埋地管道絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕幾個(gè)影響因素的數(shù)值模擬研究

王 鵬，譚川江，趙玉飛，王福善，常澤亮，陳廣明，解魯平

(1. 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451)

0 前 言

絕緣接頭是陰極保護(hù)系統(tǒng)的重要附屬設(shè)施，主要用來分割保護(hù)管道與非保護(hù)管道、干擾區(qū)與非干擾區(qū)，以提高管道的陰極保護(hù)效率和隔斷雜散電流，其電絕緣性能嚴(yán)重影響陰保系統(tǒng)的有效性，對于管道的安全運(yùn)行起著重要作用[1]。絕緣接頭保護(hù)側(cè)采取的陰極保護(hù)措施導(dǎo)致保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)的管地電位不同，能產(chǎn)生0.5～1.0 V的電位差。這對沒有陰極保護(hù)的管道部分內(nèi)表面構(gòu)成陽極性腐蝕危險(xiǎn)，一旦管輸介質(zhì)具有良好的導(dǎo)電性，管道內(nèi)壁就會被迅速腐蝕，其腐蝕機(jī)理如圖1所示。目前國內(nèi)各大油田均出現(xiàn)多次絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕穿孔泄漏的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行。絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕具有一定的規(guī)律性和普遍性，但國內(nèi)對于其腐蝕影響因素及規(guī)律尚存爭論。

隨著陰極保護(hù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，陰極保護(hù)所要保護(hù)的對象越來越復(fù)雜，利用公式計(jì)算無法對復(fù)雜的被保護(hù)結(jié)構(gòu)上的陰極保護(hù)電位分布做出準(zhǔn)確的評價(jià)；在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，很多微型計(jì)算機(jī)的性能已經(jīng)超過了原來的大型計(jì)算機(jī)，隨之而來的是數(shù)值計(jì)算方法有了空前的發(fā)展。近年來，使用數(shù)值模擬計(jì)算方法來研究陰極保護(hù)體系的電位和電流分布成為陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向，如有限元法[2，3]、有限差分法[4]、邊界元法[5，6]等多種數(shù)值計(jì)算方法已成功應(yīng)用于陰極保護(hù)問題的數(shù)值計(jì)算中，具有預(yù)知性強(qiáng)、設(shè)計(jì)更具理論依據(jù)、影響因素和規(guī)律更容易量化等優(yōu)點(diǎn)。

本工作采用陰極保護(hù)BEASY計(jì)算軟件，建立了埋地管道絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)模型，耦合了有限元和邊界元的計(jì)算方法，研究了不同內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率、保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差和內(nèi)涂層破損率等影響因素對絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)的腐蝕影響規(guī)律，是國內(nèi)首次系統(tǒng)地開展埋地管道絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕影響因素及規(guī)律的研究，對于明確絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕的影響因素及其規(guī)律，有效抑制內(nèi)腐蝕的發(fā)生具有重要意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型建立

選取典型的帶有絕緣接頭的埋地管道結(jié)構(gòu)，構(gòu)建計(jì)算的幾何模型如圖2所示。其中管道材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為φ219 mm×10 mm，埋深為2 m。陰極保護(hù)側(cè)和非保護(hù)側(cè)管道外壁均帶有熱縮套防腐層，保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁為裸鋼，非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁帶有涂層，常見的涂層破損率為1%，設(shè)定為5個(gè)均勻破損點(diǎn)的情況，沿非保護(hù)側(cè)等距分布。陰極保護(hù)側(cè)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)是以深井陽極(MMO)為地床的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，深井陽極地床的深度為80 m，距離管道100 m。

1.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)定

本數(shù)值模擬中涉及輔助陽極、管道外壁和管道內(nèi)壁等結(jié)構(gòu)的邊界條件。其中，輔助陽極采用恒電流邊界條件，即陽極輸出電流/陽極表面積，通過條件陽極輸出電流可得到絕緣接頭兩側(cè)不同大小的電位差；管道外壁和管道內(nèi)壁均采用極化邊界條件，當(dāng)管道裸露時(shí)管材在土壤中和在不同濃度NaCl介質(zhì)中的極化曲線及化學(xué)參數(shù)如圖3和表1所示，所用土壤為農(nóng)田黏質(zhì)土，呈弱堿性(pH值8.38)，礦化度較高(主要為 Cl-、SO42-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+等離子)，水溶性鹽總量為 72.4 g/kg，電阻率測試值為10 Ω·m，對應(yīng)電導(dǎo)率為0.1 S/m。有涂層管道未破損處的邊界條件為電流密度等于0。

表1 20鋼在不同介質(zhì)環(huán)境下的電化學(xué)參數(shù)

1.2.1 介質(zhì)導(dǎo)電率

考察的內(nèi)部介質(zhì)分別為5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)，10%，15%，20%，25%NaCl溶液5種，20鋼在上述5種溶液中的極化曲線如圖3b所示，5種介質(zhì)的電導(dǎo)率分別為5.4，10.6，16.4，22.9，30.3 S/m。

