點的位置，在管道埋地0.2 m處較明顯。

在管道服役過程中，由于人為或環(huán)境因素，管道可能會在不同位置造成不同程度的損傷。為了研究上述情況下電流的傳輸方式，將防腐層破損點設置在管道中心5 m處，且破損區(qū)域邊長分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 的正方形破損。埋深10 m時不同破損點的電流密度見圖3。由圖3可知，當管道防腐層存在破損點時，管道上的電流從管道防腐層的破損點處流進土壤，以破損點為球心往四面八方傳播。隨著管道防腐層破損面積的增大，流進土壤的電流也就越大，土壤層上路徑的曲線峰值也就越高，破損點的正上方電流密度要比兩邊的電流密度大，曲線趨勢呈一個反U字型；邊長為30 mm的正方形的破損區(qū)域處電流密度最大，由此方法可檢測埋地管道防腐層的破損程度。

除此之外，通過改變激勵電流的頻率也可以實現對大埋深管道防腐層破損時的檢測研究，控制頻率為8 Hz、32 Hz、64 Hz、128 Hz、256 Hz，檢測電流密度情況，見圖4。由圖4可知，當管道埋深和防腐層上破損點相同時，施加相同大小的電流信號源，激勵頻率越小，土壤層上路徑的電流密度越大。管道上泄漏的電流在低頻情況下穿透土壤的能力越強，其峰值也隨著頻率的減少而增大。

綜合以上研究，對大埋深油氣管道防腐層破損規(guī)律進行了進一步分析。如圖5所示，通過鐘表切分法將管道切分成多份，然后從中選取幾個鐘點方向的個點作為分析點，進而更清晰地分析管道防腐層破壞規(guī)律。以管道橫切面圓心位置為原點，順管道一周將管道切分為8塊，從中選取5個點作為分析點，分別為A1(4點鐘方向)、A2(3～9點鐘方向)、A3(12點鐘方向)、A4(10點鐘方向)、A5(3點鐘方向)。然后將帶有破損的管道展開，如圖6所示。A2位置處的防腐層破損較為嚴重，A4處的防腐層破損較弱，管道A1～A5位置的防腐層破損程度如表3所示。由此可得，在實際工況中，深埋管道的A1和A2位置較薄弱，更容易出現破損，應加強該處的防護。該方法能夠較為便捷地發(fā)現油氣管道防腐層相對薄弱的位置，對于進一步研究大埋深油氣管道防腐層破損規(guī)律及解決措施提供了良好的參考。

表3 埋地管道展開管道破損位置位置管圓周時鐘位置破損程度A14點鐘較高A23～9點鐘高A312點鐘中等A410點鐘最低A53點鐘較低

3 結論

研究了大埋深管道的探測檢測過程，通過利用電磁波衰減的理論研究，對大埋深管道檢測防腐層破損處的變化規(guī)律進行了分析；通過Comsol軟件建立了相應的三維埋地管道仿真模型來模擬管道防腐層破損檢測研究，得出以下結論：

(1) 當管道防腐層完好或者破損時，仿真結果所得曲線存在巨大的差異。當管道防腐層完好時，檢測到土壤層軸線的電流密度和磁場強度大小基本一致，曲線圖形是一條直線；當管道防腐層破損以后，管道中的電流泄漏，在土壤層軸線上檢測到的電流大小是一個倒U字型曲線，在破損位置的電流大小是最大的。

(2) 當大埋深管道防腐層存在不同破損點時，管道防腐層破損面積越大，流進土壤的電流也就越大，土壤層上路徑的電流密度大小曲線峰值也就越高。

(3) 當其他基本條件都一樣時，施加激勵頻率越小，對檢測大埋深管道的破損情況越有利。