埋地管道防腐涂層破裂時(shí)的鋼材腐蝕模擬研究

王澤琦，李韻麗，王進(jìn)波

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2石鋼京誠(chéng)裝備技術(shù)有限公司，遼寧 營(yíng)口

1. 引言

管道作為油氣行業(yè)運(yùn)輸?shù)难}，無(wú)論是長(zhǎng)短距離或運(yùn)輸何種類(lèi)型的介質(zhì)，它無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式之一，管道大致分為埋地管道和海洋管道，目前我國(guó)多以埋地管道為主，埋地管道面臨的主要問(wèn)題是外腐蝕，世界上每年有大量的油氣管道由于腐蝕而報(bào)廢[1] [2]，土壤的酸堿性、外部應(yīng)力、土壤濕度、雜散電流、微生物作用以及地磁場(chǎng)等都會(huì)對(duì)管道外壁造成不同程度的腐蝕[3] [4] [5] [6]，工程實(shí)際中多采用3PE 防腐涂層、犧牲陽(yáng)極或外加電位等方式對(duì)管道進(jìn)行腐蝕防護(hù)，后者防護(hù)并不理想，犧牲陽(yáng)極壽命較短且投產(chǎn)運(yùn)行復(fù)雜，外加電位會(huì)對(duì)外部土壤以及附近設(shè)施造成不同程度影響，目前工程上大部分使用的管道外防腐主要以3PE 防腐涂層為主，它是經(jīng)濟(jì)且有效穩(wěn)定的防腐技術(shù)[7]，但由于外部環(huán)境影響，例如施工等會(huì)產(chǎn)生外部機(jī)械應(yīng)力。

本文以工程實(shí)際中的涂層防腐為背景，以帶3PE 防腐涂層的X70 鋼為模擬材料，利用有限元模擬軟件分析當(dāng)由于外部應(yīng)力致使3PE 防腐涂層破裂時(shí)鋼材的腐蝕行為。

2. 研究方法

2.1. 有限元模擬

采用Comsol Multiphysics 5.5 軟件，對(duì)埋地管道在不同應(yīng)變以及缺陷深度環(huán)境下的腐蝕電化學(xué)行為進(jìn)行有限元模擬。選取2D 模型從而簡(jiǎn)化計(jì)算，物理場(chǎng)模型選取固體力學(xué)與二次電流分布(siec)下的穩(wěn)態(tài)研究[8]，含有缺陷的管道模型如圖1 所示，由于3PE 防腐涂層破損而暴露的缺陷假定為橢球型，初始腐蝕缺陷深度為2.24 mm。在實(shí)際腐蝕過(guò)程中，缺陷的寬度會(huì)隨時(shí)間與應(yīng)力發(fā)生變化，為研究不同外部應(yīng)變與缺陷深度條件下對(duì)鋼材腐蝕的影響，本文假定缺陷寬度不變。

Figure 1. Finite element model of corrosion-resistant coating with corrosion defect after rupture. (a) 3D model; (b)2D model圖1. 防腐層破裂后含腐蝕缺陷的有限元模型。(a) 3D 模型；(b) 2D 模型

2.2. 電化學(xué)參數(shù)選擇

陽(yáng)極為標(biāo)準(zhǔn)的鐵的活化溶解，對(duì)于土壤環(huán)境中O2與CO2都會(huì)存在，植物根部的呼吸作用與土壤很多微生物的存在，導(dǎo)致大部分土壤中的O2含量小于土壤中CO2的含量，且土壤中CO2的含量會(huì)大于空氣中CO2的含量[9]，所以陰極選擇氫離子單電子的還原反應(yīng)，這主要是由于氫原子的滲透會(huì)脆化鋼體，也就是氫滲透，部分不滲透的氫原子結(jié)合生成了氫分子，本次模擬只考慮會(huì)腐蝕鋼體的部分氫原子。陽(yáng)極電化學(xué)動(dòng)力表達(dá)式為陽(yáng)極Tafel，陰極電化學(xué)動(dòng)力表達(dá)式為陰極Tafel。

根據(jù)能斯特方程，有以下式子：

其中下標(biāo)a，c分別為陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，i為電化學(xué)反應(yīng)的電流密度，0i為交換電流密度，Eeq代表平衡電極電位，E0代表標(biāo)準(zhǔn)電極電位，η為過(guò)電位，b為塔菲爾斜率，R為8.31 J/mol K，T為298 K，F(xiàn)為96,485 C/mol。

本次模擬的數(shù)據(jù)來(lái)源于本人碩士論文中的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用極化曲線(xiàn)圖2 與平衡電極電位得到Tafel 斜率與交換電流密度作為模擬的初始參數(shù)，見(jiàn)表1。

Figure 2. Polarization curves of steel under certain conditions圖2. 鋼在某特定條件下的極化曲線(xiàn)

Table 1. The initial electrochemical parameters of finite element simulation under certain conditions are derived from Figure 2表1. 某特定條件下的有限元模擬的初始電化學(xué)參數(shù)由圖2 導(dǎo)出

2.3. 固體力學(xué)