設(shè)定的其他相同條件為非保護(hù)側(cè)內(nèi)涂層破損率為1%和保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流為1.020 A)。

1.2.2 電位差

考察的保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差為0，500，1 000，1 500 mV，此時(shí)對應(yīng)的陽極輸出電流分別為0，0.394，1.020，1.902 A，該電流主要用于保護(hù)絕緣接頭保護(hù)側(cè)的2 m管道，保護(hù)面積為6.55×105mm2。

設(shè)定的其他相同條件為內(nèi)部介質(zhì)為25%NaCl溶液和非保護(hù)側(cè)內(nèi)涂層破損率為1%。

1.2.3 涂層破損率

考察的非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁涂層(總面積為1.31×106mm2)破損率為0.1%，1.0%，10.0%，100.0%，在涂層破損率為0.1%，1.0%，10.0%時(shí)設(shè)置5個(gè)獨(dú)立圓形缺陷，單個(gè)破損點(diǎn)面積分別為262.504，2 625.040，26 250.400 mm2。

設(shè)定的其他相同條件為內(nèi)部介質(zhì)25%NaCl溶液和保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流為1.020 A)。

2 結(jié)果與分析

絕緣接頭保護(hù)側(cè)施加陰極保護(hù)后，管地電位負(fù)移，在其周圍形成陰極電勢場。絕緣接頭非保護(hù)側(cè)剛好處于陰極電勢場影響范圍內(nèi)，當(dāng)非保護(hù)側(cè)內(nèi)涂層存在漏點(diǎn)時(shí)，就會發(fā)生放電，即在非保護(hù)側(cè)影響區(qū)外的遠(yuǎn)端管道外防腐層破損處吸收陰極保護(hù)電流和其他雜散電流，形成陰極干擾，產(chǎn)生陽極電流。如果管道中存在良好的導(dǎo)電介質(zhì)，由于管道與介質(zhì)的界面電阻(Rml)遠(yuǎn)小于管道接地電阻(Rmg)，且介質(zhì)電阻(Rl)遠(yuǎn)小于土壤電阻(Rg)和絕緣接頭電阻(Rd)，因此，陽極電流沿導(dǎo)電介質(zhì)(離子通路)流入保護(hù)側(cè)管體，經(jīng)匯流點(diǎn)流回電源陰極，絕緣接頭非保護(hù)側(cè)電流流出點(diǎn)發(fā)生腐蝕。

2.1 內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率對非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕的影響規(guī)律

設(shè)定非保護(hù)側(cè)涂層破損率為1%、保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流1.020 A)，當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)為5%NaCl溶液時(shí)，數(shù)值模擬得到非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量為0.278 A，最大泄漏電流密度為190.14 A/m2。此時(shí)，管道外壁和內(nèi)壁的電位及電流密度(電流密度為負(fù)表示電流從介質(zhì)流向管道，管道被保護(hù)；電流密度為正表示電流從管道流向介質(zhì)，管道被腐蝕)分布云圖如圖4所示。從圖4a可以看出，保護(hù)側(cè)管道外壁(左)電位明顯負(fù)于非保護(hù)側(cè)管道外壁(右)電位，而非保護(hù)側(cè)電位也明顯負(fù)于管道在土壤中的自然電位(-673 mV)。 這表明保護(hù)側(cè)管道和非保護(hù)側(cè)管道外壁均得到了陰極保護(hù)，如圖4c所示保護(hù)側(cè)獲得的電流更多，占比為(1.020-0.278) A/1.020 A=72.7%。從電流密度分布云圖也可以印證該結(jié)論。保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁(左)電位明顯負(fù)于非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁漏點(diǎn)處(右)電位，結(jié)合電流密度分布云圖可知，保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為負(fù)值，即獲得了陰極保護(hù)電流，在接頭位置處獲得的電流密度達(dá)到最大；非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為正值，即電流流出。在接頭位置處，流出的電流密度達(dá)到最大，高達(dá)130.14 A/m2，該位置最大腐蝕速率可達(dá)150.96 mm/a。

通過改變邊界條件，即不同介質(zhì)下20鋼的極化曲線，進(jìn)行了管道內(nèi)壁介質(zhì)為10%、15%、20%和25%NaCl時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算，其結(jié)果見表2。從表2可以看出，腐蝕電流密度隨著內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率的升高而增大，腐蝕速率也相應(yīng)地變大。

表2 內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率計(jì)算結(jié)果

2.2 兩側(cè)電位差對非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕的影響規(guī)律

設(shè)定非保護(hù)側(cè)涂層破損率為0.1%、管道內(nèi)壁介質(zhì)為25%NaCl溶液，當(dāng)保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)的電位差為0，即陽極輸出電流為0時(shí)，在非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量約為0，最大泄漏電流密度也約為0。此時(shí)，管道外壁和內(nèi)壁的電位及電流密度分布云圖如圖5所示。從圖5可以看出，保護(hù)側(cè)管道外壁電位和非保護(hù)側(cè)管道外壁電位均為自然電位(-673 mV)，電流密度分布云圖電流密度約為0。保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電位和非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁漏點(diǎn)處電位也都為內(nèi)壁環(huán)境下的自然電位，即-837 mV。結(jié)合電流密度分布云圖可知，保護(hù)側(cè)和非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電流密度均約等于0，顯示數(shù)值為計(jì)算誤差。此時(shí)，管道內(nèi)壁幾乎不發(fā)生腐蝕。