2.3.1. 陽(yáng)極

其中σmises由有限元模擬得到，bc為陰極Tafel 斜率，見(jiàn)上文表1。

3. 模擬結(jié)果

3.1. 不同縱向應(yīng)變

Figure 3. von Mises stress distribution and corrosion current density diagram of a fixed corrosion defect depth (2.24 mm) in a soil environment under different longitudinal strains圖3. 不同縱向應(yīng)變下土壤環(huán)境中固定腐蝕缺陷深度(2.24 mm)的von Mises應(yīng)力分布與腐蝕電流密度圖

3.2. 不同腐蝕缺陷深度

圖4 為固定0.1%縱向應(yīng)變下不同腐蝕缺陷深度的von Mises 應(yīng)力分布和腐蝕電流密度大小及腐蝕電流密度的流線(xiàn)圖，右側(cè)顏色條表示腐蝕電流密度與von Mises 應(yīng)力。從圖4(a)可以看出當(dāng)腐蝕缺陷深度很小時(shí)，von Mises 應(yīng)力分布和腐蝕電流密度都很小且分布均勻，此時(shí)腐蝕程度很輕；當(dāng)腐蝕缺陷增加到20%壁厚(4.48 mm)以及30%壁厚(6.72 mm)時(shí)，von Mises 應(yīng)力集中在腐蝕缺陷中心且隨著腐蝕缺陷深度的增加而沿管壁方向縱向延展，腐蝕電流密度分布在管壁與防腐層的交界處且有增大的趨勢(shì)；當(dāng)腐蝕缺陷增大到40%壁厚(8.96 mm)時(shí)，von Mises 應(yīng)力出現(xiàn)在整個(gè)壁厚縱向，此時(shí)管壁受到的應(yīng)力最大，腐蝕電流密度在與防腐層的交界處也達(dá)到最大，此時(shí)腐蝕最嚴(yán)重。

Figure 4. Diagram of von Mises stress distribution and corrosion current density at different depths of corrosion defects in a soil environment with a fixed longitudinal strain (0.1%)圖4. 固定縱向應(yīng)變(0.1%)下土壤環(huán)境中不同腐蝕缺陷深度處的von Mises 應(yīng)力分布與腐蝕電流密度圖

4. 分析

埋地鋼材表面會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)[13] [14] [15] [16]：

圖5 為腐蝕反應(yīng)機(jī)理圖，雖然土壤中O2的含量小于空氣中O2含量且小于土壤中CO2的含量，也會(huì)有一小部分O2參與到反應(yīng)當(dāng)中，具體反應(yīng)為吸氧腐蝕，最終的腐蝕產(chǎn)物Fe3O4是多孔，疏松的腐蝕產(chǎn)物，無(wú)法對(duì)基體造成保護(hù)，同樣因?yàn)楹亢苌?，?duì)腐蝕過(guò)程的控制并不起決定性作用。

Figure 5. Diagram of steel mechanism of CO2-O2 interaction in soil environment圖5. 土壤環(huán)境中CO2 與O2 協(xié)同作用鋼材機(jī)理圖

5. 結(jié)論

1) 在模擬取值范圍內(nèi)，von Mises 應(yīng)力隨著縱向應(yīng)變的增加而增大，逐漸集中在腐蝕缺陷中心區(qū)域，并隨著縱向應(yīng)變達(dá)到最大von Mises 應(yīng)力也達(dá)到最大，von Mises 應(yīng)力存在于整個(gè)管壁縱向方向，腐蝕電流密度隨著縱向應(yīng)變的增加而增大，且逐漸出現(xiàn)在管壁與3PE 防腐涂層交界處，此處腐蝕最為嚴(yán)重。

2) 在模擬取值范圍內(nèi)，von Mises 應(yīng)力隨著腐蝕缺陷深度的增加而增大，同樣von Mises 應(yīng)力也集中在腐蝕缺陷中心處，當(dāng)腐蝕缺陷深度達(dá)到管壁的40%時(shí)，甚至施加的縱向應(yīng)變使管壁出現(xiàn)腐蝕缺陷外的應(yīng)力，這對(duì)管壁會(huì)造成更嚴(yán)重的影響，腐蝕電流密度隨著腐蝕缺陷深度的增加在與3PE 防腐涂層交界處增大，當(dāng)腐蝕缺陷深度達(dá)到管壁的40%時(shí)，此處腐蝕最為嚴(yán)重。

3) 腐蝕缺陷深處中心作為腐蝕陽(yáng)極Fe 不斷溶解，實(shí)際情況中隨著縱向應(yīng)變的增加腐蝕缺陷深度也會(huì)增加，同樣施加縱向應(yīng)變產(chǎn)生的塑性變形會(huì)加強(qiáng)陰極反應(yīng)導(dǎo)致與3PE 防腐涂層交界處的陰極腐蝕電流密度增加，此處為腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域，隨著縱向應(yīng)變的不斷加深與時(shí)間的推移，腐蝕可能會(huì)出現(xiàn)橫向擴(kuò)展的趨勢(shì)。