通過改變邊界條件，即陽極輸出電流，進(jìn)行了保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差分別為500，1 000，1 500 mV時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算，25%NaCl介質(zhì)下計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出在非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量即從非保護(hù)側(cè)外壁和內(nèi)壁流入到保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁的電流量，以及非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁最大泄漏電流密度，均隨著電位差的增大而升高，這意味著腐蝕速率的增大。

表3 保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差計(jì)算結(jié)果

2.3 非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁涂層破損率對非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕的影響規(guī)律

設(shè)定保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流1.020 A)、內(nèi)部介質(zhì)為5%NaCl溶液，當(dāng)涂層破損率為0.1%時(shí)，在非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量為0.250 A，最大泄漏電流密度為539.20 A/m2。此時(shí)，管道外壁和內(nèi)壁的電位及電流密度分布云圖如圖6所示。從圖6可以看出，保護(hù)側(cè)管道外壁電位明顯負(fù)于非保護(hù)側(cè)管道外壁電位，而非保護(hù)側(cè)電位也明顯負(fù)于自然電位(-673 mV)。 這表明保護(hù)側(cè)管道和非保護(hù)側(cè)管道外壁均得到了陰極保護(hù)，保護(hù)側(cè)獲得的電流更多，占比為(1.020-0.250) A/1.020 A=75.5%。從電流密度分布云圖也可以印證該結(jié)論。保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電位明顯負(fù)于非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁漏點(diǎn)處電位，結(jié)合電流密度分布云圖可知，保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為負(fù)值，即獲得了陰極保護(hù)電流，在接頭的位置處獲得的電流密度達(dá)到最大；非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為正值，即電流流出。在接頭的位置處，流出的電流密度達(dá)到最大，高達(dá)539.20 A/m2，該位置最大腐蝕速率可達(dá)625.49 mm/a。

通過改變非保護(hù)側(cè)內(nèi)涂層破損率，分別進(jìn)行了內(nèi)涂層破損率為1.0%，10.0%，100.0%時(shí)的數(shù)值模擬計(jì)算，其結(jié)果見表4。從表4可以看出，在非保護(hù)側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量即從非保護(hù)側(cè)外壁和內(nèi)壁流入到保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁的電流量，隨著涂層破損率的增大而升高，而非保護(hù)側(cè)管道內(nèi)壁涂層破損處最大泄漏電流密度隨著涂層破損率的增大而降低。

表4 非保護(hù)側(cè)內(nèi)涂層破損率計(jì)算結(jié)果

2.4 泄漏電流量與各影響因素之間的關(guān)系擬合

數(shù)值模擬結(jié)果顯示在干擾下絕緣接頭處管道內(nèi)壁電位偏移較大即出現(xiàn)強(qiáng)極化，對于該種情形，文獻(xiàn)[7]中提供了干擾下電絕緣處金屬管段腐蝕電流密度J0的預(yù)測公式：

(1)

根據(jù)公式(1)可知，表征泄漏電流或電流密度的主要參數(shù)包括：電位差△U、電阻率ρ、陽極塔菲爾常數(shù)β等變量，以及在計(jì)算模型中已經(jīng)固定的絕緣段長度L、管道半徑r和涂層破損率f。前述的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，泄漏電流量與電位差△U和涂層破損率f正相關(guān)，分別調(diào)整冪次進(jìn)行線性擬合；與介質(zhì)電阻率ρ和陽極塔菲爾常數(shù)β負(fù)相關(guān)，調(diào)整二者之積的冪次進(jìn)行線性擬合。將上述擬合得到的方程乘積，得到綜合該4項(xiàng)影響參數(shù)的泄漏電流量表達(dá)式：

(2)

式中，I′為綜合參數(shù)，是基于數(shù)值模擬中參數(shù)的電位差△U、涂層破損率f、電阻率ρ和陽極塔菲爾常數(shù)β利用上述公式求得；I為數(shù)值模擬獲得的泄漏電流量。匯總表2至表4中的數(shù)據(jù)繪制泄漏電流量I和綜合參數(shù)I′的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖7所示，利用公式(2)進(jìn)一步擬合得到系數(shù)a=1.604，擬合方差為0.993，代入系數(shù)后得到泄漏電流量的表達(dá)式為：

(3)

3 結(jié) 論

針對埋地管道絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下：

(1)絕緣接頭非保護(hù)側(cè)內(nèi)腐蝕是一種直流雜散電流干擾造成的不均勻局部腐蝕，影響因素主要為保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位差、介質(zhì)導(dǎo)電率和非保護(hù)側(cè)內(nèi)涂層破損率，也與管徑大小和長度有關(guān)。